Кілька слів про розробку апарату, розвиваючого субсветовую швидкість

Нещодавно в рамках проекту Icarus Interstellar, що ставить своєю метою створення до 2012 року реалізується концепту міжзоряного корабля, з’явилося кілька публікацій, що стосуються можливості розробки апарату, розвиваючого субсветовую швидкість на основі реактивного імпульсу, одержуваного при анігіляції антиречовини.

Причому вперше був запропонований щодо реалістичний і ефективний спосіб генерації антиречовини прямо на борту корабля, з використанням лише одного вакууму — а точніше, його поляризації.

Як відомо, далі всіх відлетів від Землі предмет, зроблений людиною, — це «Вояджер-1», запущений у 1977 році і віддаляється від нас зі швидкістю 16 км/с. Такий неспішною ходою він дістався б до найближчої зірки через 70 тис. років. Трохи непрактично, не знаходите? Але які альтернативи?

Концепт залежить від ділить корабель на дві частини: ззаду — розгінний блок, спереду — житловий відсік, складений із сферичних модулів. (Тут і нижче ілюстрації Adrian Mann.)

НАСА, наприклад, розробляє Solar Probe («Сонячний зонд»), який після серії гравітаційних маневрів попрямує до зірки з рекордною швидкістю трохи більше 200 км/с. Такий зонд міг би долетіти до найближчої зірки всього за 6 450 років. Загалом, рівняння Ціолковського в дії, тобто космічні подорожі на потрібної швидкості не тільки недосяжні, але і непредставимы?

Не зовсім так. Теоретично виходом із проблеми могло б стати використання енергоємного з відомих людству енергоносіїв — антиматерії. Саме її Icarus Interstellar і пропонує використовувати «Міжзоряного дослідної ракетної системи на основі отримання антиматерії з вакууму» (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar System Explorer, залежить від). Проблема лише в тому, що в усьому світі за рік виробляється всього 10 нг антиречовини, і про налагодженої технології такого виробництва поки говорити не доводиться (антиматерія виходить як побічний продукт роботи великих прискорювачів). Втім, створення пасток для утримання антиречовини йде дуже успішно: у 2010 році фізикам вперше вдалося швидко зловити атоми антиречовини в пастки Пеннінга, вбудованої всередину пастки Іоффе — Пітчарда. У загальній складності було спіймано 38 атомів, які утримувалися 172 мс. А вже в травні 2011-го результати вдалося значно поліпшити, захопивши 309 антипротонів, які утримувалися 1 000 с.

Незважаючи на проблеми з виробництвом антиречовини, надія на використання такого виду палива для міжзоряного корабля поки жива. Адже є ще народження електрон-позитронних пар, передбачене Дж. С. Швінгером близько півстоліття тому, і воно дійсно спокушає нас думкою про те, що справа міжзоряних перельотів не так безнадійно. Пояснимо: при досягненні певної щільності електричного поля настає так звана швингеровская інтенсивність — стан, при якому швингеровский ліміт перевищений і електрон-позитронні пари з’являються безпосередньо з вакууму, самого доступного ресурсу відкритого космосу.

Короткий відступ. На відміну від теоретичного вакууму — абсолютної порожнечі, — реальний вакуум порожній лише умовно. Скільки не откачивай атоми та інше із замкнутого простору, в силу принципу невизначеності Гейзенберга в ньому завжди зможуть існувати віртуальні частинки, у тому числі заряджені частинки в парі зі своєю античастинкою (петля діаграми Фейнмана). Така петля (і пари частинка — античастки) може існувати лише дуже короткий час, в межах квантової невизначеності. Але якщо на вакуум впливає зовнішнє поле, за рахунок його (поля) енергії можливе народження реальних пар частинок — античастинок. При їх анігіляції може виділятися значна кількість енергії, імовірно, не перевищує енергію, витрачену на додаток зовнішнього поля до вакууму. Саме цей процес розробники концепції VARIES і називають Vacuum to Antimatter (отримання антиматерії з вакууму).

Для досягнення такої інтенсивності потрібні відносно потужні аттосекундные (одна квинтиллионная частка секунди) лазерні імпульси, дуже близькі за своїми параметрами до тих, що ми маємо сьогодні. А адже показники надкоротких лазерних імпульсів зараз постійно зростають. Як обґрунтовано припускають автори відповідного дослідження, які працюють за проектом Icarus Interstellar, досягнення швингеровской інтенсивності — питання буквально найближчих років.

Таке народження реальних частинок вакууму не порушує закону збереження енергії, оскільки відбувається за рахунок енергії електричного поля, тобто антиматерія все одно зажадає для свого виробництва енергії, і багато (хоча і значно менше, ніж сьогодні). При отриманні антиречовини за допомогою такого енергетичного поля витрати повинні приблизно дорівнювати енергоємності видобувається антиречовини, що значно краще сьогоднішніх показників (1 г позитронів теоретично коштує близько $25 млрд).

Сенс такого підходу до постачання паливом космічного корабля ясний: маса возимого палива мала, адже воно видобувається в ході польоту. Враховуючи, що в будь-якому іншому проекті (крім сонячного/мікрохвильового вітрила) маса палива буде становити понад 90% загальної маси корабля, подібний підхід дасть радикальну економію ресурсів. Інший момент: найвища щільність енергії в антиречовину (при анігіляції одного кілограма виділяється енергії, як при сорокамегатонном термоядерному вибуху) дозволяє розігнати космічний корабель до субсветовых швидкостей, в той час як всі розрахунки по термоядерного двигуну, наприклад, показують, що навіть для досягнення несучим його космічним кораблем 12% від швидкості світла, маса останнього з-за величезної потреби в расходуемом паливі повинна перевищити 50 тис. тонн.

На фінальній стадії польоту VARIES може розгорнути сонячні батареї для живлення електричного поля, що породжує античастки з вакууму.

Але, запитає читач, адже і залежить від доведеться нести з собою паливо, інакше звідки взятися енергії для електричного поля швингеровской інтенсивності? Взагалі кажучи, це не обов’язково. Постачання енергією при розгоні залежить від можливо за рахунок лазерних імпульсів з супутників на навколоземній орбіті, ну а при гальмуванні у зірки-цілі (і розгоні від неї до Землі, якщо він знадобиться) енергія може бути отримана за рахунок розгортання величезних сонячних батарей. Однак більш ефективним варіантом представляється накопичення на кораблі частинок антиматерії ще при відправленні з Сонячної системи, поки енергопостачання від лазерних імпульсів не втрачено: це дозволить залишити вдома важкі сонячні батареї кілометрових розмірів.

Зрозуміло, реалізація проекту зіткнеться з масою технічних труднощів, і тим не менше не можна не відзначити, що перед нами перша (і теоретично цілком здорова) ініціатива такого роду, яка не має принципово непереборних проблем.

Підготовлено за матеріалами Journal of the British Interplanetary Society.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *