Zimny blask gwiazd jest szczególnie piękny na zimowym niebie. W tym czasie widoczne stają się najjaśniejsze gwiazdy i konstelacje: Orion, Plejady, Wielki Pies z olśniewającym Syriuszem…
Ćwierć wieku temu siedmiu chorążych Akademii Marynarki Wojennej zadało niezwykłe pytanie: jak blisko gwiazd jest współczesna ludzkość? Badania zaowocowały szczegółowym raportem znanym jako Project Longshot (Long Range Shot). Koncepcja automatycznego statku międzygwiezdnego zdolnego dosięgnąć najbliższych gwiazd w rozsądnym czasie. Żadnych tysiącleci lotu i „statków pokoleń”! Sonda powinna dotrzeć w okolice Alpha Centauri w ciągu 100 lat od momentu jej wystrzelenia w kosmos.
Nadprzestrzeń, grawitacja, antymateria i rakiety fotoniczne… Nie! Główną cechą projektu jest oparcie się na istniejących technologiach. Według twórców projekt Longshot umożliwia budowę statku kosmicznego już w pierwszej połowie XXI wieku!
Sto lat lotu z istniejącymi technologiami. Niesłychana śmiałość, biorąc pod uwagę skalę kosmicznych odległości. Pomiędzy Słońcem a Alfa Centauri leży „czarna otchłań” o szerokości 4, 36 sv. roku. Ponad 40 bilionów kilometrów! Potworne znaczenie tej figury staje się jasne w poniższym przykładzie.
Jeśli zmniejszymy wielkość Słońca do rozmiarów piłki tenisowej, to cały Układ Słoneczny zmieści się w Placu Czerwonym. Wielkość Ziemi w wybranej skali zmniejszy się do wielkości ziarenka piasku, natomiast najbliższa „piłka tenisowa” – Alpha Centauri – będzie leżała na Placu św. Marka w Wenecji.
Lot do Alpha Centauri konwencjonalnym promem kosmicznym lub statkiem kosmicznym Sojuz zająłby 190 000 lat.
Straszna diagnoza brzmi jak zdanie. Czy jesteśmy skazani na siedzenie na naszym „ziarnku piasku”, nie mając najmniejszej szansy na dotarcie do gwiazd? W czasopismach popularnonaukowych pojawiają się obliczenia, z których wynika, że nie da się rozpędzić statku kosmicznego do prędkości bliskich światłu. Będzie to wymagało „spalenia” całej materii w Układzie Słonecznym.
A jednak jest szansa! Projekt Longshot udowodnił, że gwiazdy są znacznie bliżej, niż możemy sobie wyobrazić.
Na kadłubie Voyagera znajduje się płyta z mapą pulsarów pokazującą położenie Słońca w Galaktyce, a także szczegółowe informacje o mieszkańcach Ziemi. Oczekuje się, że kosmici kiedyś znajdą tę „kamienną siekierę” i przyjdą do nas z wizytą. Ale jeśli przypomnimy sobie osobliwości zachowania wszystkich cywilizacji technologicznych na Ziemi i historię podbojów Ameryki przez konkwistadorów, nie można liczyć na „pokojowy kontakt”…
Misja wyprawy
Dostań się do systemu Alpha Centauri za sto lat.
W przeciwieństwie do innych „statków kosmicznych” („Daedalus”), projekt „Długi strzał” zakładał wejście na orbitę układu gwiezdnego (Alfa i Beta Centauri). To znacznie skomplikowało zadanie i wydłużyło czas lotu, ale pozwoliłoby na szczegółowe zbadanie sąsiedztwa odległych gwiazd (w przeciwieństwie do Dedala, który w ciągu jednego dnia przemknąłby obok celu i zniknął bez śladu w głębinach kosmosu).
Lot potrwa 100 lat. Kolejne 4, 36 lat będzie potrzebne na przesłanie informacji na Ziemię.
Alfa Centauri w porównaniu do Układu Słonecznego
Astronomowie pokładają w projekcie wielkie nadzieje - jeśli się powiedzie, będą mieli fantastyczny instrument do pomiaru paralaks (odległości do innych gwiazd) o podstawie 4, 36 sv. roku.
