Физика невозможного

Характеристики прямоточного ядерного двигателя нетрудно вычислить. Во-первых, нам известна средняя плотность газообразного водорода по всей вселенной. Кроме того, мы можем вычислить, сколько примерно водорода надо сжечь, чтобы достичь ускорения в 1G. Этот расчет, в свою очередь, определяет насколько большой должна быть «воронка» для сбора водорода. С помощью некоторых предположений можно показать, что нам понадобилась бы воронка диаметром около 160 километров. Хотя создать воронку такого размера было бы непомерно трудно на Земле, в космическом пространстве это было бы проще благодаря невесомости.

В принципе, прямоточный двигатель может продвинуться на неопределенное расстояние, в конечном счете достигая далеких звездных систем галактики. Так как по Эйнштейну внутри ракеты время замедляется, можно было бы преодолеть астрономические расстояния, не прибегая к анабиозу. После достижения ускорения в 1G, в течение одиннадцати лет (в соответствии с часами внутри звездолета) космический аппарат достигнет звездного скопления Плеяды, которое находится в 400 световых годах от Земли. Через двадцать три года он достигнет галактики Андромеды, которая находится в 2 миллионах световых лет от Земли. В теории, космический аппарат сможет достичь предела видимой вселенной в течение жизни членов экипажа (хотя на Земле за это время, вероятно, пройдут миллиарды лет).

Одной из ключевых проблем явлается собственно реакция синтеза. Реактор синтеза ITER, который планируется построить на юге Франции, объединяет два редких изотопа водорода (дейтерий и тритий) с целью получения энергии. В космическом пространстве, однако, наиболее распостранённая форма водорода (протий) состоит из одного протона окруженного электроном. Поэтому прямоточний двигатель синтеза должен использовать протон-протонные реакции синтеза. Хотя процесс синтеза с участием дейтерия/трития изучался на протяжении десятилетий, протон-протонный синтез намного менее изучен. Его значительно труднее достичь и он дает гораздо меньше энергии. Так что освоение протон-протонных реакций будет оставаться технической задачей в ближайшие десятилетия. (Кроме того, некоторые специалисты выражают сомнения относительно того, сможет ли прямоточный двигатель преодолеть эффекты сопротивления среды по мере приближения к скорости света)

Пока физичиские и экономические аспекты протон-протонного синтеза не разработаны, трудно давать точные оценки относительно возможностей прямоточных двигателей. Но этот тип двигателей находится в числе перспективных кандидатов на миссию полёта к звездам.

Ядерный электрореактивный двигетель

В 1956 году Комиссия по атомной энергетике США (AEC) начала серьезно рассматривать ядерные ракеты в рамках проекта Rover. В теории, ядерный реактор должен использоваться для разогрева газов (напр. водорода) до экстремально высоких температур. Затем эти газы будут выбрасываться из сопла ракеты, создавая тягу.

Из-за опасности взрыва и попадания в атмосферу Земли токсичного ядерного топлива, ранние версии ядерных ракетных двигателей размещали горизонтально на железнодорожных путях, где тщательно проверяли их работоспособность. Первым ядерным ракетным двигателем, созданным для тестирования в рамках проекта Rover в 1959 году, был Киви 1 (метко названный в честь австралийской нелетающей птицы). В 1960-х годах NASA вместе с AEC создали ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications, NERVA), ставший первой ядерной ракетой, которую испытали в вертикальном, а не в горизонтальном положении. В 1968 г. он был запущен на стенде соплом кверху.

Результаты этих исследований оказались весьма спорными. Ракеты получались чрезвычайно сложными, и испытания часто заканчивались неудачей. В ядерном двигателе возникали очень сильные вибрации, оболочки тепловыделяющих сборок лопались, и ракета разваливалась. Другой постоянной проблемой была коррозия из-за горения водорода при высокой температуре. В конце концов в 1972 г. ядерная ракетная программа была закрыта.

(У этих атомных ракет была и еще одна проблема: опасность начала самопроизвольной ядерной реакции, что было бы эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы. На атомных электростанциях сегодня ядерное топливо присутствует в небольшой концентрации, и они не могут взорваться подобно хиросимской бомбе. А вот ядерные ракетные двигатели для получения максимальной тяги работали на высокообогащенном уране, и потому в них могла в принципе возникнуть цепная реакция и, соответственно, атомный взрыв. Перед самым закрытием программы ученые решили провести еще одно, последнее испытание — попытаться взорвать ракету как атомную бомбу. Они удалили из реактора все управляющие стержни, которые помогают удерживать реакцию под контролем. Реактор послушно перешел в сверхкритичное состояние и взорвался яростным огненным шаром. Этот впечатляющий конец программы по разработке ядерных ракетных двигателей даже засняли на пленку. Русские были недовольны. Они сочли эту выходку нарушением Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, согласно которому все взрывы атомных бомб, за исключением подземных, находились под запретом.)

