Не скорость света, не «варп-двигатель»: реальная преграда для межзвездных полетов, которую игнорирует Голливуд
В любом научно-фантастическом фильме межзвездный полет выглядит эффектно: звездолет врубает варп-двигатель, звезды превращаются в светящиеся полосы, и через пару минут экипаж уже пьет кофе у другой галактики. Принято считать, что главная проблема таких путешествий — это энергия. Что нужно просто придумать двигатель, способный разогнать корабль до скорости света или выше, и человечество тут же ринется колонизировать космос. Но инженеры, в отличие от сценаристов, знают: ключевая опасность скрывается не в расстоянии, а в том, что находится между звездами. И имя ей — межзвездная пыль.
Космос — не вакуум. Враг, которого не видно
Первое, что нужно понять: космос не пустой. Да, по земным меркам это почти идеальный вакуум, но в масштабах Вселенной он заполнен так называемой межзвездной средой. На 99% это разреженный газ — в основном, одиночные атомы водорода и гелия. Плотность смешная — примерно один атом на кубический сантиметр. Остальной 1% — это твердые частицы: микроскопическая пыль, крошечные кристаллики льда и силикатов.
Когда космоплан «Буран» летал на орбите со скоростью 8 км/с, эта среда была для него не более чем легким ветерком. Но как только мы начинаем говорить о релятивистских скоростях (то есть скоростях, настолько больших, что они становятся сравнимы со скоростью света), ситуация меняется кардинально. Каждый атом водорода и каждая пылинка превращаются в микроскопический снаряд, летящий навстречу кораблю.
Песчинка с энергией бомбы. Разбираем физику «на коленке»
Здесь в дело вступает неумолимая физика. Для грубой оценки нам даже не нужны сложные релятивистские формулы, хватит и школьной кинетической энергии E=1/2mv². Ключевое здесь — квадрат скорости (v²). Это значит, что при увеличении скорости в 2 раза, энергия столкновения возрастает в 4 раза. А когда мы говорим о скоростях, близких к световой, эта зависимость становится критической.
Давайте прикинем на простом примере. Допустим, наш корабль будущего летит к ближайшей звезде, Проксиме Центавра, на очень скромной по меркам фантастики скорости — всего 10% от скорости света (это примерно 30 000 километров в секунду). И на его пути встречается обычная песчинка массой в 1 грамм (0.001 кг). Подставляем в формулу:
E = 0.5 * 0.001 кг * (30,000,000 м/с)² = 450,000,000,000,000 Джоулей.
450 триллионов Джоулей — это абстрактная цифра. Переведем ее в понятный эквивалент. Энергия взрыва одной тонны тротила — это примерно 4.2 миллиарда Джоулей. Простая операция деления (450 трлн / 4.2 млрд) дает нам результат примерно в 107 000 килограмм, или 107 тонн тротила. Просто вдумайтесь: столкновение с граммовой песчинкой на скорости, которая в фантастике считается «черепашьей», эквивалентно подрыву на корабле боеголовки, способной уничтожить целый квартал.
Но даже если нам повезет и на пути не попадется ни одной песчинки, остается водород. На скорости в 20% от световой столкновение с одиночным протоном (ядром атома водорода) эквивалентно удару частицы из Большого адронного коллайдера. Обшивка корабля будет постоянно бомбардироваться этими микро-снарядами. Каждое такое столкновение будет выбивать каскад вторичного излучения — гамма-квантов и рентгеновских лучей, которые будут прошивать корабль насквозь. По сути, корабль летит через постоянный поток жесткой радиации, медленно, но верно «поджаривая» экипаж и электронику.
Голливудские «щиты» против инженерной реальности
Почему же в кино («Стартрек», «Звездные войны») звездолеты спокойно летают на сверхсветовых скоростях? Потому что это кино. Там есть волшебное слово — «дефлекторный щит». Невидимое силовое поле, которое решает все проблемы. В реальности же все гораздо сложнее.
Эта проблема настолько серьезна, что стала одним из главных камней преткновения для реального проекта межзвездного полета — Breakthrough Starshot. Напомню, это инициатива миллиардера Юрия Мильнера и покойного Стивена Хокинга, в рамках которой планируется отправить к Альфе Центавра флот из тысяч крошечных нанозондов. Эти зонды-«парусники» размером с почтовую марку предполагается разогнать с Земли мощным лазером до 20% скорости света, и одна из ключевых проблем инженеров проекта — не как их разогнать, а как сделать так, чтобы хоть один из них долетел до цели, не испарившись по пути от столкновения с пылью.
