Припустимо, Землі кінець. Сонце готове ось-ось вибухнути, до планети наближається астероїд розміром з Техас. Великі міста населені зомбі, а в сільській місцевості фермери посилено садять кукурудзу, тому що інші посіви гинуть. Потрібно терміново залишати планету, але от лихо - в районі Сатурна ніяких червоточини не виявлено, а сверхсветових двигунів з далекої-далекої галактики не завезли. До найближчої зірки - більше чотирьох світлових років. Чи зможе людство досягти її, маючи в своєму розпорядженні сучасними технологіями? Відповідь не така очевидна.

Навряд чи хтось стане стверджувати, що глобальна екологічна катастрофа, яка поставить під загрозу існування всього життя на Землі, може статися лише в кіно. На нашій планеті не раз відбувалися масові вимирання, під час яких гинуло до 90% існуючих видів. Земля переживала періоди глобального заледеніння, стикалася з астероїдами, проходила через сплески вулканічної активності.

Звичайно, навіть під час найстрашніших катастроф життя ніколи не зникала повністю. Але того ж не скажеш про панували на той момент видах, які вимирали, звільняючи дорогу іншим. А хто зараз панівний вид? Ось ось.

Цілком ймовірно, що можливість покинути рідний будинок і відправитися до зірок в пошуках нового зможе коли-небудь врятувати людство. Однак навряд чи варто сподіватися, що якісь космічні благодійники відкриють нам дорогу до зірок. Варто прикинути, якими є наші теоретичні можливості дістатися до зірок своїми силами.

В першу чергу на думку спадають традиційні двигуни на хімічній тязі. На даний момент чотирьом земним апаратам (всі вони були запущені ще в 1970-х) вдалося розвинути третю космічну швидкість, достатню для того, щоб назавжди покинути Сонячну систему.

Найбільш швидкий з них, «Вояджер-1», за минулі з моменту запуску 37 років пішов від Землі на відстань в 130 а.о. (Астрономічних одиниць, тобто 130 відстаней від Землі до Сонця). Щороку апарат долає приблизно 3,5 а.о. Відстань до Альфи Центавра - 4,36 світлових років, або 275 725 а.о. З такою швидкістю апарату потрібно майже 79 тисяч років, щоб дістатися до сусідньої зірки. М'яко кажучи, чекати доведеться довго.

Фото Землі (над стрілочкою) з відстані 6 мільярдів кілометрів, зроблене «Вояджером-1». Це відстань космічний апарат пройшов за 13 років.

Можна знайти спосіб летіти швидше, а можна просто змиритися і летіти кілька тисяч років. Тоді кінцевої точки досягнутий лише далекі нащадки тих, хто відправився в подорож. Саме в цьому полягає ідея так званого корабля поколінь - космічного ковчега, що представляє собою розраховану на тривалу подорож замкнуту екосистему.

У фантастиці є безліч різних сюжетів про кораблях поколінь. Про них писали Гаррі Гаррісон ( «Полонений Всесвіт»), Кліффорд Саймак ( «Покоління, яка досягла мети»), Брайан Олдисс ( «Без зупинки»), з більш сучасних письменників - Бернард Вербер ( «Зоряна метелик»). Досить часто далекі нащадки перших мешканців взагалі забувають про те, звідки вони вилетіли і в чому мета їхньої подорожі. Або навіть починають вважати, що весь існуючий світ зводиться до корабля, як, наприклад, розповідається в романі Роберта Хайнлайна «Пасинки Всесвіту». Інший цікавий сюжет показаний у восьмому епізоді третього сезону класичного «Зоряного шляху», де екіпаж «Ентерпрайза» намагається запобігти зіткненню корабля поколінь, чиї мешканці забули про свою місію, і населеної планети, до якої він прямував.

Плюс корабля поколінь полягає в тому, що цей варіант не потребуватиме принципово нових двигунів. Однак потрібно буде розробити самодостатню екосистему, яка зможе існувати без поставок ззовні протягом багатьох тисяч років. І не варто забувати про те, що люди можуть просто повбивати один одного.

