«Техника-молодежи» 1980 №7, с.37-39

Всякий дальний прогноз развития человечества приводит к поражающим воображение величинам, характеризующим производительные силы будущего. Но если в конце прошлого века русскому писателю и ученому А. В. Сухово-Кобылину не удалось найти человека, который всерьез отнесся бы к его философской рукописи, рассматривавшей вслед за земным солнечный и звездный периоды развития человечества, то в наше время исследования перспектив космического развития земной и гипотетических внеземных цивилизаций стало признанной научной темой. Правда, эта тема настолько грандиозна и неразработанна, что почти каждое оригинальное исследование в данной области приводит к неожиданным результатам, о чем свидетельствует и публикуемый ниже доклад, подготовленный в рамках «Программы КЭЦ», объявленной в «ТМ», № 11 за 1976 год.

По известным подсчетам члена-корреспондента АН СССР Н. С. Кардашева, при современных темпах развития техники производство энергии на Земле через 240 лет превысит количество солнечной энергии, падающей на нашу планету, через 800 лет — всю энергию, выделяемую Солнцем, а через 1300 лет — полное излучение Галактики. Быстрые темпы роста производительных сил человечества подтверждаются и историческими примерами. Так, за 1700 год в России было выплавлено всего 2500 т железа. В наши дни, менее чем через три столетия, в Советском Союзе ежегодно выплавляется железа в 100 тыс. раз больше. У нас имеются тысячи творений инженерной мысли, на создание каждого из которых, будь то корабль, турбина, пресс, ускоритель или мост, ушло больше металла, чем его производилось за год при Петре I. Не менее внушителен рост единичных энергетических мощностей. Если соотнести мощность одной современной ракеты-носителя с мощностью любой установки, использовавшейся человеком в прошлые века, то получатся вообще несоизмеримые величины.

Все это дает основание считать, что даже в условиях минимального (порядка 1% в год) прироста производства конструкционных материалов и энергии человечество через ряд столетий в силах будет создавать энергетические установки, соизмеримые по мощности с энергетическими параметрами космических тел и процессов, и строить инженерные сооружения, далеко превосходящие по массе то количество конструкционных материалов, которое производится в наши дни на всей планете. Возражения, что подобные инженерные творения нереальны в земных условиях, безосновательны, поскольку человечество сможет осуществить наиболее грандиозные свои проекты в околосолнечном пространстве. Рассмотрим лишь одну сферу человеческой деятельности, где могут потребоваться фантастические для нашего времени, но вполне реальные для отдаленного будущего энергетические мощности и инженерные сооружения: создание средств для освоения галактического пространства.

ЭКИПАЖ КОРАБЛЯ — НОВАЯ ЦИВИЛИЗАЦИЯ

Есть основания полагать, что при дальних трансгалактических перелетах человек вопреки преобладающему в настоящее время мнению сознательно не пойдет на предельное использование эйнштейновского эффекта замедления течения времени. Ведь возврат «несостарившихся» космонавтов на Землю становится нецелесообразен из-за возникновения психологического барьера между ними и их далекими потомками. Следовательно, посылать ограниченное число космонавтов далее расстояния, с которого они смогут вернуться в близкую им эпоху, это значит посылать их на прозябание с сомнительным будущим. Они не смогут унести с собою мощь человеческой цивилизации, заключающуюся в накопленных многоаспектных знаниях и опыте. Чтобы перенести, а главное — затем активно и комплексно использовать знания, необходим определенный минимум людей. Это нужно еще и для того, чтобы новое космическое поселение обладало способностью к саморазвитию. Известно: если численность популяции животных ниже некоторого минимума, то ей грозит вырождение, хотя и есть все условия для процесса размножения. Причина здесь в том, что в малочисленной популяции не могут срабатывать существенные для жизнедеятельности законы внутривидовых отношений и отношений вида к среде. Общественная жизнь несравненно сложнее и богаче своими отношениями, чем биологическая, и потому здесь предъявляются более высокие требования к условиям эффективной жизнедеятельности, включающей в себя и способность человеческого коллектива к саморазвитию (имеется в виду не просто научно-техническое, но и социальное саморазвитие), без которого неминуемо грозит психологическая, этическая, эстетическая и прочая деградация.

