«Наука и жизнь» № 5, 2004 г., стр. 110 – 114,
http://www.nkj.ru/archive/articles/3648/

НАУКА. ДАЛЬНИЙ ПОИСК

ОТ ЗВЕЗДЫ К ЗВЕЗДЕ

В нашей Галактике за пределами Солнечной системы обнаружено более сотни планет. Исследовать их проще и дешевле при помощи автоматических зондов сверхмалого размера. Запускать эти аппараты можно с Земли из электромагнитной пушки, а ускорять и корректировать орбиты будут гравитационные поля встречных звёзд. Статья «От звезды к звезде» была удостоена диплома второй степени конкурса «Наука – обществу» на лучшую научно-популярную статью, проведённого Британским советом совместно с агентством «Информ-наука».

Кандидат физико-математических наук В. СУРДИН

Полеты к звёздам – любимая тема фантастов и авторов компьютерных игр. Лихо носятся их звездолёты на просторах Галактики! Вот только неясно – как и зачем? Но эти вопросы не очень волнуют любознательных читателей: «как» – это придумают инженеры, а уж «зачем» – вообще неприлично спрашивать. Вы только представьте: новые неизведанные миры, братья по разуму… Разве это неинтересно?!

Но не все фантазии удаётся воплотить в жизнь. Романтическая эпоха поиска внеземных цивилизаций, рождённая в начале 1960-х успехами космонавтики и радиоастрономии, к концу столетия почти сошла на нет. Космонавтика оказалась дорогим и сложным делом – дальше Луны человек проникнуть не смог. А упорные попытки радиоконтакта с братьями по разуму результата не принесли. Тут бы и поставить крест на мечте о межзвёздных перелётах. Ан нет! Именно теперь эта мечта обретает почву под ногами.

ПЛАНЕТ ДАЛЁКИХ СОЛНЦ

После 1995 года астрономы могут совершенно точно ответить на вопрос, куда и зачем следует отправлять звездолёты. Восемь лет назад была открыта первая настоящая планета за пределами Солнечной системы.

А сегодня изучено уже более полутора тысяч звёзд в окрестностях Солнца и рядом с сотней из них обнаружено в общей сложности 120 планет (данные на октябрь 2003 года). Но об этих планетах мы почти ничего не знаем. Собственно говоря, мы до сих пор их даже не видели!

Дело в том, что открытие планет у других звёзд происходит путём наблюдения самой звезды: её слабое покачивание, вызванное притяжением планеты, выдаёт присутствие самой планеты, но ничего важного о ней не сообщает. Обладает ли планета атмосферой? Какова природа планеты? Каковы условия на её поверхности? Существует ли там жизнь? Ответить на эти вопросы невозможно, пока мы наблюдаем звезду издалека. Как бы ни был силён телескоп, он не может рассмотреть скромную планету, живущую рядом с ярким светилом: свет звезды ослепляет наши оптические приборы.

В ближайшие годы астрономы надеются создать специальные «многоглазые» телескопы на околоземной орбите, которые смогут отделить слабый свет далёкой планеты от яркого света соседней с ней звезды. Если это получится, то, проанализировав излучение планеты, мы выясним, есть ли у неё атмосфера. Но узнать что-либо о природе поверхности и о наличии жизни на планете, наблюдая её с расстояния в десятки световых лет, вряд ли удастся. Учёные не могли понять природу соседней с нами планеты – Марса, пока автоматические зонды не подлетели к нему вплотную. Что уж тут говорить о планетах иных звёзд – к ним надо лететь!

ЦЕНА МЕЖЗВЁЗДНОГО ПЕРЕЛЁТА

Если оставить в стороне изобретения фантастов – разнообразные кабины нуль-транспортировки и сверхсветовые крейсеры, ныряющие сквозь четвёртое измерение, то для межзвёздных путешествий остаётся не так уж много возможностей: ракета, солнечный парус и катапульта. Ракета несёт собственный источник энергии, солнечный парус использует энергию излучения Солнца, а катапульта за счёт земного источника энергии выстреливает корабль к звёздам. Космические инженеры уже давно прорабатывают все три варианта, но результаты пока неутешительны.