Stuletni lot w nocy również nie przejdzie bez celu: urządzenie będzie badać ośrodek międzygwiezdny i poszerzyć naszą wiedzę o zewnętrznych granicach Układu Słonecznego.
Strzał do gwiazd
Głównym i jedynym problemem podróży kosmicznych są ogromne odległości. Po rozwiązaniu tego problemu rozwiążemy całą resztę. Skrócenie czasu lotu usunie kwestię długoterminowego źródła energii i wysokiej niezawodności systemów statku. Problem z obecnością osoby na pokładzie zostanie rozwiązany. Krótki lot sprawia, że skomplikowane systemy podtrzymywania życia i gigantyczne zapasy żywności/wody/powietrza na pokładzie stają się zbędne.
Ale to są odległe sny. W takim przypadku konieczne jest dostarczenie bezzałogowej sondy do gwiazd w ciągu jednego stulecia. Nie wiemy, jak przełamać kontinuum czasoprzestrzenne, dlatego wyjście jest tylko jedno: zwiększyć prędkość naziemną „statku kosmicznego”.
Jak pokazały obliczenia, lot do Alpha Centauri za 100 lat wymaga prędkości co najmniej 4,5% prędkości światła. 13500 km/s.
Nie ma fundamentalnych zakazów, które pozwalają ciału w makrokosmosie poruszać się ze wskazaną prędkością, niemniej jednak jego wartość jest potwornie wielka. Dla porównania: prędkość najszybszego statku kosmicznego (sonda „Nowe Horyzonty”) po wyłączeniu górnego stopnia wynosiła „tylko” 16,26 km/s (58636 km/h) w stosunku do Ziemi.
Koncepcja statku kosmicznego Longshot
Jak rozpędzić statek międzygwiezdny do prędkości tysięcy km/s? Odpowiedź jest oczywista: potrzebujesz silnika o wysokim ciągu z impulsem właściwym co najmniej 1 000 000 sekund.
Impuls właściwy jest wskaźnikiem sprawności silnika odrzutowego. Zależy od masy cząsteczkowej, temperatury i ciśnienia gazu w komorze spalania. Im większa różnica ciśnień w komorze spalania i w środowisku zewnętrznym, tym większa prędkość wypływu płynu roboczego. A zatem sprawność silnika jest wyższa.
Najlepsze przykłady nowoczesnych elektrycznych silników odrzutowych (ERE) mają impuls właściwy 10 000 s; przy prędkości wypływu wiązek naładowanych cząstek - do 100 000 km / s. Zużycie płynu roboczego (ksenon/krypton) to kilka miligramów na sekundę. Silnik cicho buczy podczas lotu, powoli przyspieszając statek.
EJE urzekają względną prostotą, niskimi kosztami i możliwością osiągania dużych prędkości (dziesiątki km/s), ale ze względu na niską wartość ciągu (mniej niż jeden Newton) przyspieszenie może trwać kilkadziesiąt lat.
Kolejną rzeczą są chemiczne silniki rakietowe, na których opiera się cała współczesna kosmonautyka. Mają ogromny ciąg (dziesiątki i setki ton), ale maksymalny impuls właściwy trójskładnikowego silnika rakietowego na paliwo ciekłe (lit / wodór / fluor) wynosi tylko 542 s, przy prędkości wypływu gazu nieco ponad 5 km / s. To jest granica.
Rakiety na paliwo ciekłe pozwalają w krótkim czasie zwiększyć prędkość statku kosmicznego o kilka km/s, ale na więcej nie są w stanie. Statek kosmiczny będzie potrzebował silnika opartego na różnych zasadach fizycznych.
Twórcy „Longshot” rozważali kilka egzotycznych sposobów, m.in. „Lekki żagiel”, przyspieszany laserem o mocy 3,5 terawata (metoda uznana za niewykonalną).
Jak dotąd jedynym realistycznym sposobem dotarcia do gwiazd jest pulsacyjny silnik jądrowy (termonuklearny). Zasada działania opiera się na laserowej fuzji termojądrowej (LTS), dobrze zbadanej w warunkach laboratoryjnych. Koncentracja dużej ilości energii w małych objętościach materii w krótkim czasie (<10^-10 … 10^-9 s) przy inercyjnym uwięzieniu w plazmie.
