Міжзоряні подорожі: Космічна ера та ядерні ракети

Всесвіт настільки величезний, що в ньому налічується понад 2 трильйони галактик в "спостережуваному" обсязі, який вимірює 93 мільярди світлових років в діаметрі. Навіть наша галактика, Чумацький Шлях, має вражаючі розміри — приблизно 100,000 світлових років в діаметрі та містить від 100 до 400 мільярдів зірок. Як було зазначено в попередній статті, подорож до найближчої зірки в нашій галактиці займе століття або навіть тисячі років.

Досягнення міжзоряних подорожей, як і запуск космічних апаратів на орбіту, підпорядковане рівнянню ракетної динаміки, а також теорії відносності Ейнштейна. Для досягнення навіть частини швидкості світла знадобляться величезні обсяги енергії, відкриття екзотичної фізики або обидва ці фактори. Проте з моменту початку космічної ери було запропоновано кілька концепцій, які можуть втілити мрію про міжзоряний політ.

З розвитком технологій пропозиції щодо міжзоряних космічних апаратів еволюціонували від великих, амбітних проектів до мініатюризованих та автоматизованих засобів. Методи руху, парадоксально, стали як більш екзотичними, так і більш практичними. На завершення космічної ери джерела пропозицій почали переходити від космічних агентств до некомерційних організацій та приватних дослідницьких інститутів.

Проте мрія про досягнення іншої зірки пов’язана з величезними, якщо не геркулесовими, викликами. Як і в більшості просунутих концепцій (таких як космічні ліфти, циліндри О'Ніла, міжпланетні поселення тощо), все зводиться до двох запитань:

"Скільки ви готові витратити, і як довго ви готові чекати?"

Отже, які є варіанти для міжзоряної місії? Перш ніж перейти до них, розглянемо можливі цілі.

Сусідні світи

Як зазначено, за останні два десятиліття галузь дослідження екзопланет значно розширилася. На сьогоднішній день науковці підтвердили існування 6,333 екзопланет у 4,747 зоряних системах. Хоча планети, подібні до Землі (терrestrial), складають незначну меншість — лише 222 з них підтверджені, деякі з цих планет знаходяться відносно близько (в астрономічному масштабі) до Сонячної системи. У межах 50 світлових років від Землі налічується 31 відома терrestrial планета, з яких 30 обертаються навколо маломасивних червоних карликових зірок типу M.

Найближчою з цих планет є Проксима b, кам’яниста планета, розмір і маса якої схожі на Землю, що обертається в межах зони обитаемості своєї зірки. Відкрита в 2016 році, науковці оцінюють середню температуру поверхні на рівні -39 °C, у порівнянні з 15 °C для Землі. Оскільки ця планета перебуває в стані приливного захоплення зі своєю зіркою, вчені мають різні думки щодо її придатності для життя.

Проте, якщо не враховувати можливі придатні планети в системі Альфа Центавра, Проксима b є найближчою підтвердженою терrestrial планетою за межами Сонячної системи. Вона стане нашою відправною точкою на відстані 4.25 світлових років від Землі. Тепер розглянемо системи руху, які були запропоновані протягом років, в хронологічному порядку.

Ядерна пропульсія (1950–1973)

Наш перший зупинка — це Холодна війна, час, коли дві наддержави змагалися одна з одною у постійному змаганні та ядерній гонці озброєнь. Це також був період інтенсивних наукових відкриттів та експериментів. Використовуючи досягнення в ракетній науці, включаючи розробку балістичних ракет під час війни, США та Радянський Союз також прагнули досягти космічних польотів раніше один одного. З 1958 по 1972 рік ця конкуренція стала відома як "Космічна гонка".

Навіть до того, як перші астронавти та космонавти досягли космосу, вчені, інженери та планувальники місій вже обмірковували, як відправити людей на орбіту, на Місяць та далі. Звичайно, ідея відправки людей до найближчих зірок також розглядалася, що призвело до появи кількох проектів. До 1950-х років, після досягнення багатьох проривів у розвитку ядерних реакторів, які спиралися на повільне розпадання розщеплювальних матеріалів (уранію) для генерації тепла та електрики.