Очень заманчиво выглядит идея использовать энергию самого мощного источника, каким мы располагаем, – нашего Солнца. Если применить парус из сверхтонкой пленки размером в несколько километров, давление солнечного света может разогнать корабль до большой скорости. Первые эксперименты с солнечным парусом уже проведены, но, к сожалению, неудачные.

Предстоит решить много проблем: нужно научиться управлять гигантским полотнищем и придумать, что делать после разгона. Удалившись от Солнца, корабль теряет источник ветра, а значит, и возможность манёвра.

	Так должен выглядеть звездолёт «Дедал» с ядерным двигателем. Но будет ли он когда-нибудь построен?

Более перспективно выглядит идея ракеты, и проработана она значительно глубже. Есть даже конкретный проект ядерного звездолёта «Дедал», созданный английскими инженерами и доведённый до высокой степени совершенства. Правда, до сих пор ядерные ракеты не создавались, но это вполне возможно. Ещё в конце 1960-х проводились успешные эксперименты с ядерными двигателями на Земле, но в космос на них пока не летали. По сравнению с химическим топливом, которое обычно используется для полёта ракет, ядерное топливо в сотни раз выгоднее. Корабль «Дедал» может за 50 – 100 лет долететь до соседней звезды, доставить туда экипаж или автоматический зонд и вернуться обратно.

В принципе, современная техника готова воплотить этот проект в металле. Но затраты будут грандиозные и потребуют напряжения всей экономики человечества. Больше одного такого корабля нам в течение века не построить: для этого просто не хватит земных ресурсов. И вот, предположим, создали мы один корабль с ядерным двигателем. А вокруг нас тысячи звёзд с неизученными планетами. Куда же послать этот единственный корабль? Как выбрать цель?

Представляете, пошлём мы экспедицию к одной звезде, и через 100 лет выяснится, что ошиблись, надо было к другой, более интересной.

Нужно заметить, что с подобной проблемой космонавтика уже столкнулась. Первые экспедиции автоматических аппаратов к Венере, Марсу, Юпитеру стоили очень дорого; ещё дороже – экспедиции людей на Луну. Но в погоне за престижем не считались с затратами. В последние годы изучение планет стало нормальной научной задачей, его финансирование сократилось. Поэтому космические инженеры перешли к тактике «проще и дешевле»: от пилотируемых экспедиций отказались, а зонды делают унифицированными, почти конвейерной сборки.

Вступая в эпоху межзвёздных экспедиций, нужно взять всё лучшее, что наработала современная космонавтика, дополнив это новыми или забытыми старыми идеями. Такой симбиоз идей, по странному стечению обстоятельств, предложили российские учёные ещё в прошлом и даже в позапрошлом веках. Возможно, реализация этих идей позволит приступить к прямому исследованию звёзд и окружающих их планет уже в ближайшие десятилетия.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ МАНЁВРЫ

Слово «манёвры» настраивает нас на военный лад. И правда, некоторые элементы нового проекта связаны с военной техникой. Помните, перечисляя принципы межзвёздных перелетов, мы упомянули катапульту. Давно известно, что выстрел из пушки – наиболее дешёвый способ запуска космического аппарата, однако по разным причинам его до сих пор не применяли. Но если для межзвёздных исследований мы выберем стратегию «проще и дешевле», то без пушки не обойтись.

