boris.pashinsky

Я периодически встречаю довольно оптимистичные рассуждения о том, что человечество рано или поздно колонизирует другие звезды. С одной стороны, хотелось бы верить. С другой - ближайшая к нам звезда находится в 4,24 светового года, а "Вояджер-1", который уже почти полвека летит прочь из Солнечной системы со скоростью около 61 тысячи километров в час, за 40 тысяч лет приблизится к другой звезде всего лишь на 1,7 светового года.  NASA Science

Поэтому мне стало интересно: а насколько вообще реалистична межзвездная колонизация, если не изобретать новую физику?

Не отправить к другой звезде радиосигнал. Не разогнать лазером микросхему размером с почтовую марку. И даже не закинуть туда банку с бактериями. А сделать так, чтобы возле другой звезды когда-нибудь появилась человеческая цивилизация.

Как выяснилось, для этого нужно решить примерно все технические проблемы человечества одновременно.

Акт первый. Как разогнать эту бандуру

Начнем с самого очевидного: обычные ракеты для этого практически бесполезны.

Причина заключается в знаменитом уравнении Циолковского. Чтобы увеличить скорость ракеты, приходится брать с собой больше топлива. Но дополнительное топливо тоже надо разгонять, а значит, нужно взять топливо для разгона топлива. А потом топливо для разгона топлива для разгона топлива.

В результате необходимое отношение начальной массы ракеты к конечной растет экспоненциально с требуемым изменением скорости. У химических двигателей скорость истечения рабочего тела составляет километры в секунду, а для нормального межзвездного путешествия нам хотелось бы получить уже тысячи или десятки тысяч километров в секунду.

Химическая ракета прекрасна, если вам надо выйти на орбиту. Для полета к звездам она примерно как паровоз для поездки на Луну.

Первый очевидный следующий шаг - ядерная энергия. Можно поставить на корабль реактор и нагревать им рабочее тело, получив ядерный тепловой двигатель. Можно производить электричество и разгонять ионы или плазму электрическими и магнитными полями. Для полетов внутри Солнечной системы это уже гораздо интереснее химических двигателей: рабочее тело можно выбрасывать с намного большей скоростью.

Но появляется другая проблема. Электрические двигатели чрезвычайно экономно расходуют рабочее тело, зато обычно создают маленькую тягу. Это замечательно, когда можно разгонять автоматическую станцию месяцами. Несколько хуже, когда мы пытаемся за разумное время разогнать межзвездный город.

Поэтому довольно быстро мы приходим к любимому занятию физиков последних примерно семидесяти лет - попыткам заставить работать управляемый термоядерный синтез.

Почему термояд вообще такой сложный

— Когда всё-таки появится термоядерная энергетика? — спрашивают известного физика-ядерщика.

— Лет через двадцать-двадцать пять, — отвечает он.

— Но позвольте, точно такой же ответ вы давали двадцать пять лет назад!

— Как вы можете убедиться, я человек слова и не меняю своего мнения!

Иногда проблему термояда описывают примерно так: нужно нагреть водород до ста миллионов градусов и каким-то образом удерживать его, чтобы он не разлетелся.

Это правда, но из нее не очень понятно, что именно мы пытаемся удержать и зачем.

Возьмем наиболее изученную реакцию дейтерия и трития:

D + T → ⁴He + n + 17,6 MeV

Если дейтерия и трития примерно поровну, число реакций в единице объема определяется количеством возможных пар ядер и примерно пропорционально

R = n²/4 ⟨σv⟩

Страшные скобочки здесь означают довольно простую вещь:  ⟨σv⟩ показывает, насколько охотно ядра при данной температуре сталкиваются так, чтобы произошла термоядерная реакция. При низкой температуре положительно заряженные ядра почти всегда отталкиваются друг от друга. Поднимаем температуру - вероятность реакции быстро растет.

Но из 17,6 МэВ энергии реакции 14,1 МэВ получает нейтрон. Нейтрон электрически нейтрален и магнитное поле ему глубоко безразлично, поэтому он улетает из плазмы. Оставшиеся 3,5 МэВ получает заряженная альфа-частица, которую магнитное поле уже может удержать. Именно эти альфа-частицы способны нагревать плазму и поддерживать следующую порцию реакций.

