Физика будущего

Каку Митио

В сентябре 2010 г. космический туризм получил дополнительный стимул в лице корпорации Boeing, которая объявила о своем выходе на этот рынок и запланировала первые полеты для космических туристов уже на 2015 г. Это вполне соответствовало бы планам президента Обамы передать пилотируемую космонавтику в частные руки. План Boeing предусматривает запуски к Международной космической станции с космодрома на мысе Канаверал капсулы с четырьмя членами экипажа и тремя свободными местами для космических туристов. Однако Boeing достаточно прямо высказался о финансировании частных космических проектов: большую часть денег придется заплатить налогоплательщикам. «Это ненадежный рынок, — говорит Джон Элбон (John Elbon), руководитель программы

коммерческих космических запусков. — Если бы нам при всех имеющихся факторах риска пришлось рассчитывать только на средства Boeing, мы не сумели бы успешно завершить дело».

Темные лошадки

Чрезвычайно высокая стоимость космических путешествий сдерживает и коммерческий, и научный прогресс, так что человечество в настоящий момент нуждается в совершенно новой, революционной технологии. К середине века ученые и инженеры должны довести до ума новые ракеты-носители, чтобы снизить стоимость запусков.

Физик Фримен Дайсон выделил среди множества предложений несколько технологий, которые в данный момент проходят стадию эксперимента, но когда-нибудь, возможно, сделают космос доступным даже для обычного человека. Ни одно из этих предложений не гарантирует успеха, но в случае удачи стоимость доставки грузов в космос резко упадет. Первое из этих предложений — лазерные системы реактивной тяги: мощный лазерный луч от внешнего источника (к примеру, с Земли) направляется на основание ракеты, где вызывает мини-взрыв, ударная волна которого и приводит ракету в движение. Стабильный поток лазерных импульсов испаряет воду, и получившийся пар толкает ракету в космос. Главное преимущество лазерного реактивного двигателя состоит в том, что энергия для него поступает из внешнего источника — со стационарного лазера. Лазерная ракета по существу не несет топлива. (В противовес этому химические ракеты значительную часть энергии тратят на подъем и транспортировку топлива для своих же двигателей.)

Технология лазерного реактивного движения уже была продемонстрирована в лаборатории, где в 1997 г. прошла успешные испытания модели. Лейк Мирабо (Leik Mirabo) из Ренсселеровского политехнического института в Нью-Йорке создал рабочий прототип подобной ракеты и назвал его демонстратором технологии светокорабля. Одна из первых его летающих моделей весила 50 граммов и представляла собой «тарелку» диаметром около 15 см. Лазер мощностью 10 кВт генерировал серию лазерных взрывов в основании ракеты; воздушные ударные волны разгоняли ее с ускорением 2 g (что вдвое превосходит ускорение свободного падения на Земле и составляет примерно 19,6 м/с²) и звуками, напоминающими автоматные очереди. Светоракеты Мирабо поднимались в воздух более чем на 30 м (что примерно соответствует первым жидкостным ракетам Роберта Годдарда в 1930-х гг.).

Дайсон мечтает о том дне, когда лазерные системы реактивной тяги смогут выводить на орбиту Земли тяжелые грузы по цене всего пять долларов за фунт, что, безусловно, стало бы настоящей революцией в космической отрасли. Он представляет себе гигантский 1000-мегаваттный (что соответствует мощности стандартного атомного энергоблока) лазер, способный вытолкнуть на орбиту двухтонную ракету, состоящую из полезного груза и бака с водой в основании. Вода медленно просачивается сквозь крохотные поры в нижней стенке бака. И полезный груз, и бак весят по тонне. Когда лазерный луч падает на днище ракеты, вода мгновенно испаряется, порождая серию ударных волн, которые толкают ракету в космос. Ракета достигает ускорения 3 g и через шесть минут выходит на околоземную орбиту.