В рамках противоракетной программы звёздных войн были спроектированы электромагнитные ускорители массы – орудия для поражения в космосе ядерных боеголовок. Ещё десять лет назад лабораторные образцы этого устройства ускоряли снаряд массой 10 г до скорости около 10 км/с. Полномасштабные ускорители должны разгонять аппараты массой 1 кг до скорости 30 – 40 км/с. Для звёздных войн этого достаточно. Дальнейшее повышение скорости связано со значительным ростом размера ускорителя: его длина превысит километр, что сделает устройство слишком неуклюжим в глазах военных. Но для уникального проекта запуска межзвёздных зондов это не препятствие. Технически возможно создать космический электромагнитный ускоритель, разгоняющий небольшие зонды до скорости более 100 км/с. Используя в качестве источника энергии солнечные батареи, такая катапульта практически бесплатно сможет посылать небольшие научные зонды за пределы Солнечной системы. А дальше начинается самое интересное.

Опираясь на идею замечательного русского инженера Юрия Васильевича Кондратюка (1897 – 1941)*, траектории межпланетных перелётов часто прокладывают вблизи планет не только для их исследования, но и чтобы притяжение одной планеты дополнительно разогнало и развернуло космический аппарат в направлении другой, более далёкой планеты. Этот «фокус» называют гравитационным или, реже, пертурбационным манёвром. Его неоднократно применяли во время путешествия «Пионеров» и «Вояджеров» по маршруту Земля – Юпитер – Сатурн – Уран – Нептун. Для осмотра полярных областей Солнца аппарат «Улисс» полетел по маршруту Земля – Юпитер – Солнце. А чтобы добраться до самого Юпитера без лишних затрат горючего, аппарат «Галилей» был запущен по маршруту Земля – Венера – Земля – Юпитер.

Гравитационный манёвр – очень выгодный приём. Пролёт мимо каждой промежуточной планеты планируется таким образом, чтобы её притяжение ускорило космический аппарат и сообщило ему нужное направление движения к следующей планете. Механику этого эффекта легко понять на простом примере. Если по столу катится массивный шар, а навстречу ему – лёгкий, то при столкновении шаров массивный почти не изменит своей скорости, а лёгкий отскочит от него с увеличенной скоростью. То же самое происходит при «гравитационном столкновении» планеты с летящим навстречу ей космическим аппаратом. Отличие лишь в том, что столкновение твёрдых тел происходит почти мгновенно в момент их касания, а гравитационное растянуто на время пролёта. Но законы механики действуют одни и те же. Поэтому и результат тот же: совершив облёт планеты в правильном направлении, космический аппарат увеличивает скорость.

Принцип гравитационного манёвра подобен игре в бильярд. Маленький шарик отскакивает от большого, катящегося ему навстречу, с большей скоростью. И космический аппарат, облетая летящую в пространстве звезду, тоже приобретает добавочное ускорение.		Русский инженер  Ю. В. Кондратюк предложил схему гравитационного манёвра – использование поля тяготения планеты для разгона и разворота космического аппарата.

ЗВЕЗДА-КАТАПУЛЬТА

Итак, специальный выбор траектории, проходящей в окрестностях планет, даёт возможность космическому аппарату без затраты топлива увеличить свою скорость и даже покинуть Солнечную систему, как это удалось «Пионерам» и «Вояджерам». Необходимая для этого энергия черпается из энергии движения планет. А нельзя ли использовать этот же принцип для путешествий на просторах Галактики? Ведь звёзды тоже движутся в пространстве, значит, гравитационный маневр вблизи них может сообщить нашему межзвёздному зонду дополнительную скорость.

Эта идея пришла в голова автору статьи – астроному по профессии – несколько лет назад, при изучении движения звёзд Галактики. Известно, что скорости движения звёзд в среднем составляют 40 – 60 км/с и доходят до 250 – 300 км/с, что намного больше, чем у планет. Каждая встреча автоматического зонда со звездой при соответствующем подборе траектории сближения увеличит скорость аппарата на несколько десятков, а то и сотен километров в секунду. Чем больше таких встреч, тем выше скорость полёта. Особенно эффективными ускорителями служат массивные компактные светила – белые карлики и нейтронные звёзды.