Чтобы этого не произошло, население корабля, отправляющееся на расстояния, возврат с которых в близкое им будущее исключен, должно представлять собою концентрированный слиток земной цивилизации, должно отражать в себе не только уровень достигнутых на Земле научных знаний, но и расовые, этнические нюансы, социологические, этические, эстетические воззрения.

Теперь бросим общий взгляд на процесс распространения земного разума по Галактике.

С использованием релятивистского эффекта человек в принципе может за считанные годы собственного времени корабля попасть в любой уголок Галактики. Расстояние в тысячу световых лет можно преодолеть за 13,7 года, пересечь Галактику за 23 года и долететь до туманности Андромеды (расстояние 2,3 млн. световых лет) за 29 лет собственного времени корабля. Но расселение человечества таким способом будет представлять собою распространение по космосу архаических достижений разума, поскольку за время полета земная цивилизация уйдет в своем развитии невообразимо далеко вперед. В связи со сказанным нам представляется заслуживающим внимания вариант умышленно «затянутого» расселения. Поскольку население корабля подбирается так, чтобы оно обладало способностью к саморазвитию, можно лететь с несколько меньшей скоростью, увеличив время полета и использовав это время с пользой, для саморазвития. К примеру, при перелете на расстояние в 10 тыс. световых лет при скорости 258 тыс. км/с можно, удлинив время перелета всего лишь на 16%, растянуть пребывание в космосе почти на 6 тыс. лет собственного времени корабля. Такой корабль будет представлять собою подобие дозревающего в дороге плода. Поднявшись на более высокую ступень развития, население корабля значительно увеличит шансы благоприятного исхода перелета и развертывания цивилизации в новом мире.

Существенно отметить, что корабль объемом в несколько десятков кубических километров более чем в десять раз превзойдет по объему все жилые и производственные помещения развитого государства со 100-миллионным населением. В таком корабле могут разместиться несколько миллионов человек вместе с системой жизнеобеспечения. За время полета в таком корабле могут смениться сотни поколений. Если применять анабиоз и другие специальные средства перерыва активности людей на определенном возрасте, то все эти люди не только увидят своими глазами новый мир, но после предварительного обучения для ликвидации разрыва между уровнями развития активно включатся в дело развертывания новой цивилизации на новом месте.

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА

Будем исходить здесь из условий, что крейсерский полет фотонного корабля совершается со скоростью 100 тыс. км/с и его КПД использования энергии покоя топлива равен 0,5. При полете с такой скоростью релятивистским эффектом изменения массы и времени, составляющим менее 10%, можно пренебречь.

Для достижения крейсерской скорости корабль должен будет израсходовать 56% исходной массы. Значит, при массе корабля 10 млрд. т на трассу крейсерского полета будет выведено 4,4 млрд. т. В конце пути на гашение скорости придется вновь затратить 56% массы, и, следовательно, к конечному пункту будет доставлена масса в 1,94 млрд. т. Не исключено, что сами топливные емкости будут созданы из материала, который потом можно использовать как сырье для производства энергоносителя. Для создания замкнутого пространства объемом в 30 км³ с помощью оболочки толщиною в несколько метров понадобится менее 1 млрд. т конструкционных материалов. Поскольку в конце полета придется затормаживать движение массы значительно меньшей, чем при наборе скорости, то большая часть энергетических установок может быть размонтирована и освободившееся вещество использовано на технические нужды. В силу научно-технического прогресса космических переселенцев весь корабль в пути будет перестраиваться несколько раз, так что к цели прилетит совсем не то, что некогда покинуло Землю. Вся свободная масса вещества будет пущена в дело. С современной точки зрения, оптимальной представляется конструкция корабля, где двигательные установки смонтированы на коромысле, вынесенном вперед. К центру этого коромысла, в «мертвом пространстве», куда не достают реактивные струи от рефлекторов, будут подвешены пассажирская и грузовая части корабля. Такая конструкция предъявляет менее жесткие требования к прочности корпуса корабля, тем более что есть теоретические основания предполагать: в будущем появятся материалы почти с неисчерпаемыми возможностями работы на растяжение.