W przypadku Longshota nie ma mowy o jakiejkolwiek stabilnej reakcji kontrolowanej fuzji termojądrowej: długotrwałe uwięzienie w plazmie nie jest wymagane. Aby wytworzyć ciąg odrzutowy, powstały skrzep o wysokiej temperaturze musi zostać natychmiast „wypchnięty” przez pole magnetyczne za burtę statku.
Paliwo jest mieszanką helu-3 / deuteru. Wymagane zapasy paliwa na lot międzygwiezdny wyniosą 264 tony.
W podobny sposób planuje się osiągnięcie bezprecedensowej wydajności: w obliczeniach wartość impulsu właściwego wynosi 1,02 mln.sekundy!
Jako główne źródło energii do zasilania systemów statku – impulsowych laserów silnikowych, systemów kontroli położenia, urządzeń komunikacyjnych i naukowych – wybrano konwencjonalny reaktor oparty na zespołach paliwowych uranowych. Moc elektryczna instalacji musi wynosić co najmniej 300 kW (moc cieplna jest prawie o rząd wielkości wyższa).
Z punktu widzenia nowoczesnej technologii stworzenie reaktora niewymagającego ładowania przez całe stulecie nie jest łatwe, ale możliwe w praktyce. Już teraz na okrętach wojennych stosowane są systemy jądrowe, których rdzeń ma żywotność proporcjonalną do żywotności statków (30-50 lat). Moc jest również w porządku - na przykład instalacja atomowa OK-650 zainstalowana na atomowych okrętach podwodnych rosyjskiej marynarki wojennej ma pojemność cieplną 190 megawatów i jest w stanie zapewnić energię elektryczną całemu 50-tysięcznemu miastu!
Takie instalacje są nadmiernie wydajne w kosmosie. Wymaga to zwartości i dokładnej zgodności z określonymi cechami. Na przykład 10 lipca 1987 r. Wystrzelono Kosmos-1867 - radziecki satelita z instalacją jądrową Jenisej (masa satelity - 1,5 tony, moc cieplna reaktora - 150 kW, moc elektryczna - 6, 6 kW, żywotność - 11 miesięcy).
Oznacza to, że zastosowany w projekcie Longshot reaktor o mocy 300 kW to kwestia niedalekiej przyszłości. Sami inżynierowie obliczyli, że masa takiego reaktora wyniesie około 6 ton.
Właściwie na tym kończy się fizyka, a zaczyna się tekst.
Problemy podróży międzygwiezdnych
Do sterowania sondą potrzebny będzie kompleks komputerów pokładowych z zadatkami sztucznej inteligencji. W warunkach, w których czas transmisji sygnału przekracza 4 lata, skuteczne sterowanie sondą z ziemi jest niemożliwe.
W dziedzinie mikroelektroniki i tworzenia urządzeń badawczych w ostatnim czasie zaszły zmiany na dużą skalę. Jest mało prawdopodobne, aby twórcy Longshota w 1987 roku mieli jakiekolwiek pojęcie o możliwościach współczesnych komputerów. Można uznać, że ten problem techniczny został pomyślnie rozwiązany w ciągu ostatniego ćwierćwiecza.
Równie optymistycznie wygląda sytuacja z systemami komunikacji. Do niezawodnego przesyłania informacji z odległości 4, 36 sv. rok będzie wymagał systemu laserów pracujących w dolinie fali 0,532 mikrona i mocy promieniowania 250 kW. W tym przypadku dla każdego kwadratu. metr powierzchni Ziemi spadnie 222 fotony na sekundę, co jest znacznie wyższy niż próg czułości nowoczesnych radioteleskopów. Szybkość przesyłania informacji z maksymalnej odległości wyniesie 1 kbps. Nowoczesne radioteleskopy i systemy komunikacji kosmicznej są w stanie kilkukrotnie rozszerzyć kanał wymiany danych.
Dla porównania: moc nadajnika sondy Voyager 1, która znajduje się obecnie w odległości 19 miliardów km od Słońca (17,5 godziny świetlnej), to tylko 23 W - jak żarówka w lodówce. Jest to jednak w zupełności wystarczające do transmisji telemetrii na Ziemię z szybkością kilku kbit/s.