Как же выжить в полете?
Поскольку волшебных щитов у нас нет, инженеры рассматривают вполне материальные, хоть и очень сложные, концепции защиты:
- Физический щит: Самое очевидное решение. Но это не просто лист металла. Наиболее рабочая концепция — «щит Уиппла». Это многослойный «пирог», где первый тонкий слой при ударе испаряет микрометеорит, превращая его в облако плазмы. Следующие слои затем рассеивают энергию этого облака. Нужно понимать, что такая схема хорошо работает против микрочастиц на орбитальных скоростях, и именно такие щиты уже используются на МКС. Проблема в том, что для защиты от объекта массой хотя бы в один грамм на релятивистской скорости такой щит должен весить тысячи тонн, что делает его неподъемным.
- Магнитный или электростатический щит: идея в том, чтобы создать вокруг корабля мощное поле, которое будет отклонять заряженные частицы — протоны и ядра гелия из межзвездного газа. Это могло бы решить проблему радиации. Но такой щит практически бесполезен против нейтральных частиц пыли, которые не реагируют на магнитное поле.
- «Лазерная метла»: одна из самых футуристичных идей. Предполагается, что мощный лазер, установленный на корабле, будет «расчищать» путь перед зондом, заранее испаряя любой мусор на его траектории.
Вывод из всего этого простой и для фантастов неутешительный. Главная проблема межзвездных путешествий — не в том, как построить достаточно мощный двигатель, а в том, как выжить на скорости, которую он даст. Космос на поверку оказывается не пустой и дружелюбной средой, а агрессивным абразивом, который сотрет в порошок любой объект, движущийся слишком быстро.
Пока инженеры не найдут эффективного решения проблемы «космической дроби», все разговоры о варп-двигателях и колонизации далеких звезд остаются красивой и крайне далекой от реализации фантазией. Сначала нужно научиться строить межзвездный «танк», а уже потом думать, как прикрутить к нему «ракету».
Для тех, кто хочет копнуть глубже:
Проект Breakthrough Starshot. Официальный сайт инициативы, где проблема столкновений с межзвездной пылью на релятивистских скоростях разбирается как одна из ключевых инженерных задач.
Щит Уиппла. Статья в Википедии, которая просто и понятно объясняет принцип работы многослойной защиты, используемой на МКС и проектируемой для будущих кораблей.
Источник: en.wikipedia.org
58 комментариев
Добавить комментарий
Из-за расстояний нет никакого смысла городить все эти замечательные рассуждения.
«Вы помните, что в нашей модели Солнце изображалось шаром 10 см в диаметре, а вся планетная система – кругом с поперечником в 800м. На каких расстояниях от Солнца следовало бы поместить звезды, если строго придерживаться того же масштаба? Нетрудно рассчитать, что, например, Проксима Центавра – самая близкая звезда – оказалась бы на расстоянии 2700 км»
То, что средневековые придурки что-то там плокоземелили — их проблема. И проблема дебилизации подрастающего поколения, которое верит ТВ3, а не урокам географии в школе.
Да те же католики прекрасно были осведомлены о шарообразности Земли и в средневековье, та же держава — Мир увенчанный крестом (Мир под властью Христа). А вот по размерам планеты были разночтения, но на авантюру согласились только испанцы.
я думаю, что когда человечество поймет, что оно «подпрыгивает на петардах вокруг ничтожной пылинки в бесконечной вселенной», а умные люди докажут на уровне формул, не просто, что «мы не знаем как», а что НЕТ и невозможно устройство двигателя, который не возит с собой полезное тело, и потом сразу вспомнят вдруг все остальное — расстояния, биологию, радиацию, космическую пыль, атомы водорода, и соберут все в кучу, потом добавят еще знания, вернее, их полное отсутствие в области дальней маршрутизации и еще многие причины, которые они выяснят по дороге до этих открытий в будущем, они тоже переключатся полностью на сериалы… я не верю, что они полетят на Марс жить в норах и спасаться от радиации, также не верю в сферы Дайсона и в энергетику, которая позволит доставлять побрякушки из пояса астероидов… можете меня заминусовать, но это мое личное мнение:)
PS
а фантастику люблю — только ее и смотрю и посмотрел все фильмы и сериалы, фантастик — наше всё!:)))
И это прекрасно, представь, что мы смогли, а разумные цивилизации сидят такие и удивляются: «а че так можно? „
А мы к ним прилетаем с требованиями:
— отдайте все ваше золото и женщин! — как и положено шизонутым обезьянам.