Трансгалактический фотонный корабль. Цифрами обозначены: 1. Цилиндрический корпус корабля. 2. Несущая полая ферма, являющаяся промышленной и складской зоной корабля. 3. Параболоидный тяговый рефлектор. 4. Энергетическая зона корабля, совмещающая в себе функции хранилища сырья для производства аннигилирующего вещества, ввода его в фокус рефлектора и отбора энергии для текущих нужд. 5. Зона обитания населения корабля в период крейсерского полета. 6. Зона временного обитания населения корабля в период ускоренного полета. 7. Тяжи, предназначенные для уменьшения нагрузок на днище корабля в период ускоренного полета. 8. Службы и оборудование управления кораблем. 9. Выносные сферы, не принимающие участия во вращении корабля, предназначенные для размещения оборудования по исследованиям космоса, по контролю и «расчистке» пространства перед кораблем. 10. Полая осевая конструкция для размещения оборудования по регулированию климата, атмосферы и освещения, а также по выполнению технологически процессов, требующих уменьшенной силы тяжести. 11. Границы конуса излучения. 12. Зоны земной природы, материальной и духовной культуры, истории земного и корабельного общества. Схема параболоидного рефлектора фотонного двигателя корабля. Цифрами обозначены: 1. Стенки рефлектора. 2. Фокус рефлектора. 3. Струи частиц и античастиц, впрыскиваемых в фокус. 4. Стенка отверстия для впрыска. 5. Вспомогательный рефлектор, отражающий излучение, которое проникло за зону тягового рефлектора. 6. Электромагнитное устройство, искривляющее потоки частиц и античастиц. 7. Генератор элементарных частиц. 8. Камера отбора энергии, проникающей сквозь стенки тягового рефлектора. 9. Отражатель античастиц, не прореагировавших в активной зоне.

Оценим развиваемую кораблем мощность при условии, что ускорение его при наборе скорости будет равно земному и разгон будет длиться четыре месяца. На крейсерском полете искусственное тяготение может создаваться за счет вращения корабля — для этого достаточно одного оборота за 3,5 мин., разумеется, если к тому времени люди не научатся создавать гравитационные поля.

За первую неделю разгона корабль израсходует 400 млн. т вещества. Средняя мощность, развиваемая в течение этого времени двигателями корабля, будет равна 3·10¹⁶ кВт. Это в 520 раз больше, чем мощность поступающего к поверхности Земли (с учетом альбедо) солнечного излучения.

ОБ ОДНОМ НЕРЕАЛЬНОМ ПРОЕКТЕ

В литературе высказывалась идея о возможности создания ракеты, которая получала бы энергоноситель — водород непосредственно из космической среды, «профильтровывая» ее в процессе полета. Расчеты показывают, что эта идея несостоятельна.

По современным данным, межзвездный газ состоит на 90% из водорода и на 10% из гелия (других газов меньше 1%). Он в основном ионизирован и, как правило, сосредоточен в диффузных туманностях. Общая его масса значительно меньше сотой доли массы Галактики. Средняя концентрация (плотность) газа составляет порядка 10^-24 г/см³ (одна или несколько частиц на 1 см³). В диффузных туманностях его плотность доходит до 10^-22 г/см³. Если допустить, что площадь улавливающих фильтров ракеты равна 100 км², то при скорости в 100 тыс. км/с ракета «процедит» объем пространства в 10²¹ см³. Сделав несложные вычисления, приходим к выводу, что даже в диффузной туманности невозможно за секунду выловить вещества более 0,1 г. Еще меньше шансов «питаться» межзвездной пылью, поскольку средняя ее концентрация на два порядка меньше, чем концентрация газа.

Чтобы понять, насколько иллюзорны надежды на межзвездный газ, вспомним о среднем секундном расходе вещества нашей фотонной ракетой в первую неделю полета — 670 т! Даже ракета с массой всего в 1 млн. т (а видимо, меньше не будут запускаться в межзвездный космос) израсходует в секунду 67 кг.