Це призвело до ініціювання програм в США та Радянському Союзі для створення реакторів, які б живили ядерні ракети. У 1958 році президент Дуайт Д. Ейзенхауер підписав закон про Національну аеронавтику та космос, який заснував NASA як космічну програму країни. Відтоді NASA взяла на себе існуючі програми та почала власні розробки. Наприкінці Космічної гонки обидві країни створили та протестували кілька ядерних реакторів, розроблених для живлення ядерних двигунів.

Це заклало основу для досліджень ядерної пропульсії, яка досі використовується сьогодні, і може бути розділена на дві категорії:

Ядерна термічна пропульсія (NTP): Концепції в цій категорії складаються з реактора поділу, який нагріває пропелент (зазвичай рідкий водень), змушуючи його розширюватися та перетворюватися на плазму, яка виводиться через сопла для генерації тяги. Двигуни NTP мають перевагу у вигляді потужного прискорення, досягаючи специфічного імпульсу (Isp) від 830 до 1,000 секунд, 25,000 до 33,000 фунтів сили (lbf) та швидкості викиду 8,000 до 9,000 м/с (29,304 км/год; 18,208 миль на годину).

Ядерна електрична пропульсія (NEP): Концепції в цій категорії складаються з реактора поділу, який генерує електрику для окремого двигуна з ефектом Холла (іонного двигуна), що створює магнітні поля для іонізації пропеленту (такого як ксенон). Це потім виводиться через сопла, що забезпечують менше початкове прискорення, але значно стабільнішу тягу, дозволяючи досягти 1,500 до 10,000 lsp з часом, 15,000 до 25,000 lbf та швидкості викиду 14,710 до 9,8067 м/с (52,956 до 353,040 км/год; 32,905 до 219,370 миль на годину).

У США зусилля щодо реалізації ядерного двигуна почалися в 1955 році, коли Армія США та Комісія з атомної енергії (AEC) ініціювали проект Rover. План передбачав концепцію NTP, де реактор поділу в парі з рідким воднем живив би верхню стадію ракети, тоді як друга стадія використовувала б звичайний хімічний пропелент.

У 1959 році NASA замінила ВПС США, і акцент змістився на розвиток ядерної пропульсії для тривалих космічних польотів. Їх зусилля увінчалися успіхом у 1965 році з створенням Ядерного двигуна для космічних апаратів (NERVA), який був розроблений для частини системи NTP. AEC провела кілька успішних тестів реакторів NERVA між 1965 та 1969 роками, але програма була скасована в 1973 році, перш ніж будь-які космічні випробування могли бути проведені.

У 1977 році астронавт Франклін Чанг-Діаз, ветеран семи польотів на космічному шатлі, почав працювати над концепцією ядерного двигуна, відомого як Двигун з варіабельним специфічним імпульсом магнітоплазми (VASIMR). Чанг-Діаз придумав цю ідею для ядерного геліконного двигуна (який використовує магнітні осередки для прискорення плазми), поки ще був аспірантом у MIT. Процес полягає в тому, що нейтральний водневий пропелент вводиться і обробляється трьома магнітними осередками.

Газ іонізується в першому осередку, а потім нагрівається радіохвилями в другому, досягаючи температури понад 50,000 °C (90,032 °F), перетворюючись на розплавлену плазму. Ця плазма потім вводиться в третій магнітний осередок (магнітне сопло), яке направляє плазму в викид, що забезпечує тягу. До 1993 року Чанг-Діаз та його колеги продовжували працювати над двигуном в Лабораторії передового космічного руху (також відомій як Eagleworks Laboratories) в Центрі космічних польотів NASA Джонсона.

У 2005 році Чанг-Діаз та кілька колег заснували компанію Ad Astra Rocket Company у Х'юстоні, штат Техас. До 2015 року NASA уклала партнерство з цією компанією через Програму Next Space Technologies for Exploration Partnerships (NextSTEP) для розробки високоефективної електричної пропульсії для майбутніх місій NASA. Така система теоретично могла б скоротити час подорожі до всього 39 днів, значно зменшуючи небезпеки, пов'язані з подорожами в глибокий космос.

