Голливуд врет: почему физика запрещает массовую эвакуацию с Земли на ракетах и как нас мог бы спасти взрыволет «Орион»

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | Наука и космос

Голливудские блокбастеры приучили нас к красивой иллюзии: если Земле будет грозить уничтожение, мы построим гигантские корабли-ковчеги и эвакуируем человечество к другим звездам. Киноделы эффектно игнорируют законы астрофизики ради кассовых сборов. Вот только в реальности физический перенос биологической массы целого вида за пределы земной гравитации упирается в жесткие энергетические лимиты. Строгие расчеты показывают полную несостоятельность традиционных ракет для решения этой задачи. Рассмотрим проблему через призму абсолютных цифр и безумных инженерных концепций.

Базовый энергетический минимум

Оценка реалистичности проекта начинается с вычисления фундаментального предела. Преодоление гравитационного колодца Земли требует затрат энергии, равных кинетической энергии объекта, движущегося со второй космической скоростью (11.2 км/с).

Для перемещения одного человека массой 65 килограммов в глубокий космос требуется 4 гигаджоуля энергии. Это абсолютный физический минимум. Способ доставки не имеет значения. Ракета, электромагнитная пушка или космический лифт потребуют минимум одной и той же энергии. В бытовом эквиваленте 4 гигаджоуля равны одному мегаватт-часу. Столько потребляет среднее домохозяйство за полтора месяца работы всех приборов. В физическом эквиваленте это грузовой фургон, доверху набитый качественными батарейками формата АА, или 90 килограммов бензина на одного человека.

Умножение этой цифры на восемь миллиардов людей дает 8 петаватт-часов энергии. Значение составляет около пяти процентов от всего годового энергопотребления человечества. Цифра выглядит огромной, но технически достижимой. Катастрофа кроется в способе доставки этой энергии на орбиту.

Сверхтяжелая ракета «Сатурн-5» сжигала 13 тонн топлива в секунду только для того, чтобы оторвать от земли собственный вес и крошечный лунный модуль.
Автор: Steve Jurvetson from Menlo Park, USA Источник: commons.wikimedia.org

Тирания уравнения Циолковского

Использование традиционных химических ракет для массовой эвакуации разбивается о непреодолимый математический барьер. Ракета должна поднимать не только полезную нагрузку, но и собственное топливо.

Формула идеальной ракеты Циолковского описывает зависимость между скоростью корабля, скоростью истечения газов из сопла и массой топлива. Для ухода с орбиты Земли требуется набрать свыше 13 км/с. Скорость истечения газов для лучшего химического ракетного топлива физически ограничена пределом 4.5 км/с.

Соотношение этих скоростей возводится в экспоненту. Математика беспощадна: для вывода одной тонны полезного груза требуется от 20 до 50 тонн химического топлива. Общая масса человечества составляет порядка 400 миллионов тонн (без учета еды, систем жизнеобеспечения и самих кораблей). Вывод такой массы потребует десятков триллионов тонн горючего. Попытка использовать углеводородные смеси мгновенно истощит все разведанные мировые запасы нефти еще на стадии запуска первой волны. Химические ракеты находятся за пределами любой инженерной логики.

Огромные размеры классических ракет продиктованы исключительно необходимостью поднимать в космос собственное топливо. Полезная нагрузка составляет лишь малую долю от стартовой массы.
Автор: NASA Источник: commons.wikimedia.org

То, что могло нас спасти: ядерный взрыволет «Орион»

Осознание топливного тупика заставило физиков искать радикальные пути еще на заре космической эры. Единственный физически обоснованный метод поднять в космос миллионы тонн груза — ядерно-импульсный двигатель.

Механика процесса выглядит безумно, но она работает. Корабль последовательно выбрасывает позади себя маломощные ядерные заряды. Заряды детонируют, а массивная отражающая плита-амортизатор на корме принимает на себя ударную волну плазмы, толкая корабль вперед.

В 1960-х годах правительство США профинансировало разработку этой концепции под кодовым названием «Проект Орион». Физическое обоснование проекта под руководством знаменитого физика Фримена Дайсона доказало его работоспособность. Защитный экран не успевал испариться из-за миллисекундного времени воздействия плазмы. Теоретически такая система могла выводить на орбиту целые городские кварталы за один рейс. Проект закрыли до создания летных прототипов из-за подписания международного договора о запрещении ядерных испытаний в атмосфере.