Поэтому мощность самонагрева растет примерно как

Pₐ ∼ n²⟨σv⟩Eₐ

А количество тепловой энергии, которое мы храним в плазме, примерно пропорционально

W ∼ nT

Теперь остается понять, насколько быстро эта энергия из плазмы убегает. Для этого физики вводят время удержания энергии

τₑ = W/Pₗₒₛₛ

откуда потери примерно

Pₗₒₛₛ ∼ nT/τₑ

Чтобы плазма могла сама поддерживать свою температуру, нагрев продуктами термоядерных реакций должен хотя бы компенсировать эти потери. То есть нам нужно, грубо говоря,

Pₐ ≳ Pₗₒₛₛ

Подставляем две предыдущие зависимости, сокращаем одну степень плотности - и перед нами возникает знаменитое произведение

nTτₑ

Вот откуда вообще берутся эти три величины. Температура T определяет, достаточно ли энергичны столкновения и насколько велика вероятность реакции. Плотность n определяет, сколько потенциальных пар ядер находится рядом друг с другом - причем мощность термоядерных реакций растет примерно как квадрат плотности. А τₑ показывает, успевает ли энергия уже произошедших реакций нагреть следующую порцию плазмы прежде, чем она убежит из системы.

На самом деле критерий Лоусона несколько сложнее: необходимое значение зависит от температуры через ⟨σv⟩(T), от состава плазмы, примесей, излучательных потерь и от того, требуем мы полного самоподдержания или просто хотим получить определенное отношение термоядерной мощности к внешнему нагреву. Но физическая проблема остается именно такой: надо одновременно сделать плазму достаточно горячей, достаточно плотной и достаточно хорошо удерживать в ней энергию.

И здесь есть два почти противоположных подхода.

В токамаке плотность относительно невелика, поэтому мы пытаемся как можно дольше удерживать горячую плазму магнитными полями. В инерциальном синтезе можно пойти наоборот: взять крошечную мишень, сжать ее до чудовищной плотности и позволить ей просуществовать совсем недолго. Если реакции успели произойти до того, как мишень разлетелась, нас всё устраивает.

И это уже не исключительно проект на будущее. В июне 2026 года американский NIF в очередном эксперименте получил 7,9 МДж термоядерной энергии при 2,08 МДж лазерной энергии, доставленной на мишень - почти четырехкратный выигрыш на уровне самой мишени. До электростанции отсюда по-прежнему очень далеко: вся лазерная установка потребляет намного больше энергии. Но сам принцип "быстро сжать маленькую мишень и успеть получить fusion до того, как она разлетится" уже работает экспериментально. NIF

И именно этот вариант особенно понравился людям, которые еще в 1970-е решили всерьез спроектировать звездолет.

"Дедал"

В 1970-е Британское межпланетное общество провело исследование Project Daedalus - попытку ответить на очень конкретный вопрос: можно ли спроектировать автоматический межзвездный аппарат, не используя ничего, что прямо противоречит известной физике?

Получившийся ответ прекрасно показывает разницу между "физически возможно" и "мы сейчас это построим".

"Дедал" должен был взрывать в двигателе маленькие замороженные гранулы дейтерия и гелия-3. Их предполагалось сжимать и поджигать электронными пучками, а получившуюся плазму направлять магнитным соплом. Расчетный двигатель должен был производить около 250 таких микровзрывов каждую секунду.

Аппарат был двухступенчатым. Его начальная масса составляла около 54 тысяч тонн, из которых примерно 50 тысяч тонн приходилось на термоядерное топливо. После нескольких лет разгона он должен был достичь примерно 12% скорости света и примерно за полвека долететь до звезды Барнарда. Тормозить "Дедал" не умел - это был пролетный автоматический зонд. Xenology

И вот здесь я предлагаю ненадолго остановиться.

Да вы там совсем охренели, что ли?

Пятьдесят четыре тысячи тонн.

Это масса не ракеты в привычном нам смысле. Это уже небольшой промышленный объект, который зачем-то решил полететь к другой звезде.

И тут возникает закономерный вопрос: как вообще вывести в космос 54 тысячи тонн?

А кто сказал, что их обязательно надо выводить с Земли?

