Не скорость света, не «варп-двигатель»: реальная преграда для межзвездных полетов, которую игнорирует Голливуд

В любом научно-фантастическом фильме межзвездный полет выглядит эффектно: звездолет врубает варп-двигатель, звезды превращаются в светящиеся полосы, и через пару минут экипаж уже пьет кофе у другой галактики. Принято считать, что главная проблема таких путешествий — это энергия. Что нужно просто придумать двигатель, способный разогнать корабль до скорости света или выше, и человечество тут же ринется колонизировать космос. Но инженеры, в отличие от сценаристов, знают: ключевая опасность скрывается не в расстоянии, а в том, что находится между звездами. И имя ей — межзвездная пыль.

Космос — не вакуум. Враг, которого не видно

Первое, что нужно понять: космос не пустой. Да, по земным меркам это почти идеальный вакуум, но в масштабах Вселенной он заполнен так называемой межзвездной средой. На 99% это разреженный газ — в основном, одиночные атомы водорода и гелия. Плотность смешная — примерно один атом на кубический сантиметр. Остальной 1% — это твердые частицы: микроскопическая пыль, крошечные кристаллики льда и силикатов.

Когда космоплан «Буран» летал на орбите со скоростью 8 км/с, эта среда была для него не более чем легким ветерком. Но как только мы начинаем говорить о релятивистских скоростях (то есть скоростях, настолько больших, что они становятся сравнимы со скоростью света), ситуация меняется кардинально. Каждый атом водорода и каждая пылинка превращаются в микроскопический снаряд, летящий навстречу кораблю.

Песчинка с энергией бомбы. Разбираем физику «на коленке»

Здесь в дело вступает неумолимая физика. Для грубой оценки нам даже не нужны сложные релятивистские формулы, хватит и школьной кинетической энергии E=1/2mv². Ключевое здесь — квадрат скорости (v²). Это значит, что при увеличении скорости в 2 раза, энергия столкновения возрастает в 4 раза. А когда мы говорим о скоростях, близких к световой, эта зависимость становится критической.

Давайте прикинем на простом примере. Допустим, наш корабль будущего летит к ближайшей звезде, Проксиме Центавра, на очень скромной по меркам фантастики скорости — всего 10% от скорости света (это примерно 30 000 километров в секунду). И на его пути встречается обычная песчинка массой в 1 грамм (0.001 кг). Подставляем в формулу:

E = 0.5 * 0.001 кг * (30,000,000 м/с)² = 450,000,000,000,000 Джоулей.

450 триллионов Джоулей — это абстрактная цифра. Переведем ее в понятный эквивалент. Энергия взрыва одной тонны тротила — это примерно 4.2 миллиарда Джоулей. Простая операция деления (450 трлн / 4.2 млрд) дает нам результат примерно в 107 000 килограмм, или 107 тонн тротила. Просто вдумайтесь: столкновение с граммовой песчинкой на скорости, которая в фантастике считается «черепашьей», эквивалентно подрыву на корабле боеголовки, способной уничтожить целый квартал.

Но даже если нам повезет и на пути не попадется ни одной песчинки, остается водород. На скорости в 20% от световой столкновение с одиночным протоном (ядром атома водорода) эквивалентно удару частицы из Большого адронного коллайдера. Обшивка корабля будет постоянно бомбардироваться этими микро-снарядами. Каждое такое столкновение будет выбивать каскад вторичного излучения — гамма-квантов и рентгеновских лучей, которые будут прошивать корабль насквозь. По сути, корабль летит через постоянный поток жесткой радиации, медленно, но верно «поджаривая» экипаж и электронику.

Голливудские «щиты» против инженерной реальности

Почему же в кино («Стартрек», «Звездные войны») звездолеты спокойно летают на сверхсветовых скоростях? Потому что это кино. Там есть волшебное слово — «дефлекторный щит». Невидимое силовое поле, которое решает все проблемы. В реальности же все гораздо сложнее.

Эта проблема настолько серьезна, что стала одним из главных камней преткновения для реального проекта межзвездного полета — Breakthrough Starshot. Напомню, это инициатива миллиардера Юрия Мильнера и покойного Стивена Хокинга, в рамках которой планируется отправить к Альфе Центавра флот из тысяч крошечных нанозондов. Эти зонды-«парусники» размером с почтовую марку предполагается разогнать с Земли мощным лазером до 20% скорости света, и одна из ключевых проблем инженеров проекта — не как их разогнать, а как сделать так, чтобы хоть один из них долетел до цели, не испарившись по пути от столкновения с пылью.

Как же выжить в полете?

Поскольку волшебных щитов у нас нет, инженеры рассматривают вполне материальные, хоть и очень сложные, концепции защиты:

• Физический щит: Самое очевидное решение. Но это не просто лист металла. Наиболее рабочая концепция — «щит Уиппла». Это многослойный «пирог», где первый тонкий слой при ударе испаряет микрометеорит, превращая его в облако плазмы. Следующие слои затем рассеивают энергию этого облака. Нужно понимать, что такая схема хорошо работает против микрочастиц на орбитальных скоростях, и именно такие щиты уже используются на МКС. Проблема в том, что для защиты от объекта массой хотя бы в один грамм на релятивистской скорости такой щит должен весить тысячи тонн, что делает его неподъемным.

• Магнитный или электростатический щит: идея в том, чтобы создать вокруг корабля мощное поле, которое будет отклонять заряженные частицы — протоны и ядра гелия из межзвездного газа. Это могло бы решить проблему радиации. Но такой щит практически бесполезен против нейтральных частиц пыли, которые не реагируют на магнитное поле.

• «Лазерная метла»: одна из самых футуристичных идей. Предполагается, что мощный лазер, установленный на корабле, будет «расчищать» путь перед зондом, заранее испаряя любой мусор на его траектории.

Вывод из всего этого простой и для фантастов неутешительный. Главная проблема межзвездных путешествий — не в том, как построить достаточно мощный двигатель, а в том, как выжить на скорости, которую он даст. Космос на поверку оказывается не пустой и дружелюбной средой, а агрессивным абразивом, который сотрет в порошок любой объект, движущийся слишком быстро.

Пока инженеры не найдут эффективного решения проблемы «космической дроби», все разговоры о варп-двигателях и колонизации далеких звезд остаются красивой и крайне далекой от реализации фантазией. Сначала нужно научиться строить межзвездный «танк», а уже потом думать, как прикрутить к нему «ракету».

Для тех, кто хочет копнуть глубже:

Проект Breakthrough Starshot. Официальный сайт инициативы, где проблема столкновений с межзвездной пылью на релятивистских скоростях разбирается как одна из ключевых инженерных задач.

Щит Уиппла. Статья в Википедии, которая просто и понятно объясняет принцип работы многослойной защиты, используемой на МКС и проектируемой для будущих кораблей.