Сколько лететь до ближайшей звезды и какие двигатели для этого нужны: расчеты и факты
Ближайшая известная экзопланета земного типа — Проксима Центавра b — находится всего в 4,25 светового года от Солнца. Это около 40 триллионов километров, и этот рубеж остается для нас практически непреодолимым. Самый быстрый аппарат в истории, «Вояджер-1», летящий со скоростью 17 километров в секунду, добирался бы туда больше 74 тысяч лет. Чтобы сократить перелет до человеческой жизни, нужен корабль, разгоняющийся до заметной доли скорости света. Но классическая ракетодинамика упирается в фундаментальный предел.
Химические двигатели, работающие на керосине или водороде, имеют скорость истечения газов около 4,5 километра в секунду и удельный импульс 450–460 секунд. По формуле Циолковского, чтобы разогнать хотя бы тонну полезной нагрузки до 10% скорости света, масса топлива превысит массу всей видимой Вселенной. Химия пригодна для полетов по Солнечной системе, но для звезд нужны принципиально иные схемы.
Первым шагом стали ядерные тепловые двигатели. Американский проект NERVA в 1960-х годах показал тягу до 33 тонн и удельный импульс до 1000 секунд — вдвое лучше химии. Но и они позволяют долететь до Проксимы не быстрее чем за тысячу лет. Более дерзкой выглядела концепция ядерно-импульсного «Ориона»: корабль массой до 4 миллионов тонн должен был взрывать за кормой ядерные заряды и разгоняться до 5% скорости света, достигнув соседней звезды за 85–130 лет. Проект закрыли в 1963 году из-за запрета ядерных взрывов в космосе и радиационного загрязнения.
Термоядерные двигатели дают больше энергии. Проект «Дедал», разработанный Британским межпланетным обществом в 1970-х, предполагал беспилотный зонд массой 54 тысячи тонн, работающий на дейтерии и гелии-3. Со скоростью 12% световой он долетел бы до Проксимы за 36 лет. Главная проблема — топливо: гелия-3 на Земле практически нет, его планировали добывать в атмосфере Юпитера. Проект остался математической моделью, как и его наследник «Икар».
Квантовый скачок обещает аннигиляция антивещества. При взаимодействии вещества и антивещества вся масса переходит в энергию, что позволяет достичь 30–50% скорости света и долететь до Проксимы за 8–14 лет. Но производство антиматерии ничтожно: все ускорители мира за полвека синтезировали менее 20 нанограммов, а грамм стоил бы порядка 62,5 триллиона долларов. Хранение требует вакуумных магнитных ловушек, и любой сбой означает уничтожение корабля.
Более реалистичным выглядит лазерный парус. Проект Breakthrough Starshot, представленный в 2016 году, предполагает разгон микрозонда массой 1–2 грамма лазерной решеткой мощностью 100 гигаватт до 20% скорости света. Парус площадью четыре квадратных метра должен отражать луч с эффективностью 99,999%, иначе он испарится. Зонд достиг бы Проксимы за 20 лет, но инженерам еще предстоит решить задачу фазировки луча сквозь атмосферу и защиту от межзвездной пыли.
Экзотические варианты вроде пузыря Алькубьерре или червоточин требуют материи с отрицательной плотностью энергии. Такая материя не обнаружена: на микроуровне зафиксирован лишь эффект Казимира, дающий ничтожные отрицательные флуктуации. Гравитационный Halo Drive, предложенный Дэвидом Киппингом, позволил бы разгоняться за счет вращения черной дыры, но для этого нужно сначала найти подходящую черную дыру рядом с Солнцем.
Таким образом, в обозримые 30–50 лет мы можем рассчитывать лишь на беспилотные микрозонды на лазерных парусах. Пилотируемые межзвездные экспедиции с грузом в тысячи тонн потребуют либо промышленного термоядерного синтеза, либо тонн антивещества, либо прорыва в квантовой гравитации. Это уже не вопрос инженерии, а вопрос новой физики. А пока Проксима b остается для нас математической точкой — реальной, описанной в моделях, но недостижимой для современной техники.