Osobną linią jest kwestia termoregulacji statku.
Reaktor jądrowy klasy megawatowej i pulsacyjny silnik termojądrowy to źródła kolosalnej ilości energii cieplnej, ponadto w próżni istnieją tylko dwa sposoby odprowadzania ciepła - ablacja i promieniowanie.
Rozwiązaniem może być zainstalowanie zaawansowanego systemu chłodnic i powierzchni promieniujących, a także termoizolacyjnego bufora ceramicznego między komorą silnika a zbiornikami paliwa statku.
Na początkowym etapie podróży statek będzie potrzebował dodatkowej osłony przed promieniowaniem słonecznym (podobnej do tej stosowanej na stacji orbitalnej Skylab). W rejonie ostatecznego celu – na orbicie gwiazdy Beta Centauri – również pojawi się niebezpieczeństwo przegrzania sondy. Wymagana jest izolacja termiczna urządzeń oraz system odprowadzania nadmiaru ciepła ze wszystkich ważnych bloków i instrumentów naukowych na promienniki.
Wykres przyspieszenia statku w czasie
Wykres przedstawiający zmianę prędkości
Kwestia ochrony statku kosmicznego przed mikrometeorytami i cząsteczkami pyłu kosmicznego jest niezwykle trudna. Przy prędkości 4,5% prędkości światła każde zderzenie z mikroskopijnym przedmiotem może poważnie uszkodzić sondę. Twórcy „Długiego strzału” proponują rozwiązanie problemu poprzez zainstalowanie potężnej osłony ochronnej w przedniej części statku (metal? Ceramika?), będącej jednocześnie promiennikiem nadmiaru ciepła.
Jak niezawodna jest ta ochrona? A czy da się zastosować systemy ochrony sci-fi w postaci sił/pola magnetycznego lub „chmur” mikrorozproszonych cząstek utrzymywanych przez pole magnetyczne przed statkiem? Miejmy nadzieję, że do czasu powstania statku inżynierowie znajdą odpowiednie rozwiązanie.
Jeśli chodzi o samą sondę, to tradycyjnie będzie miała układ wielostopniowy z odłączanymi zbiornikami. Materiał do produkcji konstrukcji kadłuba - stopy aluminium/tytanu. Całkowita masa zmontowanego statku kosmicznego na niskiej orbicie okołoziemskiej wyniesie 396 ton, przy maksymalnej długości 65 metrów.
Dla porównania: masa Międzynarodowej Stacji Kosmicznej wynosi 417 ton przy długości 109 metrów.
1) Konfiguracja startowa na niskiej orbicie okołoziemskiej.
2) 33 rok lotu, rozdzielenie pierwszej pary zbiorników.
3) 67 rok lotu, rozdzielenie drugiej pary zbiorników.
4) 100 rok lotu – dolot do celu z prędkością 15-30 km/s.
Wydzielenie ostatniego etapu, wejście na stałą orbitę wokół Beta Centauri.
Podobnie jak ISS, Longshot można zmontować metodą blokową na niskiej orbicie okołoziemskiej. Realistyczne wymiary statku kosmicznego umożliwiają wykorzystanie w procesie montażu istniejących pojazdów nośnych (dla porównania potężny Saturn-V może jednorazowo przenosić na LEO ładunek 120 ton!)
Należy wziąć pod uwagę, że wystrzelenie pulsacyjnego silnika termojądrowego na orbitę okołoziemską jest zbyt ryzykowne i nieostrożne. Projekt Longshot przewidywał obecność dodatkowych bloków wspomagających (chemiczne silniki rakietowe na paliwo ciekłe) w celu uzyskania drugiej i trzeciej prędkości kosmicznej i wycofania statku kosmicznego z płaszczyzny ekliptyki (system Alpha Centauri znajduje się 61 ° nad płaszczyzną obrót Ziemi wokół Słońca). Niewykluczone też, że w tym celu uzasadniony będzie manewr w polu grawitacyjnym Jowisza – niczym sondy kosmiczne, którym udało się uciec z płaszczyzny ekliptyki, wykorzystując „swobodne” przyspieszenie w pobliżu gigantycznej planety.
