1.3. О технической возможности односторонних релятивистских межзвёздных перелётов.Миронов С.В.,ГАИШ МГУДо недавнего времени в литературе упоминались по крайней мере три почти серьёзных способа достижения релятивистских скоростей (0.7с и более) с целью межзвёздных перелётов разумных существ или автоматических зондов. Импульсный термоядерный ракетный двигатель [1].Капсулы термоядерного топлива, например, дейтерида лития-6 (реакции D+T=4He+n и 23He=4He+2p исключим из-за практического отсутствия в природе трития и лёгкого гелия) импульсно нагреваются ("поджигаются"), например, нейтрализованными пучками энергичных частиц до сотен млн. градусов, а продукты термоядерной реакции (D+6Li=24He) истекают в пространство через магнитное сопло со скоростью до 0.08с. Однако нетрудно оценить число Циолковского для одностороннего перелёта, включающего ускорение до скорости 0.7с и торможение до "нулевой" скорости - минимум ~ 1010 и массу топлива ~ 1012 тонн, что при содержании лития-6 в земной коре ~ 10-7 потребует переработать все материки Земли на глубину в несколько километров. И это только на один односторонний перелёт (рис.1а). 
Прямоточный термоядерный двигатель [2].Набегающие протоны межзвёздной плазмы фокусируются расположенной впереди на 100...300 тыс. км магнитной линзой диаметром порядка 10 тыс. км (чем же её держать?) в пролётный термоядерный реактор. Однако требуемое давление в нём, как минимум, порядка 10 миллиардов (!) атмосфер при температуре в миллиарды градусов, что технически совершенно нереально (рис.1б). Фотонный (мезонный) двигатель [3].При реакции протон-антипротон появляются энергичные нейтральный и заряженные pi-мезоны. Похоже, что при такой реакции в магнитном сопле можно организовать направленное истечение заряженных пионов с эффективной скоростью истечения около 0.7с. Однако КПД производства антипротонов в настоящее время не превышает 10-2 (при столкновении встречных пучков электронов и позитронов с энергией ~ 30 Гэв) и для производства требуемых на один перелёт порядка 1000 тонн аннигиляционного топлива предельной по тепловому загрязнению земной энергетике (~ 1014 Вт) потребовалось бы несколько тысячелетий. Кроме того, жесткое (~ 70 Мэв) изотропное гамма-излучение от распада нейтральных пионов мощностью 1013...1014 Вт требует неприемлемой массы gamma-защиты обмоток, экипажа и топлива. Пока неясно также, как безопасно удерживать антивещество на борту. Казалось бы, что ситуация почти безнадёжная. Тем не менее, несколько десятилетий назад, ещё в детстве, автор рассматривал возможность ускорения межзвёздного космического корабля (МКК) с помощью нейтрального пучка релятивистских заряженных частиц, отражаемых магнитным полем ускоряемого МКК и стабилизированного с помощью сбрасываемых с МКК магнитных линз (МЛ) из сверхпроводника с постепенно - по мере продольного "расползания" МЛ и программного изменения энергии частиц пучка - нарастающим током (рис.2). Однако ожидаемая температура МЛ от нагрева частицами набегающей межзвёздной среды составила бы 15...40К и была бы существенно выше эксплуатационно допустимой для существовавших тогда металлических сверхпроводников. Сейчас же, с открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с критической температурой более 90К и допустимой плотностью тока при Т approx 15...40К для тонких плёнок порядка 1...2 х 108 А/см2 можно уже рассмотреть возможность передачи тягового импульса на МКК. 