Разумеется, у каждого изобретения есть слабые стороны. «Межзвёздный слалом» требует, чтобы по мере набора скорости аппарат пролетал все ближе и ближе к поверхности очередной встречной звезды, иначе не получится крутого разворота и набора скорости. Если использовать для разгона только белые карлики и старые нейтронные звёзды, которых довольно много в окрестности Солнца, то проблем с перегревом зонда не будет, поскольку светят эти звёзды слабо. Возникает иная проблема – неоднородность гравитационного поля вблизи звезды, известная на Земле по морским приливам. Неоднородные поля Луны и Солнца лишь немного деформируют поверхность земных морей, но поле нейтронной звезды легко разорвёт космический аппарат размером больше футбольного мяча. Лишь маленький зонд способен пролететь рядом с такой звездой и не разрушиться. А поскольку использование электромагнитного ускорителя также требует маленьких и прочных зондов, то эти требования совпадают.

Итак, аппарат для межзвёздных исследований должен быть размером с небольшой мяч, умный, прочный, долговечный и дешёвый. Ещё недавно эти качества казались несовместимыми. Но в наши дни, когда из кармана можно вынуть сотовый телефон, уже нет сомнений, что изготовить такие межзвёздные разведчики скоро станет несложно. Современная электроника и микромеханика делают информационные приборы чрезвычайно компактными и энергосберегающими. Сейчас микродатчики и микропроцессоры можно обнаружить в самых неожиданных местах: в телефонной трубке и записной книжке, в авторучке и поздравительной открытке. Микрохирургия близка к тому, чтобы изготавливать диагностические и лечебные аппараты, свободно плавающие в сосудах человеческого организма. Собственно говоря, прототипы необходимых нам «звёздных паучков» уже созданы: известный американский конструктор микророботов М. Тилден (M. Tilden) сконструировал простейшие спутники Земли размером с монету и стоимостью 20 долларов. Сейчас он работает над более сложными аппаратами.

ЭФФЕКТ ЯРКОВСКОГО

При разработке этой идеи несколько лет оставалась нерешённой проблема коррекции траектории зонда, не имеющего собственных двигателей. Подлетая к очередной звезде, зонд должен чуть-чуть подправить свою траекторию, чтобы в результате гравитационного манёвра уйти к следующей «перспективной» звезде. Решить эту проблему помогло случайное знакомство с почти забытой книгой самобытного российского исследователя Ивана Осиповича Ярковского (1844 – 1902), о котором следует сказать несколько слов.

Талантливый инженер и вдумчивый учёный, Иван Ярковский, к сожалению, совершенно забыт на родине. А его не столь уж долгая жизнь была весьма интересной и насыщенной. Родился он в местечке Освей Витебской губернии в семье врача, но очень рано лишился отца и был отдан «на казённый кошт» в Московский сиротский кадетский корпус. Там он проявил способности к математике и механике, а также изобретательский талант: сконструировал оригинальный дальномер, за что был награждён золотыми часами из рук великого князя Михаила Николаевича.

Выйдя в отставку прапорщиком артиллерии, он шесть лет прослужил на Кавказе, затем окончил петербургский Технологический институт, защитил диссертацию по водоснабжению и работал как инженер-путеец на разных дорогах страны. Сделав немало полезных изобретений по технической части, Ярковский быстро выдвинулся в активные члены Императорского русского технического общества, где руководил секцией механики и занимался вопросами воздухоплавания. Но его глубинный интерес лежал в области фундаментальной науки: он строил теорию светоносного эфира и гравитации. В те годы над этой проблемой работали лучшие физики, включая Эйнштейна. Оригинальная механическая теория Ярковского не нашла подтверждения, но один предсказанный им астрономический эффект стал полезным инструментом науки.

Сущность эффекта Ярковского проста: речь идёт о воздействии солнечного света на движение небольшого космического тела, скажем астероида. Освещённая солнечным светом поверхность астероида нагревается и, пытаясь охладиться, излучает в космос инфракрасные лучи. Поток тепла действует как реактивный двигатель: он слегка толкает астероид в сторону, противоположную направлению излучения.