Время от времени военные возвращаются к идее ядерной ракеты. Один из секретных проектов такого рода назывался «Тимбервинд» и был в 1980-х гг. частью военной программы «звездных войн». (От него отказались после того, как Федерация американских ученых опубликовала информацию о его существовании.)

Главная проблема ядерных ракетных двигателей — безопасность. Даже теперь, через полвека после начала космической эры, запуски ракет на химическом топливе иногда (примерно в 1 % случаев) заканчиваются катастрофически. (Гибель космических челноков «Челленджер» и «Колумбия», на которых нашли свою смерть 14 астронавтов, также подтверждает эту статистку аварий.)

Тем не менее несколько лет назад NASA возобновило исследования по ядерной ракете — впервые после программы NERVA 1960-х. В 2003 г. NASA окрестило свой новый проект «Прометеем» в честь греческого бога, давшего человечеству огонь. В 2005 г. на программу «Прометей» было выделено 430 млн долл., но уже в 2006 г. финансирование было урезано до 100 млн долл. В настоящий момент будущее этого проекта неясно [27] .

Импульсный ядерный двигатель

Еще одна теоретическая возможность — использовать в качестве движителя серию ядерных мини-бомб. К примеру, проект «Орион» предусматривал последовательное выбрасывание небольших термоядерных бомб позади корабля, чтобы он мог «оседлать» ударную волну от их взрывов. Теоретически такая система может разогнать космический корабль до скорости, близкой к скорости света. Идею такого корабля впервые высказал в 1947 г. Станислав Улам, который участвовал и в разработке первых водородных бомб; позже ее развили Тед Тейлор, один из главных разработчиков ядерных боеголовок для американских военных, и физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне.

27

В сущности, «Прометей» создавался под единственный космический проект тяжелой АМС к спутникам Юпитера, к настоящему времени уже отмененный. Фактически в 2005 финансовом году проект «Прометей» получил только 270,3 млн, в 2006-м — 56,5 млн, а в 2007-м — 5,5 млн долл., после чего прекратил существование как самостоятельная разработка. — Прим. пер.

В конце 1950-х и в 1960-х гг. были проведены тщательные расчеты для межзвездного корабля, основанного на этом принципе. Согласно полученным оценкам, он мог бы за год слетать до Плутона и обратно, достигнув при этом скорости в 10 % скорости света [28] . Но даже на такой скорости до ближайшей звезды пришлось бы лететь 44 года. Ученые рассматривали варианты, когда космический ковчег с таким движителем летел бы в космосе несколько столетий; в экипаже сменялись бы поколения, и многим пришлось бы прожить всю жизнь в этом движущемся мирке, чтобы их потомки могли добраться до близлежащих звезд.

28

Крайне сомнительно, так как на такой скорости до Плутона всего двое суток лёту, а при равномерном разгоне и торможении — четверо. — Прим. пер.

В 1959 г. компания General Atomics выпустила доклад, в котором провела оценку размеров корабля типа «Орион». Самый крупный вариант, названный в докладе «супер-Орионом», должен был весить 8 млн т, иметь диаметр 400 м и двигаться на ударной волне от более чем тысячи водородных бомб.

Главная проблема, связанная с этим проектом, — возможность заражения района старта ядерными осадками. По оценке Дайсона, ядерные осадки от каждого запуска могут вызвать смертельную форму рака у десяти человек. Кроме того, электромагнитный импульс от взрыва так велик, что непременно вызвал бы массу коротких замыканий в расположенных неподалеку электрических системах.

Подписание в 1963 г. Договора о частичном запрещении ядерных испытаний стало похоронным звоном по этому проекту. Со временем сдался даже главный его сторонник, разработчик ядерных бомб Тед Тейлор. (Он однажды признался мне, что окончательно разочаровался в проекте, когда понял, что техническими наработками подобного проекта могут воспользоваться террористы для создания портативных атомных бомб.

Проект был закрыт как слишком опасный, но его имя продолжает жить в названии космического корабля «Орион», которым NASA планирует в 2015 г. заменить космические челноки.)