3.1 Космічна інженерія - міжзоряні кораблі.

Міжзоряні кораблі: що треба побудувати, щоб долетіти до іншої зорі

Школа Sci Fi

У фантастиці міжзоряний переліт легко звести до одного дієслова: «стрибнули». Корабель зникає біля Землі й з'являється біля чужого сонця. Між цими подіями немає ні палива, ні років, ні тепла, ні людей, які старіють у дорозі.

Автор має право на таке припущення. Але якщо ми хочемо зрозуміти, що випливає з відомої фізики, доведеться поставити незручніше запитання: що саме має зробити корабель, щоб переліт відбувся?

Йому потрібно розігнати певну масу. Пережити дорогу. Знайти ціль, яка за роки змінила положення. Передати звістку додому. А якщо експедиція має не просто пролетіти повз, їй доведеться ще й позбутися майже всієї набраної швидкості.

У цій статті ми не шукатимемо «найкращий двигун» без указання задачі. Порівнюватимемо цілі місії: їхню масу, швидкість, джерело енергії, спосіб гальмування й інфраструктуру. Числа нижче — оцінки порядку величини для перевірки фантастичного задуму, а не креслення готового зорельота.

1. Спочатку місія, потім двигун

Фраза «дістатися іншої зорі» приховує щонайменше чотири різні задачі.

Пролітний зонд має промчати крізь систему, зібрати дані й передати їх. Він може бути крихітним, але час спостережень біля цілі дуже малий. Зонд, що летить із швидкістю 0,2c, долає одну астрономічну одиницю приблизно за 42 хвилини. Планети треба знайти заздалегідь, а роботу приладів спланувати автономно.

Орбітальний дослідник повинен загальмувати, щоб вивчати систему роками. Його наукові можливості значно ширші, зате з'являється друга велика витрата імпульсу. Лише сказати «він прилетів» тут недостатньо.

Корабель із людьми додає вимоги до середовища проживання, медицини, надійності, права й управління. Потрібно знати, скільки триває політ для екіпажу і що відбувається із суспільством за цей час. Слово «гібернація» не вирішує задачу, доки немає механізму, строку зберігання й процедури пробудження.

Автономний виробничий комплекс може доставити до іншої системи машини, інструкції та початковий запас матеріалів, а місцеву інфраструктуру будувати вже після прибуття. Йому не потрібне людське життєзабезпечення, але потрібні розвідка, енергетика, ремонт, контроль помилок і сировина належної якості. Самовідтворення не можна припускати лише тому, що вантаж містить «фабрику»: складність повного виробничого ланцюга набагато більша за складність одного верстата.

Перед вибором двигуна авторові корисно записати п'ять чисел: відстань, суху масу, бажаний час прибуття, швидкість відносно цілі після прибуття і допустимий ризик втрати місії. Якщо хоча б одного немає, порівняння рушійних схем легко перетворюється на змагання красивих назв.

Дорога у світлових роках

Надалі c — швидкість світла у вакуумі, приблизно 300 тисяч км/с. Для першої перевірки знехтуймо часом розгону й гальмування: час рівномірного польоту дорівнює відстані, поділеній на швидкість. Це нижня оцінка для місії з зупинкою.

Для двох відстаней — 4,2 та 10 світлових років — отримаємо:

• 0,01c: приблизно 420 та 1000 років відповідно.
• 0,02c: приблизно 210 та 500 років.
• 0,1c: приблизно 42 та 100 років.
• 0,2c: приблизно 21 та 50 років.
• 0,5c: приблизно 8,4 та 20 років.

Ці числа нічого не кажуть про те, чи можна побудувати корабель. Вони лише показують, який рахунок має закритися. На 0,02c навіть найближча зоря — проєкт кількох поколінь. На 0,2c час стає сумісним з одним людським життям, але енергетика, захист і гальмування різко дорожчають.

Маса — це не тільки вантаж

«Корабель масою одна тонна» може означати тонну на старті або тонну після витрати палива. Різниця вирішальна. Суха маса включає конструкцію, двигун, прилади, захист, радіатори й корисний вантаж. Стартова маса додає робоче тіло, реакторне паливо, витратні матеріали та резерви. Частина допоміжних систем може бути важчою за те, заради чого місію запустили.

Для порівняння концептів треба називати масу на одній і тій самій межі: наприклад, «100 тонн сухої маси після гальмування». Інакше легкий «корабель» у порівнянні може виявитися кораблем, у якого просто не порахували баки.

2. Чотири рахунки, які не обійти навіть із дивовижними технологіями

Міжзоряний політ упирається не в один чарівний показник. Потрібно одночасно звести енергію, імпульс, потужність і тепло. Вони пов'язані, але не взаємозамінні.

Енергія: скільки коштує сама швидкість

За невеликих порівняно зі світлом швидкостей кінетична енергія приблизно дорівнює E = mv²/2. Для швидших польотів коректніше використовувати E = (γ − 1)mc², де γ = 1/√(1 − v²/c²). На 0,1c поправка невелика; на 0,5c нею вже не можна нехтувати.

Для однієї тонни маси, яку треба розігнати з нуля, маємо. ТВт·год — та сама одиниця енергії, що й кВт·год у домашньому лічильнику, тільки одна ТВт·год дорівнює мільярду кВт·год:

• 0,01c: близько 4,5 × 10¹⁵ Дж, або 1,25 ТВт·год.
• 0,02c: близько 1,8 × 10¹⁶ Дж, або 5 ТВт·год.
• 0,1c: близько 4,5 × 10¹⁷ Дж, або 126 ТВт·год.
• 0,2c: близько 1,85 × 10¹⁸ Дж, або 515 ТВт·год.
• 0,5c: близько 1,39 × 10¹⁹ Дж, або 3860 ТВт·год.

Перекладемо середній приклад на звичайні масштаби. Енергії однієї тонни на 0,2c в ідеальному нагрівачі вистачило б, щоб довести приблизно 5,5 мільярда тонн води від 20 °C до температури кипіння. Це 5,5 кубічного кілометра води. Йдеться саме про нагрівання, а не повне випаровування: для перетворення води на пару потрібна додаткова енергія.