Поскольку сама ракета топлива не несет, отсутствует и опасность катастрофического взрыва носителя. Для химических ракет даже сегодня, через 50 лет после Первого спутника, вероятность отказа составляет около 1%. И отказы эти, как правило, смотрятся очень впечатляюще —

кислород и водород взрываются гигантскими огненными шарами, а обломки дождем сыплются на стартовую площадку. Лазерная система, напротив, проста, безопасна и может использоваться не один раз с очень небольшими промежутками; нужны для ее работы только вода и лазер.

Более того, со временем эта система окупится. Если с ее помощью запускать по полмиллиона космических аппаратов в год, плата за запуск легко перекроет и операционные расходы, и стоимость разработки и строительства. Дайсон, однако, понимает, что до реализации этой мечты должно пройти еще не одно десятилетие. На фундаментальные исследования в области мощных лазеров потребуется гораздо больше денег, чем в состоянии выделить любой университет. Если финансирование разработки не возьмет на себя правительство или какая-нибудь крупная корпорация, лазерные системы реактивной тяги никогда не будут построены.

Здесь могла бы оказаться очень кстати премия фондах Prize. Я однажды беседовал с Питером Диамандисом, основавшим его в 1996 г., и убедился, что он прекрасно сознает ограниченность химических ракет. Даже со SpaceShipTwo, признался он мне, мы столкнулись с тем, что химические ракеты — это очень дорогой способ убежать от действия земного тяготения. Вследствие этого следующая премия X Prize достанется тому, кто сумеет создать ракету, движимую лучом энергии. (Но вместо лазерного луча здесь предполагается использовать другой, похожий на лазерный пучок электромагнитной энергии — микроволновой луч.)

Шумиха вокруг премии и сама многомиллионная награда, возможно, окажутся достаточными приманками для разжигания интереса к проблеме нехимических ракет, таких как микроволновая ракета, среди предпринимателей и изобретателей.

Существуют и другие экспериментальные ракетные конструкции, но их разработка сопряжена с иными рисками. Один из вариантов — газовая пушка, выстреливающая из громадного ствола некие снаряды, — что-то вроде снаряда в романе Жюля Верна «С Земли на Луну». Снаряд Верна, однако, не долетел бы до Луны, потому что порох не в состоянии разогнать его до скорости 11 км/с, необходимой для выхода из поля притяжения Земли. В газовой пушке вместо пороха снаряды с огромной скоростью будет выталкивать газ, сжатый под большим давлением в длинной трубке. Покойный Абрахам Герцберг (Abraham Hertzberg) из Университета Вашингтона в Сиэтле построил прототип такой пушки диаметром около 10 см и длиной около 10 м. Газ внутри пушки представляет собой смесь метана и воздуха, сжатую до 25 атмосфер. Газ поджигается, и снаряд разгоняется в стволе с ускорением 30 000 g, при котором большинство металлических предметов расплющиваются.

Герцберг доказал, что газовая пушка может работать. Но чтобы закинуть снаряд в космос, ствол ее должен быть гораздо длиннее, около 230 м; кроме того, вдоль траектории разгона в стволе пушки должны работать разные газы. Чтобы полезный груз набрал первую космическую скорость, в стволе необходимо организовать пять участков с разными рабочими газами.

Стоимость запуска из газовой пушки может оказаться даже ниже, чем при помощи лазерной системы. Однако запускать таким образом в космос пилотируемые аппараты слишком опасно: только твердый груз способен выдержать интенсивное ускорение в стволе.

Третья экспериментальная конструкция — «слингатрон», который, подобно праще, должен раскручивать груз, а затем выбрасывать его в воздух.

Прототип этого устройства был построен Дереком Тидманом (Derek Tidman); его настольная модель способна за несколько секунд раскрутить предмет и бросить его со скоростью до 100 м/с. Прототип слингатрона представляет собой трубку в виде бублика диаметром около метра. Сама трубка имеет диаметр около 2,5 см и содержит небольшой стальной шарик. Шарик катается по кольцевой трубке, а небольшие моторчики подталкивают его и заставляют разгоняться.