Скорость эволюции вряд ли сильно различна на разных планетах. Возраст вселенной более-менее точно известен. Время, когда появились условия для возникновения планет — тоже. Так что цивилизации, если они есть, должны появиться примерно в одно и то же время.
Но даже если цивилизации во вселенной появились примерно в одно и то же время, это совсем не означает, что их развитие идёт по схожим сценариям. И что технологии дальних космических путешествий появятся плюс-минус одновременно.
Только наивные люди считающие науку магией ( ну ученые что-нибудь придумают! Вон смотри какой до сих пор прогресс был! Босыми ходили, а сейчас айфоны!!! Ваууу!) — только они могут верить, что будет как в Стартреке, Звездных войнах и их любимом Марвел. Но увы. Надо становиться взрослыми.
С другой стороны ближний космос — вся система наша вполне и вполне возможна для изучения и даже отдельной колонизации даже с уже существующими технологиями. Там острые вопросы здоровья и защиты от облучения стоят. Какие-то решения может придумают. Тут ну по крайней мере можно говорить о надежде.
Пространство как таковое просто искревляется и сжимается как лист бумаги, и теперь простая геометрия какое расстояние самое короткое на прямой ?!?!?!
Думаю и здесь в ответе затупит Глупый автор, хотя ответ знает и пятиклашка...
А насчет того, что пятиклашка знает кванты и теорию относительности… позвольте не согласиться с вами. Тем более, что и вы их не знаете.
Варп, как раз, искривляет наше пространство.
при постоянном «собственном» ускорении
𝑎=1𝑔=9.80665м/с^2
разгон до 0.5𝑐 займёт:
Время на борту (собственное 𝜏τ): ≈ 194.4 суток (~6.4 месяца).
Время в исходной системе (например, “на Земле”, 𝑡t): ≈ 204.3 суток (~6.7 месяца).
за это время корабль пройдёт приблизительно 0.15 светолет
а до световой разогнаться нельзя можно к ней бесконечно приближаться, 50% от скорости света тоже потребуют гмгантских и компактных запасов энергии но просто показалось правильной нереальной скоростью для данного примера
по моему мнению скорости 0.05с — 0.1с теоретически могут быть достигнуты в прогнозируемом будущем
> там такие скорости не нужны
Совершенно верно, коллега!
А автор статьи не учёл того, что длина пути в червоточине — не световые годы, а расстояние, которое можно на «обычных» скоростях преодолеть хоть за минуты, хоть за часы, да хоть за дни-месяцы, пусть даже хоть вообще за несколько лет (лишь бы червоточина за это время не схлопнулась) и при этом оказаться в другой точке изогнутого пространства, до которой путь без искривления мог занимать бы даже на «околосветовой» скорость долгие сотни лет.
их в той среде нет и не может быть. Ибо в той среде, в которой объект меняет координаты объективного положения, нет материи как таковой вообще. Как-то так. Это сложно представить, потому, что даже математика этих процессов слишком сложна. Но простым языком: объект перестаëт существовать в одом месте и появляется в другом, при этом в какой-то микромомент, он существует одновременно в обоих местах.
По этому неважно сколько ограничений у «световой» скорости. Главное что это бессмысленно.
А там «гипертунели», «сдвиг мнимой точки», «варп Вархамера», «0-Т», «трансгрессия» или еще что… Не принципиально. Надо искать.
Для обычного космического корабля пыль — серьёзная угроза при высоких скоростях. Для варп-двигателя — нет, потому что корабль не разгоняется сквозь материю: пузырь варпа «переносит» его вместе с пространством, а частицы оказываются «за пределами» деформации.
Корабль не летит через пространство, а перемещает пространство вокруг себя. Внутри пузыря он «стоит на месте».
Добавить комментарий