Проведений на початку 1990-х під замкнутим куполом експеримент «Біосфера-2» продемонстрував ряд небезпек, які можуть підстерігати людей при таких подорожах. Це і швидке поділ колективу на кілька угруповань, вороже налаштованих один до одного, і неконтрольоване розмноження шкідників, яке викликало нестачу кисню в повітрі. Навіть звичайний вітер, як виявилося, грає найважливішу роль - без регулярного розгойдування дерева стають крихкими і ламаються.

«Світ під куполом» в проекті «Біосфера-2».

Вирішити багато проблем тривалого польоту допоможе технологія, що занурює людей в тривалий анабіоз. Тоді ні конфлікти не страшні, ні нудьга, та й система життєзабезпечення потрібно мінімальна. Головне - забезпечити її енергією на тривалий термін. Наприклад, за допомогою ядерного реактора.

З темою корабля поколінь пов'язаний вельми цікавий парадокс під назвою Wait Calculation ( «Розрахунковий очікування»), описаний вченим Ендрю Кеннеді. Згідно з цим парадоксу, протягом деякого часу після відправки першого корабля поколінь на Землі можуть бути відкриті нові, більш швидкі способи пересування, що дозволить стартує пізніше кораблям обігнати первинних поселенців. Так що не виключено, що до моменту прибуття пункт призначення вже буде перенаселений далекими нащадками колонізаторів, які вирушили пізніше.

Установки для анабіозу у фільмі «Чужий».

Припустимо, нас не влаштовує, що до зірок долетять нащадки наших нащадків, і ми хочемо самі підставити обличчя променям чужого сонця. В цьому випадку не обійтися без космічного корабля, здатного розігнатися до швидкостей, які доставлять його до сусідньої зірки за час менше одного людського життя. І тут допоможе стара добра ядерна бомба.

Ідея подібного корабля з'явилася ще в кінці 1950-х. Космічний апарат призначався для польотів усередині Сонячної системи, проте його цілком можна було б використовувати і для міжзоряних подорожей. Принцип його роботи такий: за кормою встановлюють потужну броньовану плиту. З космічного апарату в напрямку, протилежному польоту, рівномірно викидаються малопотужні ядерні заряди, які підриваються на невеликому (до 100 метрів) відстані.

Заряди сконструйовані таким чином, щоб більша частина продуктів вибуху спрямована в хвіст космічного корабля. Відбиває плита приймає на себе імпульс і передає його кораблю через систему амортизаторів (без неї перевантаження будуть згубними для екіпажу). Від пошкодження світловий спалахом, потоками гамма-випромінювання і високотемпературної плазмою відображає плиту захищає покриття з графітової мастила, яке заново розпорошується після кожного підриву.

Проект NERVA - приклад ядерного ракетного двигуна.

На перший погляд така схема здається божевільною, але вона цілком життєздатна. Під час одного з ядерних випробувань на атолі Еніветок в 9 метрах від центру вибуху були розміщені покриті графітом сталеві сфери. Після випробування вони були знайдені непошкодженими, що доводить ефективність графітової захисту для корабля. Але підписаний в 1963 році «Договір про заборону випробувань ядерної зброї в атмосфері, космічному просторі й під водою» поставив хрест на цій ідеї.

Артур Кларк хотів оснастити космічний корабель Discovery One з фільму «Космічна одіссея 2001 року» чимось на зразок ядерно-вибухового двигуна. Однак Стенлі Кубрик попросив його відмовитися від ідеї, злякавшись, що глядачі вважатимуть це пародією на його фільм "Доктор Стрейнджлав, або Як я перестав боятися і полюбив атомну бомбу».

«Оріон» розроблявся за часів, коли все людство жило в очікуванні атомної війни.

Схема спрямованого ядерного заряду, який міг би використовуватися в якості паливного елемента для «Оріона».