Однак жоден з концепцій NTP, NEC або бімодальної не був би здійсненним засобом досягнення Проксими Центавра. Враховуючи відстані, ядерній ракеті знадобилося б приблизно 1,000 років, щоб дістатися до системи та встановити орбіту навколо єдиної землеподібної планети (яку ми знаємо).

Проект Оріон

Подібно до цього, післявоєнні дослідження в США були проведені для розробки першої концепції міжзоряного космічного апарата. Вони почалися в 1946 році в Лос-Аламоській національній лабораторії, де Манхеттенський проект був завершений два роки тому, коли польсько-американський фізик Станіслав Улам запропонував рамки для ядерної імпульсної пропульсії (NPP). До 1955 року він і Фредерік Рейнс (який також працював над Манхеттенським проектом) написали засекречений документ, що пропонує космічний апарат, живлений ядерними боєголовками. Як вони зазначили:

Схема, запропонована в даному звіті, передбачає використання серії витратних реакторів (бомб поділу), які викидаються та детонуються на значній відстані від апарата, що вивільняє необхідну енергію в зовнішньому "двигуні", що складається переважно з порожнього простору. Критичне питання щодо такого методу стосується його здатності використовувати реальні запаси ядерної енергії, що вивільняються при температурах бомби, не знищуючи або не розплавляючи апарат.

Перетворення цих вибухів на прискорення (та захист корабля і екіпажу) контролювалося б амортизуючою плитою з важкими пружинами та пневматичними системами, встановленими на задній частині. З кожним вибухом космічний апарат прискорювався б далі, досягаючи в теорії lsp у 6,000 секунд. Це еквівалентно швидкості викиду 58,840 м/с (211,824 км/год; 131,620 миль на годину). На цій швидкості космічний апарат міг би досягти Місяця (384,400 км) за 1 годину та 49 хвилин, а Марса (55 мільйонів км) під час найближчого підходу до Землі приблизно за 11 днів!

У 1958 році Військово-повітряні сили США (USAF) та Агентство передових досліджень (ARPA) об'єднали зусилля для реалізації концепції NPP, відомої як Проект Оріон. Проект очолював Тед Тейлор з General Atomics та фізик Фрімен Дайсон (на честь якого названа сфера Дайсона). Того ж року була створена Національна аеронавтика та космос (NASA), яка взяла під контроль програму. Хоча Оріон не був призначений для міжзоряних подорожей, Дайсон і його колеги визнали, що космічний апарат Оріон мав цей потенціал.

Насправді Дайсон провів розрахунки, які показали, що космічний апарат Оріон, обладнаний водневими бомбами (які також з'явилися в цей час) з енергетичною ефективністю 25% (між вибухом та космічним апаратом), міг би досягти lsp у 100,000 секунд. Це надало б космічному апарату Оріон цієї конфігурації максимальну швидкість 980,000 м/с (3.528 мільйона км/год; 2.192 мільйона миль на годину), або 3.3% швидкості світла. На цій швидкості космічний апарат Оріон міг би досягти Проксими Центавра та її землеподібної планети приблизно за 129 років.

Залежно від конфігурації та масового співвідношення, космічний апарат навіть міг би досягти приблизно 5% швидкості світла, скорочуючи подорож до приблизно 85 років. Проте вартість проекту була надто високою, а використання ядерних пристроїв викликало значні занепокоєння. Спочатку план полягав у тому, щоб Оріон злетів з Землі, що призвело б до небезпечної кількості радіоактивних викидів від атмосферних детонацій. Коли NASA взяла на себе проект, це було скасовано на користь використання кількох ракет Saturn V для його підйому в космос.

Проте розміри та маса космічного апарата Оріон — від 300 до 400,000 метричних тонн (330 до 440,925 американських тонн) — також визнали нереалістичними. Питання було остаточно закрито з прийняттям Договору про часткову заборону ядерних випробувань у 1963 році, який заборонив випробування ядерної зброї в космосі, в атмосфері або під водою. Це фактично поклало край проекту Оріон та всім дослідженням у сфері NPP. Відтоді NASA залишалася відданою розробці ядерних ракет для майбутніх космічних місій.