Допустим, что электростатический ускоритель мощностью порядка 1015 Вт, расположенный за орбитой Плутона и запитываемый от передающей фазированной антенной решётки (ФАР), находящейся вблизи орбиты Земли, создаёт нейтрализованный электронами пучок протонов с энергией от 0.4 до 1.8 Гэв, растущей со скоростью МКК таким образом, что энергия попадающих на МКК протонов примерно постоянна и равна 0.4 Гэв или V approx 0.7с. Эмиттанс (произведение апертуры пучка на его угловую расходимость) для некоторых типов ускорителей (проект ДЭЛСИ) составит порядка 10-8 м х рад, что гарантирует при апертуре элементарного пучка примерно 100 мм и его токе до 10 мкА "поперечную" температуру плазмы пучка порядка 1К. Однако при использовании обычной электронно-протонной плазмы токи в плазме, возникающие при прохождении плазмой МЛ, сильно искажают магнитное поле МЛ. Кроме того, утечка "быстрых" электронов хвоста максвелловского распределения из системы МЛ создаст положительный потенциал пучка порядка 20 kT/е, что с учётом заметного нагрева такой плазмы за счёт взаимодействия с межзвёздной средой требует массы системы МЛ, которая похоже окажется неприемлемо большой. Эти эффекты вынуждают использовать "плазму" из тяжелых частиц, которые нетрудно получать - например, из положительно и отрицательно заряженных ионов дейтерия, причём положительные ионы - голые ядра дейтерия - получаются путём "обдирки", например, на фольге, ускоренных отрицательных дейтонов. Тем не менее, коэффициент ион-ионной рекомбинации водорода (дейтерия) настолько велик, что даже при начальной концентрации примерно 1...2 пар ионов на см 3 (что соответствует DПУЧКА approx 50 км) пучок при нескольких кельвинах не просуществует и нескольких суток. Выход, однако, видится в том, что положительным ("голым") дейтонам придаётся дополнительная продольная скорость (например, различной энергией дейтонов до "обдирки") относительно отрицательных, а чтобы не возникало тока пучка или электростатического поля - половине "голых" дейтонов придаётся скорость +V, а половине -V, где V ~ 107 м/сек. Правда, при этом пучок постепенно нагревается, но его температура вряд ли превысит 50...100К (по Ландау, 1936 г.), что можно считать приемлемым. Действительно, давление P=nkT или При DПУЧКА = 50 км и пути разгона МКК в 4х1012 км (0.4 св.года) сила давления F=1.4x10-15x5x104x4x1015=28x104H или 28 т. Тогда при удельной прочности силового материала МЛ в 200 км масса конструкций системы М составит 20...25 тонн, хотя можно ожидать и втрое большей массы. Аналогичные оценки сделаем и для токовой части МЛ. При боковой скорости частицы пучка в 250 м/сек (что практически втрое больше поперечной составляющей средней тепловой скорости дейтонов при 1К) время дрейфа от оси пучка за пределы системы МЛ ~ 200 сек, продольная скорость частицы - 2х105 км/сек и требуемое фокусное расстояние МЛ ~ 40 млн. км. Для дейтонов с энергией 0.8...3.5 Гэв и DМЛ=100 км требуемый ток в МЛ от ~ 300 до ~ 500 А. Тогда масса ВТСП одной При числе МЛ = 105 общая масса сверхпроводников ~ 75 тонн. Необходимо лишь отметить неопределённость воздействия на конструкцию и ВТСП МЛ набегающих с околосветовой скоростью частиц межзвёздной пыли (размером, как считается, от 0.01 до 0.2 мк). Таким образом, масса системы МЛ вряд ли превысит 100 т (правда, в конце участка ускорения за счёт роста температуры тепловая скорость частиц существенно возрастёт, но с учётом релятивистских эффектов требуемое максимальное расстояние между МЛ и ток в них можно считать неизменными), а с учётом массы МКК approx 100 т и системы торможения (её материал используется в качестве строп устройства сброса путевых МЛ и фокусирующей МЛ МКК) ~100...150 т стартовая масса МКК составит 300...350 т, что при ограниченном возможностями человеческого организма стартовом ускорении в 2g потребует начальной мощности ускорителя 5х1014 Вт (вдвое меньше максимальной) с постепенным увеличением до 1015 Вт, обеспечивающим конечное ускорение МКК примерно 0.5g. Можно надеяться, что сочетание такого ускорения и дистанции разгона в 0.4 светового года будет достаточно для достижения скорости МКК ~ 0.7 скорости света или, с учётом релятивистского