Яку ж швидкість можна розвинути за допомогою серії ядерних вибухів? Найбільше відомостей існує про проект взриволёта «Оріон», який розроблявся в кінці 1950-х в США за участю вчених Теодора Тейлора і Фрімена Дайсона. 400 000-тонний корабель планувалося розігнати до 3,3% швидкості світла - тоді політ до системи Альфи Центавра тривав би 133 року. Однак, згідно з нинішніми оцінками, подібним способом можна розігнати корабель до 10% швидкості світла. В такому випадку політ триватиме приблизно 45 років, що дозволить екіпажу дожити до прибуття в пункт призначення.

Звичайно, споруда такого корабля - досить недешева справа. За оцінкою Дайсона, на створення «Оріона» було б потрібно приблизно 3 трильйони доларів в сучасних цінах. Але якщо ми дізнаємося, що нашій планеті загрожуватиме глобальна катастрофа, то, ймовірно, саме корабель з ядерно-імпульсним двигуном стане останнім шансом людства на виживання.

Подальшим розвитком ідей «Оріона» став проект безпілотного корабля «Дедал», який розроблявся в 1970-х роках групою вчених з Британського міжпланетного товариства. Дослідники поставили собі за мету спроектувати безпілотний космічний апарат, здатний протягом людського життя досягти однієї з найближчих зірок, провести наукові дослідження і передати на Землю отриману інформацію. Головною умовою дослідження було використання в проекті або існуючих, або передбачуваних найближчим часом технологій.

Метою польоту була обрана знаходиться від нас на відстані 5,91 світлового року зірка Барнарда - в 1970-ті роки вважалося, що навколо цієї зірки обертається кілька планет. Зараз ми знаємо, що в даній системі немає планет. Розробники «Дедала» націлилися на створення двигуна, який міг би доставити корабель до пункту призначення за час, що не перевищує 50 років. У підсумку вони прийшли до ідеї двоступеневого апарату.

«Оріон» послужив прообразом для корабля з міні-серіалу Ascension.

Необхідне прискорення забезпечувала серія малопотужних ядерних вибухів, що відбуваються всередині спеціальної рухової установки. В якості палива використовувалися мікроскопічні гранули з суміші дейтерію з гелієм-3, опромінюються потоком високоенергетичних електронів. Згідно з проектом, в двигуні мало відбуватися до 250 вибухів в секунду. Соплом служило потужне магнітне поле, створюване силовими установками корабля.

За планом перший ступінь корабля працювала протягом двох років, розганяючи корабель до 7% швидкості світла. Після цього «Дедал» скидав відпрацьовану рухову установку, позбавляючись від більшої частини своєї маси, і запускав другу сходинку, яка дозволяла йому розігнатися до остаточної швидкості в 12,2% швидкості світла. Це дозволило б досягти зірки Барнарда через 49 років після запуску. Ще 6 років пішло б на передачу сигналу на Землю.

Повна маса «Дедала» становила 54 тисячі тонн, з яких 50 тисяч припадало на термоядерна пальне. Однак передбачуваний гелій-3 надзвичайно рідко зустрічається на Землі - зате його повно в атмосферах газових гігантів. Тому автори проекту сподівалися здобути гелій-3 на Юпітері за допомогою «плаваючого» в його атмосфері автоматизованого заводу; на весь процес видобутку пішло б приблизно 20 років. На тій же орбіті Юпітера передбачалося здійснити остаточну збірку корабля, який би потім стартував до іншої зоряної системи.

«Дедал» - концепт-арт Британського міжпланетного товариства

Найскладнішим елементом у всій концепції «Дедала» була саме видобуток гелію-3 з атмосфери Юпітера. Для цього потрібно було долетіти до Юпітера (що теж не так-то легко і швидко), заснувати базу на одному з супутників, побудувати завод, десь зберігати паливо ... І це вже не кажучи про потужні радіаційних поясах навколо газового гіганта, які додатково ускладнили б життя техніці і інженерам.

Ще одна проблема полягала в тому, що «Дедал» не мав можливості погасити швидкість і вийти на орбіту зірки Барнарда. Корабель і випущені їм зонди просто б пройшли повз зірки по пролітної траєкторії, подолавши всю систему за кілька днів.