ОТ ФОТОННОГО КОРАБЛЯ К ГРАВИТАЦИОННОЙ КАТАПУЛЬТЕ

Маневренность фотонного космического корабля рассмотренного типа очень невелика, и потому он не может использоваться в разведывательно-исследовательских полетах. Для того чтобы погасить свою скорость, ему нужно пройти расстояние в одну десятую часть светового года, то есть расстояние, в 7 тыс. раз превышающее расстояние от Земли до Солнца. Радиус минимального закругления его траектории тоже порядка одной десятой светового года. В связи с этим представляют интерес межзвездные фотонные корабли, могущие двигаться с большими ускорениями. Такие корабли в принципе возможны в случае, если удастся защитить экипаж от перегрузок за счет их компенсации локальными (внутренними) гравитационными полями или каким-либо иным путем (замораживанием, помещением в раствор и пр.).

Рассмотрим энергетические параметры корабля, набирающего крейсерскую скорость (105 км/с) и, соответственно, гасящего эту скорость за неделю. Опять же исходим из стартовой массы в 10 млрд. т.

Ускорение корабля составит 1,7·10² м/с², расход вещества на энергетические цели — 10 тыс. т/с, мощность в начале полета — 5·10¹⁷ кВт. Эта мощность в 8,4·10³ раз превосходит мощность поступающего на Землю солнечного излучения.

Космическим кораблям такого типа присуще одно драматическое противоречие: сокращение времени разгона влечет за собою возрастание необходимой мощности и увеличение нагрузок на конструктивные элементы. Последние приходится: усиливать, а это, в свою очередь, приводит к увеличению массы корабля, а следовательно, и мощности двигателей.

Выйти из порочного круга поможет гравитационная катапульта — гипотетическое устройство для запуска межзвездных кораблей. Она, видимо, появится, когда наука и техника справятся с проблемой создания искусственных гравитационных полей. Хотя для уровня техники нашего времени такая катапульта выглядит фантастичной вдвойне, но принципиальных запретов на ее создание нет.

С помощью катапульты корабль почти мгновенно ускоряется мощным локальным искусственным гравитационным полем. В крейсерском полете такой корабль расходует энергию лишь на корректировку траектории. На финише он улавливается тоже гравитационной катапультой, почти мгновенно гасящей его скорость. При сохранении величины полезного груза общая масса такого корабля может быть (за счет отказа от больших запасов топлива) уменьшена в несколько раз. Далее, поскольку ускоряющее и тормозящее гравитационные поля равномерно действуют на все части корабля (ведь эти поля всепроникающие), то в его корпусе не возникает напряжений, и потому снижаются требования к его жесткости. Это позволяет дополнительно облегчить корабль, а следовательно, и снизить общий расход энергии.

Исходные данные проекта: длина катапульты (своеобразный «колодец» в планетном теле) — 100 км; конечная скорость корабля при выходе из катапульты — 105 км/с; время ускорения — 5·10^—3с; КПД превращения некоторого вида энергии в энергию гравитационного поля и его реализации в энергию движения корабля — 0,2; масса корабля — 1 млрд. т.

Средняя мощность, развиваемая катапультой в процессе ускорения, будет равна 10²⁵ кВт, то есть больше чем в 20 раз превосходит мощность излучения нашего светила.

Одной из проблем, возникающих на пути мысленной реализации катапультирования космических кораблей, является проблема опоры. Достаточно сказать, что длящееся 5·10^—3 с давление (сила реакции) на опору всего лишь в тридцать раз уступает «весу» Луны.

Если распределить давление на площадь в 1 км², то на каждый квадратный сантиметр придется давление в 1 млн. т (1 млрд. атм). При этом катапульта просто провалится в недра планеты с легкостью, с какою игла входит в вату. Если распределить силу реакции на площадь в 100 км² и одновременно снизить вес корабля до 1 млн. т, то давление снизится до 2,3 тыс. атм. Это тоже выше того, что могут выдержать скальные породы. И лишь корабль в сотни тонн можно будет катапультировать без разрушения опоры. Но и в этом случае никакой из известных в настоящее время конструкционных материалов не способен выдержать нагрузки, испытываемые самой катапультой. Итак, практическая реализация проекта гравитационной катапульты органично связана с созданием конструкционных материалов, в миллиарды раз прочнее современных.