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

Венеция тонет. Разбор 3 стратегий спасения, которые навсегда изменят облик города

Венеция тонет. Повышение глобального уровня моря, вызванное изменениями климата, в сочетании с естественным и антропогенным проседанием грунта, ставит под вопрос существование исторического города....

Почему четырёхгранную гору Кайлас с высотой около 6 600 метров никто не покорил

Перед написанием этой публикации я знал, что условным заветным Граалем среди альпинистов является покорение гор высотой более 8000 метров (так называемые восьмитысячники), но и горы высотой более...

Обзор мембранной клавиатуры A4Tech Bloody B230N с интересной конструктивной особенностью

Последнее время ко мне на обзор попадают почти исключительно механические клавиатуры, и потому для меня стало неожиданностью, что на этот раз в руки попала мембранная модель. Причём речь идёт не о...

Возвращение идеи из 90-х: физики придумали, как сделать сверхточные атомные часы портативными

Современные атомные часы на оптических решетках достигли очень высокого уровня точности. Они способны фиксировать изменения хода времени, вызванные гравитацией, на разнице высот всего в несколько...

Рано выбрасывать компакт-диски: почему CD-плееры снова продаются (на примере Fosi Audio Merak)

Золотая эра компакт дисков — это с середины 80-х до начала двухтысячных, потом цифровой контент и Интернет вытеснили физические носители с музыкой. Но что мы видим сейчас —...

Мир сквозь розовые очки: почему розовое озеро Ретба, стоит увидеть хотя бы раз в жизни

В Африке, в самом сердце Сенегала, рядом с его столицей, располагается уникальное озеро, которое годами привлекает туристов со всех уголков света. Насыщенного розового цвета вода озера Ретба...