сжатия времени, собственная скорость МКК составит примерно скорость света. Проблемы радиационного воздействия на экипаж и аппаратуру галактического космического излучения (ГКИ) могут быть решены созданием вокруг торообразного МКК магнитного поля. Максимально допустимым по механической прочности МКК можно считать поле около 10 Тл (ток по обшивке МКК ~ 108 А при D=30м и d=4м), отсекающие протоны ГКИ с энергией до 10 Гэв, что обеспечивает безопасную (даже с учётом большей энергии набегающих на двигающийся МКК частиц ГКИ) для человека и бортовых компьютеров дозу порядка 0.1 бэр/год. Это же поле отражает сфокусированные на него устройством сброса МЛ частицы ускоряющего МКК пучка, создавая тяговое усилие. Кроме того, набегающие с околосветовой скоростью нейтральные атомы (и пылинки) межзвёздной среды необходимо ионизовать "обдиркой" на нескольких последовательно расположенных тонких (0.1...1мк) металлических или углеродных фольгах и отклонять от МКК электрическим полем (как и магнитным полем радиационной защиты), а для обеспечения допустимой дозы нейтронного облучения располагать обдирочные фольги на удалении примерно 3 км на электростатически поддерживаемой конструкции. И, наконец, последний этап перелёта - торможение, осуществляемое путем взаимодействия с межзвёздной плазмой с концентрацией примерно 0.03 протона/см3 электрически заряженной (от 50 млн. В на 0.7с до примерно 10 кВ на минимально эффективной для торможения скорости) постоянно регенерируемой и раскинутой центробежными силами металлизированной сетки, скреплённой с МКК (рис.3). По оценкам, при такой концентрации и удельной прочности материала сетки около 200 км (а сейчас арамидные волокна имеют почти вдвое более высокую удельную прочность при достаточной радиационной стойкости, а углеродные нанотрубки - на порядок большую) начальное торможение составит 1...1.5 м/с2, а время торможения до скорости порядка 1...2 тыс. км/сек (без учёта зоны Стремгрена около звезды назначения и её звёздного ветра) - около 10 лет. Правда, воздействие межзвёздных пылинок на материал сетки может привести к току утечки электронов до 30А (хотя, похоже, будет порядка на три меньше), что на околосветовых скоростях потребует устройства компенсации утечек в виде обдирающей встречные нейтральные атомы пленки (фольги) с D=0.3...1 км и помещённой в обмотку из ВТСП, создающей магнитное поле с целью закрутки и поглощения ободранных электронов этой же фольгой, поскольку реальной мощности ядерной бортовой энергоустановки МКК (~ 1 МВт) явно не хватит для компенсации утечек. Требуемая же для окончательного торможения МКК и маневрирования его в планетной системе назначения с помощью импульсных термоядерных РД (например, на D+3He, поскольку требуемая масса топлива составит лишь десяток тонн) мощность ускорителей поджига порядка 100 МВт возможна лишь при использовании части энергии термоядерных микровзрывов. 
Таким образом, можно уверенно сказать, что минимальная мощность, необходимая для осуществления регулярных (два-три в год) межзвёздных релятивистских односторонних перелетов, составит ~ 1015 Вт, что минимум на порядок больше допустимой для наземной энергетики по тепловому загрязнению. Единственно реальный способ обеспечить такую мощность - астроинженерное использование отработавших на геостационарной орбите (по запасам рабочего тела ЭРД ориентации) солнечных космических электростанций (СКЭС), размещённых в области Лагранжа L1 системы Солнце-Земля, для питания передающей ФАР и, далее, ускорителя (рис.4). Нетрудно оценить, что при годовом производстве СКЭС 1011...1012 Вт на создание системы, обеспечивающей межзвёздные перелёты, уйдёт порядка 1...10 тыс. лет. Не так уж много по сравнению с миллионнолетней историей более-менее разумного человечества. Таким образом, цивилизация, овладевшая "солнечно"-космической энергетикой, способна не только к информационным контактам с другой цивилизацией на межзвёздных (и даже на межгалактических) расстояниях, но и к одностороннему материальному контакту. Литература1. А.Багров, М.Смирнов. "21 век: строим звездолет". М.,Знание.,1991., вып.4. 2. В.Бурдаков, Ю.Данилов "Ракеты будущего", М., Энергоатомиздат, 1991. |