А теперь вспомним, что все астероиды вращаются вокруг оси, подобно планетам. На поверхности астероидов тоже есть смена дня и ночи. Когда вращение тела уносит нагретую за день поверхность астероида в ночную тень, накопленное тепло излучается «вбок», действуя как разгонный или тормозной реактивный двигатель. Если вращение отклоняет нагретую поверхность астероида вперед по курсу, то эффект Ярковского тормозит движение тела, и оно, опускаясь по орбите, приближается к Солнцу. Если же тёплая поверхность за счёт вращения разворачивается назад, то лучевой импульс подгоняет движение тела и поднимает его орбиту, удаляя тело от Солнца.

В последние годы возрос интерес к движению астероидов, пересекающих орбиту Земли. Для точного прогноза возможного столкновения учёт эффекта Ярковского оказался обязательным. А ещё этот эффект можно использовать для межзвёздного маневрирования. Наш микрозонд в результате воздействия падающего на него излучения окружающих звёзд может корректировать свою траекторию в процессе перелёта от звезды к звезде.

Эффект Ярковского. Космическое тело нагревается светом звезды и начинает испускать тепловое излучение в пространство. Этот «фотонный двигатель» способен сообщить телу значительное ускорение.		Талантливый исследователь и учёный  И. О. Ярковский предсказал эффект, носящий теперь его имя.

НЕВИДИМЫЕ РАЗВЕДЧИКИ КОСМОСА

Таким образом, вырисовывается стратегия межзвёздных исследований. На поток ставится производство маленьких однотипных аппаратов, объединяющих в себе компьютер (содержащий в памяти все энциклопедии Земли на случай встречи с братьями по разуму), лабораторию для исследования звёзд и планет, а также рацию для связи с Землей. Обычными ракетами эти крохотные зонды доставляются на орбиту, откуда электромагнитная пушка выстреливает их в направлении ближайших звёзд. Далее они уже сами увеличивают свою скорость, перелетая от звезды к звезде и по пути проводя исследования.

Имея небольшой размер, микрозонды смогут вторгаться в области относительно плотной межзвёздной и межпланетной материи, сближаться с компактными и массивными объектами. Кстати, малая стоимость зондов позволяет довольно просто решить проблему их связи с Землей. Одинокому зонду трудно решить эту задачу в силу небольшой мощности его передатчика. Но, запуская по одной траектории последовательно несколько аппаратов, мы на первом этапе обеспечиваем радиорелейную связь (то есть передачу по цепочке). Позже, когда микрозонды заполнят околосолнечную область Галактики, легко будет организовать сетевую связь, этакий космический интернет.

Стратегия исследования Галактики с помощью микрозондов составляет предмет отдельного исследования. При этом необходимо рассмотреть методы осуществления оптической связи как наиболее предпочтительной на дальних расстояниях, а также способы возвращения зондов в район старта. Кстати, если подобные зонды, запущенные из других планетных систем, время от времени проходят через Солнечную систему, то обнаружить их сейчас нет никакой возможности. Вероятно, в таком же положении окажется большинство наших братьев по разуму, поскольку им тоже будет сложно обнаружить наши зонды. Поэтому подобный способ «микрозондажа» Галактики представляется наиболее безопасным и ответственным по отношению к человечеству. Такая стратегия чрезвычайно привлекательна для цивилизаций, делающих первые шаги на пути колонизации космоса.

В заключение должен заметить, что описанная здесь идея межзвёздных путешествий отнюдь не сумасшедшая. Научные статьи о ней, содержащие детальные расчёты, были благосклонно приняты коллегами, так что дело теперь за инженерами, способными воплотить идею в реальных устройствах.

* Об этом замечательном инженере см. статью к. ф. н. Н. М. Севериковой «В космос по “трассе Кондратюка”», «ЗС» 2009 № 1 (50), http://razumru.ru/humanism/journal/50/severikova.htm (примеч. вед. сайт «Разум или вера?»).