Epilog
Wszystkie technologie i komponenty hipotetycznego statku międzygwiezdnego istnieją w rzeczywistości.
Waga i wymiary sondy Longshot odpowiadają możliwościom współczesnej kosmonautyki.
Jeśli dzisiaj zaczniemy pracę, jest wysoce prawdopodobne, że w połowie XXII wieku nasi szczęśliwi prawnukowie zobaczą z bliskiej odległości pierwsze obrazy systemu Alfa Centauri.
Postęp ma nieodwracalny kierunek: każdego dnia życie wciąż zadziwia nas nowymi wynalazkami i odkryciami. Możliwe, że za 10-20 lat wszystkie opisane powyżej technologie pojawią się przed nami w postaci próbek roboczych wykonanych na nowym poziomie technologicznym.
A jednak droga do gwiazd jest zbyt daleka, aby mówić o tym poważnie.
Uważny czytelnik zapewne zwrócił już uwagę na kluczowy problem projektu Longshot. Hel-3.
Skąd wziąć sto ton tej substancji, jeśli roczna produkcja helu-3 wynosi tylko 60 000 litrów (8 kilogramów) rocznie w cenie do 2000 USD za litr?! Odważni pisarze science fiction pokładają nadzieje w produkcji helu-3 na Księżycu i w atmosferze planet olbrzymów, ale nikt nie może dać w tej kwestii żadnych gwarancji.
Wątpliwości budzi możliwość zmagazynowania takiej ilości paliwa i jego dozowanego zapasu w postaci zamrożonych „tabletek” niezbędnych do zasilania impulsowego silnika termojądrowego. Jednak podobnie jak sama zasada działania silnika: to, co mniej więcej sprawdza się w warunkach laboratoryjnych na Ziemi, jest wciąż dalekie od zastosowania w kosmosie.
Wreszcie bezprecedensowa niezawodność wszystkich systemów sond. Piszą o tym wprost uczestnicy projektu Longshot: stworzenie silnika, który może pracować bez zatrzymywania się i poważnych napraw przez 100 lat, będzie niesamowitym przełomem technicznym. To samo dotyczy wszystkich innych systemów i mechanizmów sondy.
Nie powinieneś jednak rozpaczać. W historii astronautyki istnieją przykłady bezprecedensowej niezawodności statków kosmicznych. Pionierzy 6, 7, 8, 10, 11 oraz Voyagers 1 i 2 - wszyscy pracowali w kosmosie od ponad 30 lat!
Historia z silnikami hydrazynowymi (silnikami kontrolującymi położenie) tych statków kosmicznych jest orientacyjna. Voyager 1 przeszedł na zapasowy zestaw w 2004 roku. Do tego czasu główny zestaw silników pracował na otwartej przestrzeni przez 27 lat, wytrzymując 353 000 rozruchów. Warto zauważyć, że katalizatory silnika przez cały ten czas były stale nagrzewane do 300°C!
Dziś, 37 lat po starcie, oba Voyagery kontynuują swój szalony lot. Już dawno opuścili heliosferę, ale nadal regularnie przesyłają dane z ośrodka międzygwiazdowego na Ziemię.
Każdy system zależny od ludzkiej niezawodności jest zawodny. Trzeba jednak przyznać: w kwestii zapewnienia niezawodności statków kosmicznych udało nam się osiągnąć pewne sukcesy.
Wszystkie niezbędne technologie do realizacji „wypraw gwiezdnych” przestały być fantazjami naukowców nadużywających kannabinoidów, a zostały ucieleśnione w postaci wyraźnych patentów i działających próbek technologii. W laboratorium - ale istnieją!
Projekt koncepcyjny międzygwiezdnego statku kosmicznego Longshot dowiódł, że mamy szansę na ucieczkę do gwiazd. Na tej ciernistej ścieżce jest wiele trudności do pokonania. Ale najważniejsze jest to, że znany jest wektor rozwoju i pojawiła się pewność siebie.
Więcej informacji na temat projektu Longshot można znaleźć tutaj:
Za zainicjowanie zainteresowania tym tematem wyrażam wdzięczność "Listonoszowi".