Оригинальный чертеж двигательного модуля из рассекреченных архивов «Проекта Орион». Внизу видна массивная толкающая плита (Pusher Plate) и система двухступенчатых амортизаторов, принимающих ударную волну от ядерного взрыва.
Автор: NASA Источник: commons.wikimedia.org

Так что в итоге?

А в итоге сюжеты фильмов-катастроф разбиваются о суровую термодинамику. Запуск одного человека в космос — это сложнейшая логистическая задача. Попытка переместить популяцию целиком с помощью привычных химических двигателей невозможна из-за ловушки уравнения Циолковского, потому что на Земле просто не хватит ресурсов. Так что единственным известным науке способом спасти человечество остается использование ядерного арсенала в качестве импульсного топлива. Но непрерывная серия атмосферных ядерных взрывов колоссальной мощности, необходимая для запуска таких ковчегов, гарантированно уничтожит биосферу планеты еще до того, как последний корабль покинет атмосферу. Такая вот арифметика получается.

Изображение в превью:
Автор: Steve Jurvetson from Menlo Park, USA
Источник: commons.wikimedia.org
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
О разном интересном.

7 комментариев

Добавить комментарий

b
Сверхтяжелая ракета «Сатурн-5» сжигала 13 тонн топлива в секунду только для того, чтобы оторвать от земли собственный вес и крошечный лунный модуль.

Вывели 45 тонн на Лунную орбиту. До сих пор непревзойденное официальное достижение.
a
Ждем, когда таки решат проблему с самообрывом веревочки и у нас появится рабочий космический лифт.
C
Так лифт только на околоземную орбиту. А дальше то что?
a
Дык, а дальше целый набор!) Солнечные паруса, ядерные движки (в том числе и тот пендосский 60х годов сгодится), ионные движки на водном паре (воды на Земле больше чем нефти)… И мож еще что-то придумают к тому моменту, когда лифт готов будет)
P
ядерный взрыволет «Орион»

Нил Стивенсон в «Анафеме» такой описывал.
s
Другой вариант: всю Землю превратить в огромный космический корабль — тоже популярная тема у фантастов.
pchyolka
Отвечаю всем и сразу. Это статья-шутка. На самом деле, человечество угобит себя и землю гораздо раньше. Сначала угробит окончательно планету, а потом быстренько и само загнеться. Привет Безумный Макс и прочее… Так что никакого прогресса уже не будет, только полное отупление, вымирание и возвращение в каменный век. Точка.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему человек — единственное живое существо, которое плачет от эмоций?

Слезная жидкость выполняет базовые физиологические функции у всех позвоночных животных. Она постоянно увлажняет роговицу, доставляет кислород к тканям глаза и защищает слизистую оболочку от...

Как подобрать сплит-систему по площади, BTU и высоких потолках: инструкция, которая избавит от типичных ошибок

Как подобрать кондиционер, чтобы не мёрзнуть и не потеть? Рассказываю про формулу 1 кВт на 10 м², BTU, солнечную сторону, высоту потолков и почему нельзя ставить сплит напротив кровати.

Гигантские изоподы не едят по пять лет: как им это удаётся и при чём здесь бактерии Chlamydiae

Гигантские морские мокрицы живут на глубине и не едят по пять лет. Как они это делают? Огромный желудок, сонный обмен веществ и бактерии-помощники. Без воды и сложных терминов.

Обзор наушников Kiwi Ears Septet: музыкальные полуоткрытые «квадриды»

Kiwi Ears Septet — семидрайверные требовательные квадриды (наушники с четырьмя типами излучателей) с качественным звуком, частично открытой акустической конструкцией, удобной посадкой и...

Прозрачная рыба Байкала, которая не мечет икру: что известно о голомянке

Когда говорят о рыбе с Байкала, первым почти всегда вспоминают омуля. Тут всё понятно: его ловят, коптят, продают туристам, про него рассказывают на экскурсиях. А голомянка почему-то обычно...

✦ ИИ  Самая многочисленная дикая птица на Земле: почему чаще называют не воробья и не голубя

Я всегда думала, что самая многочисленная птица — воробей. Наверное, потому что они всё время рядом. Вышла во двор, уже сидят на ветках. Идёшь мимо остановки или киоска, опять они:...