Зараз міжнародна група з двадцяти вчених і інженерів, що діє під егідою Британської міжпланетного спільноти, працює над проектом корабля «Ікар». «Ікар» - своєрідний «рімейк» Дедала, що враховує накопичені за останні 30 років знання і технології. Одне з основних напрямків роботи - пошук інших видів палива, яке можна було б добути і на Землі.

«Ікар» - концепт-арт.

Чи можна розігнати космічний корабель до швидкості світла? Це завдання можна вирішити кількома способами. Найбільш перспективний з них - Анігіляційний двигун на антиматерії. Принцип його дії полягає в наступному: антиматерія подається в робочу камеру, де вона входить в зіткнення із звичайною речовиною, породжуючи керований вибух. Іони, що виникли в процесі вибуху, викидаються через сопло двигуна, створюючи тягу. З усіх можливих двигунів Анігіляційний теоретично дозволяє досягти найбільших швидкостей. Взаємодія матерії і антиматерії вивільняє колосальну кількість енергії, а швидкість витікання які виникають під час цього процесу частинок близька до швидкості світла.

Але тут постає питання видобутку палива. Само по собі антиречовину вже давно перестало бути фантастикою - вченим вперше вдалося синтезувати антіводород ще в 1995 році. Але добути його в достатніх кількостях неможливо. В даний час антиматерію можна отримати лише за допомогою прискорювачів частинок. При цьому кількість створюваного ними речовини вимірюється мізерними частками грамів, а його вартість становить астрономічні суми. На одну мільярдну грама антиречовини вченим з Європейського центру ядерних досліджень (того самого, де створили Великий адронний коллайдер) довелося витратити кілька сотень мільйонів швейцарських франків. З іншого боку, вартість виробництва буде поступово зменшуватися і в майбутньому може досягти куди більш прийнятних значень.

Крім того, доведеться придумати спосіб, що дозволяє зберігати антиречовину - адже при зіткненні зі звичайною матерією воно миттєво анігілюється. Одне з рішень - охолоджувати антиречовину до наднизьких температур і використовувати магнітні пастки, що не дозволяють йому стикатися зі стінками бака. На даний момент рекордний час зберігання антиречовини становить 1000 секунд. Чи не роки, звичайно, але з урахуванням того, що в перший раз антиречовину вдалося утримати лише на 172 мілісекунди, прогрес є.

Прискорювачі часток можуть стати джерелом антиречовини для зорельотів, а також безлічі чуток про прийдешній кінець світу. (Alpinethread / Flickr. CC BY-SA 2.0)

Численні фантастичні фільми привчили нас до того, що дістатися до інших зоряних систем можна куди швидше, ніж за кілька років. Досить увімкнути двигун викривлення або гіперпросторовий привід, відкинутися зручніше в кріслі - і вже через кілька хвилин опинитися на іншому краю галактики. Теорія відносності забороняє подорожі зі швидкостями, що перевищують швидкість світла, але в той же час залишає лазівки, що дозволяють обійти ці обмеження. Якби могли розірвати або розтягнути простір-час, то змогли б подорожувати швидше за світло, не порушуючи жодних законів.

Розрив простору більш відомий як Кротова нора, або червоточина. Фізично вона являє собою тунель, що зв'язує дві віддалені області простору-часу. Чому б не використати такий тунель для подорожі в дальній космос? Справа в тому, що створення подібної кротячий нори вимагає наявності в різних точках всесвіту двох сингулярностей (це те, що знаходиться за горизонтом подій чорних дір, - фактично гравітація в чистому вигляді), які зможуть розірвати простір-час, створивши тунель, що дозволяє мандрівникам « зрізати »шлях через гіперпростір.

