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

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.

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.

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.

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.