Мне кажется, именно здесь разговор о межзвездных полетах становится гораздо интереснее. Возможно, первый звездолет вообще не будет следующим шагом после современных ракет. Между Falcon 9 и "Дедалом" может лежать целая историческая эпоха, в которой человечество сначала превратится в промышленную цивилизацию Солнечной системы.

Уже в 1970-е Джерард О'Нилл и Генри Колм экспериментировали с электромагнитными катапультами. Идея довольно простая: длинный линейный электромагнитный ускоритель остается на месте и разгоняет контейнеры с грузом. На Луне это особенно интересно - там нет плотной атмосферы, а вторая космическая скорость составляет всего около 2,4 км/с. Людей так запускать совершенно необязательно: несколько тысяч тонн руды не особенно возражают против ускорений, от которых пассажиры превратились бы в довольно однородную жидкость.

В 1977 году в MIT действительно построили экспериментальную электромагнитную катапульту, а в исследованиях NASA рассматривалась схема, в которой лунный грунт разгоняется до скорости ухода с Луны и затем собирается в космосе как сырье для орбитальной промышленности. NSS

Электромагнитная катапульта - только один пример. Более ста лет люди придумывают способы перестать каждый раз сжигать огромную ракету, чтобы вытащить материал из гравитационной ямы: от выросшей из старой идеи Циолковского концепции космического лифта до орбитальных тросов и разнообразных электромагнитных систем запуска. У каждой из этих схем есть собственный список причин, почему мы до сих пор ее не построили.

Но важна сама смена масштаба задачи.

Луна и астероиды дают металлы, кислород, кремний и огромное количество конструкционного материала. Орбитальные заводы позволяют собирать конструкции, которые никогда не должны выдерживать старт с поверхности Земли. А топливо можно добывать вообще в другой части Солнечной системы.

Потому что у "Дедала" была еще одна маленькая проблема: нужного ему гелия-3 на Земле недостаточно.

Поэтому авторы проекта совершенно серьезно рассматривали автоматические фабрики, плавающие в атмосфере Юпитера, которые в течение примерно двадцати лет добывают там гелий-3.

То есть логистика первого межзвездного полета начинает выглядеть примерно так: сначала построить внеземную горнодобывающую промышленность, потом металлургию и заводы на орбите, отдельно построить промышленность по добыче термоядерного топлива у Юпитера, перевезти всё это к месту сборки, собрать 54-тысячетонный корабль и только потом наконец начать готовиться к путешествию.

И вот здесь начинает проявляться общий закон проектирования звездолетов: каждый раз, когда вы решаете одну совершенно ебанутую проблему, за ней следует еще более ебанутая проблема.

А тепло куда девать?

Почти любой мощный космический двигатель производит огромное количество избыточного тепла.

На Земле можно греть атмосферу, гонять воду через градирни и вообще пользоваться тем приятным обстоятельством, что вокруг находится несколько квинтиллионов тонн вещества.

В вакууме тепло в конечном счете приходится сбрасывать излучением.

Мощность теплового излучения поверхности примерно определяется законом Стефана-Больцмана:

P = εσAT⁴

Хотите сбрасывать больше мощности - увеличивайте площадь радиаторов или их температуру.

Но большие радиаторы весят много. А горячие радиаторы требуют материалов, которые способны при этой температуре работать. Потом радиаторы тоже надо разгонять. Для их разгона нужно топливо. Топливо увеличивает массу. Увеличение массы требует еще большей мощности двигателя.

Поэтому термоядерный двигатель может оказаться совершенно невыгодной электростанцией на Земле и одновременно прекрасным двигателем для звездолета. У него другая функция цели. Нас интересует не цена киловатт-часа, а скорость истечения рабочего тела, отношение тяги к массе, масса радиаторов, надежность и количество топлива, которое придется разогнать вместе с кораблем.

Возможно, человечество сначала построит коммерчески бессмысленный термояд именно потому, что в космосе он решает другую задачу.

Антиматерия

Если термояд кажется недостаточно безумным, можно сразу перейти к антиматерии.

При аннигиляции материи и антиматерии значительная часть массы превращается непосредственно в энергию. С точки зрения количества энергии на килограмм топлива трудно придумать что-нибудь лучше.

Проблема состоит примерно во всем остальном.

Антиматерию надо сначала произвести. Современные ускорители делают это с чудовищно низкой общей эффективностью. Потом античастицы надо затормозить, поймать и сохранить так, чтобы они не прикоснулись к стенке контейнера, потому что в таком случае контейнер довольно быстро перестанет быть вашей главной проблемой.

