Межзвездные путешествия: Эпоха космоса и ядерные ракеты

Вселенная невероятно велика, насчитывающая более 2 триллионов галактик в "наблюдаемом" объеме, который достигает 93 миллиардов световых лет в диаметре. Наша галактика, Млечный Путь, также поражает своими размерами — её диаметр составляет около 100,000 световых лет, и она содержит от 100 до 400 миллиардов звезд. Как было отмечено в предыдущих исследованиях, путешествие к ближайшей звезде в нашей галактике может занять столетия или даже тысячи лет.

Чтобы достичь межзвездных расстояний, необходимо учитывать теорию относительности Эйнштейна, которая накладывает ограничения на скорость и массу. Как и в случае с запуском космических аппаратов на орбиту, для достижения даже малой доли скорости света потребуется огромное количество энергии и, возможно, открытие новых физических принципов. Тем не менее, с начала космической эры было предложено несколько концепций, способных осуществить мечту о межзвездных полетах.

С развитием технологий предложения по созданию межзвездных космических аппаратов эволюционировали от масштабных проектов к миниатюризированным и автоматизированным системам. Методы пропульсии становились всё более экзотичными и практичными. В конце космической эры источники предложений начали переходить от государственных космических агентств к некоммерческим организациям и частным исследовательским институтам.

Тем не менее, мечта о достижении другой звезды сталкивается с колоссальными трудностями. Как и в случае с большинством передовых концепций, таких как космические лифты и колонии О'Нила, всё сводится к двум вопросам:

"Сколько вы готовы потратить и сколько ждать?"

Имея это в виду, какие существуют варианты для межзвездной миссии? Прежде всего, давайте взглянем на возможные цели.

Мировые соседи

В последние два десятилетия область исследований экзопланет значительно расширилась. На сегодняшний день учёные подтвердили существование 6,333 экзопланет в 4,747 звёздных системах. Хотя землеподобные планеты составляют небольшую часть, всего 222 подтверждённые на сегодняшний день, некоторые из них находятся относительно близко (в астрономических масштабах) к Солнечной системе. В пределах 50 световых лет от Земли известно о 31 землеподобной планете, 30 из которых обращаются вокруг маломассивных красных карликов.

Ближайшей из них является Проксима b, каменистая планета, сопоставимая по размеру и массе с Землёй, находящаяся в обитаемой зоне своей звезды. Открытая в 2016 году, учёные оценивают её среднюю температуру поверхности в -39 °C, в то время как на Земле она составляет 15 °C. Поскольку эта планета находится в состоянии приливного захвата со своей звездой, учёные разделились во мнениях относительно её обитаемости.

Тем не менее, если в системе Альфа Центавра не существует потенциально обитаемых планет, Проксима b является ближайшей подтверждённой землеподобной планетой за пределами Солнечной системы. Она будет служить нашей отправной точкой, находясь на расстоянии 4.25 световых лет от Земли. Теперь давайте рассмотрим предложенные за эти годы системы пропульсии в хронологическом порядке.

Ядерная пропульсия (1950–1973)

Первая остановка — это Холодная война, время, когда две сверхдержавы соперничали друг с другом в научных открытиях и разработках. В этот период, с 1958 по 1972 годы, происходила «Космическая гонка». Учёные и инженеры уже задумывались над тем, как отправить людей на орбиту, на Луну и дальше, включая идеи о межзвёздных путешествиях.

К 1950-м годам, после ряда прорывов в разработке ядерных реакторов, США и СССР начали программы по созданию реакторов для ядерных ракет. В 1958 году президент Дуайт Д. Эйзенхауэр подписал закон о Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), которое взяло на себя существующие программы и начало собственные разработки. К концу Космической гонки обе страны создали и протестировали несколько ядерных реакторов, предназначенных для питания ядерных двигателей.

Эти исследования заложили основу для ядерной пропульсии, которая делится на две категории:

Ядерная тепловая пропульсия (NTP): Концепции в этой категории включают в себя реактор деления, который нагревает пропеллент (обычно жидкий водород), заставляя его расширяться и образовывать плазму, которая затем проходит через сопла для создания тяги.

Ядерно-электрическая пропульсия (NEP): Концепции в этой категории используют реактор деления для генерации электричества для отдельного ионного двигателя, который ионизирует пропеллент (например, ксенон).

В США работы по созданию ядерного ракетного двигателя начались в 1955 году с проекта Rover, который предусматривал концепцию NTP. В 1965 году был создан ядерный двигатель для ракетных систем (NERVA), который прошёл несколько успешных испытаний, но программа была отменена в 1973 году до проведения испытаний в космосе.

В 1977 году астронавт Франклин Чанг-Диаз начал разработку концепции ядерного двигателя, известного как VASIMR, который использует магнитные ячейки для ускорения плазмы. В 2005 году он и несколько коллег основали компанию Ad Astra Rocket Company, которая в 2015 году заключила партнёрство с NASA для разработки высокомощной электрической пропульсии для будущих миссий.

Тем не менее, ни одна из концепций NTP или NEP не сможет обеспечить достижение Проксимы Центавра. Для достижения этой системы ядерной ракете потребуется около 1,000 лет.

Проект Орион

Параллельно с этим, в США проводились исследования для создания концепции первого межзвёздного космического аппарата. Исследования начались в 1946 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где польско-американский физик Станислав Улам предложил концепцию ядерной импульсной пропульсии. В 1955 году он и Фредерик Рейнс написали секретный документ, предлагая космический аппарат, работающий на ядерных боеголовках.

"Предложенная схема заключается в использовании серии одноразовых реакторов (ядерных бомб), которые выбрасываются и детонируются на значительном расстоянии от аппарата, освобождая необходимую энергию в внешнем "моторе", состоящем, по существу, из пустого пространства. Критический вопрос заключается в способности такого метода использовать реальные запасы ядерной энергии, высвобождаемой при температуре бомбы, не разрушая или не плавя аппарат."

В 1958 году ВВС США и Агентство передовых исследовательских проектов объединили усилия для реализации концепции NPP, известной как Проект Орион. Хотя проект не был предназначен для межзвёздных путешествий, расчёты показывали, что он имеет такой потенциал.

В итоге, проект был закрыт в 1963 году после принятия Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, который запретил испытания ядерного оружия в космосе. Это фактически положило конец Проекту Орион и всем исследованиям в области ядерной импульсной пропульсии.