Поэтому более реалистично выглядят гибридные идеи, где антиматерия служит не основным источником энергии, а своеобразной спичкой. Небольшое количество антипротонов запускает деление или термоядерную микрореакцию, а основная энергия берется уже из обычного ядерного топлива.

Это хороший пример того, как межзвездная техника может использовать технологию, которая в другом контексте кажется совершенно бессмысленной. Если для запуска одной реакции требуется ничтожное количество антипротонов, нам уже не обязательно производить тонны антиматерии.

Достаточно производить безумно дорогое количество, которое хотя бы можно записать не в тоннах.

А можно просто взрывать атомные бомбы?

Можно.

И это, возможно, одна из самых честных идей в истории космонавтики.

В конце 1950-х и начале 1960-х существовал реальный американский Project Orion. Корабль выбрасывает за собой ядерный заряд, взрывает его, принимает импульс на огромную толкающую плиту с системой амортизаторов, затем выбрасывает следующий заряд. И так много раз. Это был не рассказ Азимова, а серьезная инженерная программа, финансировавшаяся американскими государственными структурами. NASA Technical Reports Server

Позднее появилась еще более эстетичная концепция "Медуза". Вместо тяжелой толкающей плиты перед кораблем раскрывается огромный парус на тросах. Ядерный заряд выбрасывается вперед и взрывается между кораблем и парусом. Взрыв толкает парус, тот натягивает тросы и тащит корабль за собой. Centauri Dreams

То есть человечество довольно быстро прошло путь от "ракета выбрасывает горячий газ назад" до "а давайте будем кидать перед собой атомные бомбы и ловить их взрывы парусом".

Лю Цысинь в "Задаче трех тел" играет с похожей эстетикой в проекте "Лестница": ядерные заряды заранее размещаются вдоль траектории, а последовательные взрывы разгоняют световой парус с полезной нагрузкой.

Фантастика здесь отличается от реальной инженерии главным образом тем, насколько сильно автор готов продолжать предложение после слов "а теперь взорвем еще одну атомную бомбу".

Лучшее топливо - то, которое не надо везти

Есть, впрочем, способ радикально облегчить звездолет: вообще не брать с собой источник энергии для разгона.

Свет несет импульс. Если направить достаточно мощный лазер на достаточно легкий отражающий парус, аппарат можно разгонять с Земли или из околоземного пространства.

Именно на этом построен Breakthrough Starshot. В наиболее известных вариантах концепции к Альфе Центавра отправляется не корабль с людьми, а граммовый аппарат со световым парусом, который наземная фазированная система лазеров должна разогнать примерно до 0,2c.

И вполне возможно, что первый созданный человеком объект около другой звезды будет не Enterprise, а микросхема размером с почтовую марку, в которую несколько минут ебашит лазер с оптической мощностью порядка 100 гигаватт.

Причем это мощность самого луча. Даже при довольно оптимистичном КПД всей лазерной системы электрическая мощность установки окажется еще больше. В обсуждениях Starshot фигурируют оценки порядка 200 ГВт электрической мощности.

Для человеческого масштаба это примерно в тринадцать раз больше среднего электропотребления Москвы, Нью-Йорка и Лондона вместе взятых.

На несколько минут.

Ради одной микросхемы.

Здесь, правда, есть хитрость: совершенно необязательно вытаскивать все эти гигаватты непосредственно из городской электросети. Энергию можно долго накапливать, а потом очень быстро отдать лазерам. Но от этого инженерная задача не становится особенно скромной.

И после разгона остаются парус, нагрев, точность наведения, межзвездная пыль, связь с Землей и еще примерно тысяча способов потерять аппарат.

Зато на корабле нет огромной массы топлива.

А это для звездолета очень хороший аргумент.

Как тормозить?

В какой-то момент приходится вспомнить одну неприятную вещь.

Межзвездный корабль мало разогнать.

Если вы прилетели к Альфе Центавра со скоростью в десятую долю скорости света и не умеете остановиться, то технически вы не прилетели к Альфе Центавра. Вы очень быстро на нее посмотрели.

Именно поэтому "Дедал" был пролетным зондом.

Настоящему колонизационному кораблю придется каким-то образом погасить огромную кинетическую энергию в конце пути. Можно везти топливо для торможения, но это топливо сначала пришлось разгонять вместе с кораблем. Можно использовать магнитный парус и взаимодействовать с межзвездной плазмой или звездным ветром системы назначения. Можно тормозить световым парусом о свет звезды. Можно комбинировать методы.

Но в любом случае половина красивых картинок звездолетов забывает довольно важную часть путешествия:

надо еще остановиться.

Стругацкие уже всё придумали

Мне особенно нравится, как эта проблема выглядит у Стругацких.

В "Стране багровых туч" звездолет "Хиус" использует фантастический абсолютный отражатель из "мезовещества". Термоядерная плазма оказывается в фокусе параболического отражателя, а излучение используется для создания тяги.

В реальной физике материал, способный спокойно отражать такой поток энергии и не превращаться в плазму сам, нам неизвестен.

Но мне нравится, что волшебный материал понадобился им примерно в том месте, где реальный инженер тоже спросил бы:

А эта хуйня от такого потока энергии не расплавится?

Да.

И это вообще довольно характерно для хорошей научной фантастики. Иногда фантастический элемент появляется не вместо физики, а ровно там, где физика заканчивает разговор.

А нельзя просто обмануть пространство?

Конечно, в этот момент всегда появляется варп-двигатель.

Общая теория относительности допускает довольно странные геометрии пространства-времени. Самый знаменитый пример - метрика Алькубьерре, в которой область пространства перед кораблем сжимается, а позади расширяется. Сам корабль локально не обязан двигаться быстрее света, но "пузырь" пространства может перемещаться таким образом, что для внешнего наблюдателя получается сверхсветовое путешествие.

Проблема в том, что классические варианты требуют областей с отрицательной плотностью энергии.

Квантовая теория поля действительно допускает локальные отрицательные значения плотности энергии в некоторых состояниях. Но между "в квантовой теории существуют локальные отрицательные плотности энергии" и "давайте построим пузырь размером со звездолет" находится примерно вся неизвестная нам физика.

И здесь стоит понимать масштаб выражения "неизвестная физика".

Даже с обычной энергией вакуума у нас есть довольно неловкая проблема. Если наивно оценивать ее средствами квантовой теории поля и сравнивать с величиной, которую космология связывает с наблюдаемой темной энергией, в наиболее знаменитой постановке расхождение достигает примерно 120 порядков величины. Это так называемая проблема космологической постоянной.

Это не означает, что "варп-двигатель ошибается на 120 порядков". Это разные вопросы. Но как напоминание о том, насколько плохо мы пока понимаем связь квантового вакуума и гравитации, пример довольно отрезвляющий.

Между квантовым эффектом в лаборатории и инженерным управлением геометрией пространства находится не просто несколько нерешенных технических задач.

Там находится кусок фундаментальной физики, про который мы пока даже не очень понимаем, насколько неправильно его понимаем.

Забавно, что в 2021 году по интернету даже разошлись новости о том, что человечество якобы "создало первый варп-пузырь". Поводом была вполне настоящая статья: исследователи рассчитали распределение энергии в специально устроенной казимировской полости и обнаружили, что оно качественно похоже на распределение отрицательной энергии, необходимое для метрики Алькубьерре.

Только пузырь Алькубьерре никто не создавал. Более того, его даже не наблюдали экспериментально - речь шла о численном расчете микроскопической структуры, которая потенциально могла бы дать похожее распределение энергии.

То есть человечество пока находится где-то на стадии "мы нашли картинку, немного похожую на варп-двигатель". Но, справедливости ради, еще недавно даже такая фраза звучала бы довольно странно.

Поэтому дальше я предлагаю оставить варп-двигатели и кротовые норы будущим физикам и продолжить пользоваться скучной физикой, которая уже существует.

И оказывается, что даже ее достаточно, чтобы сделать задачу совершенно безумной.

Пока мы разобрались только с кораблем. В следующей части попробуем понять, кого вообще в него сажать и как потом колонизировать новый дивный мир.

Спойлер: после этого 54 тысячи тонн "Дедала" покажутся не самой страшной частью задачи.
Продолжение - завтра вечером.

Остальные мои тексты и мемы про физику, науку и прочее лежат здесь: https://t.me/notes_of_phys