Крім того, для підтримки подібного тунелю в стійкому стані необхідно, щоб він був заповнений екзотичної матерією з негативною енергією, - а існування подібної матерії до сих пір не доведено. У будь-якому випадку, створити Кротова нору під силу лише сверхцивилизации, яка на багато тисяч років буде випереджати нинішню в розвитку і чиї технології з нашої точки зору будуть схожі на диво.

Такий могла б бути Кротова нора на Землі (CorvinZahn / Wikimedia).

Другий, більш доступний варіант - «розтягування» простору. У 1994 році мексиканський фізик-теоретик Мігель Алькубьерре припустив, що можна змінити його геометрію, створивши хвилю, що стискає простір попереду корабля і розширює його ззаду. Таким чином зореліт виявиться в «міхурі» викривленого простору, яке саме буде рухатися швидше за світло, завдяки чому корабель не порушить фундаментальних фізичних принципів. За словами самого Алькубьерре, ідея прийшла йому в голову після перегляду одного з епізодів «Зоряного шляху» .

Правда, сам учений вважав, що реалізувати подібну технологію на практиці буде неможливо, так як для цього буде потрібно колосальна кількість маси-енергії. Перші обчислення давали значення, що перевищують масу всієї існуючої Всесвіту, наступні уточнення зменшили її до «всього лише» юпитерианской.

Мігель Алькубьерре, як і багато вчених, надихався класикою наукової фантастики (Movistar Campus Party México / Flickr)

Але в 2011 році Гарольд Уайт, який очолює дослідницьку групу Eagleworks при NASA, провів розрахунки, які показали, що якщо змінити деякі параметри, то для створення міхура Алькубьерре може знадобитися куди менше енергії, ніж вважалося раніше, і переробляти цілу планету вже не буде потрібно. Зараз група Уайта опрацьовує можливість «міхура Алькубьерре» на практиці.

Якщо у експериментів будуть результати, то це стане першим маленьким кроком до того, щоб створити двигун, що дозволяє подорожувати в 10 разів швидше за швидкість світла. Зрозуміло, космічний апарат, який використовує міхур Алькубьерре, відправиться в подорож через багато десятків, а то і сотень років. Але сама перспектива того, що таке дійсно можливо, вже захоплює дух.

Практично всі пропоновані проекти зорельотів мають один суттєвий недолік: вони важать десятки тисяч тонн, і їх створення вимагає величезного кількість запусків і складальних операцій на орбіті, що збільшує вартість будівлі на порядок. Але якщо людство все ж навчиться отримувати велику кількість антиматерії, у нього з'явиться альтернатива цим громіздким конструкціям.

У 1990-х роках письменник Чарльз Пелегріно і фізик Джим Пауелл запропонували проект зорельота, відомий як «Валькірія». Його можна описати як щось на зразок космічного тягача. Корабель представляє собою в'язку з двох анігіляційних двигунів, з'єднаних між собою надміцним тросом довжиною 20 кілометрів. У центрі зв'язки знаходяться кілька відсіків для екіпажу. Корабель використовує перший двигун, щоб набрати швидкість, близьку до світлової, а другий - щоб погасити її при виході на орбіту навколо зірки. Завдяки використанню троса замість жорсткої конструкції маса корабля становить лише 2100 тонн (для порівняння, маса МКС - 400 тонн), з яких 2000 тонн припадають на двигуни. Теоретично такий корабель може розігнатися до швидкості в 92% від швидкості світла.

Модифікований варіант даного корабля, названий Venture Star, показаний у фільмі «Аватар» (2011), одним з наукових консультантів якого був якраз Чарльз Пелегріно. Venture Star відправляється в подорож, розганяючись за допомогою лазерів і 16-кілометрового сонячного вітрила, після чого гальмує у Альфи Центавра за допомогою двигуна на антиматерії. На зворотному шляху послідовність змінюється. Корабель здатний розігнатися до 70% швидкість світла і долетіти до Альфа Центавра менш ніж за 7 років.

Venture Star у фільмі «Аватар». Що цікаво, майже таку ж назву (тільки без пробілу) носив проект багаторазового космічного корабля, запропонований Lockheed Martin на початку 1990-х.

Як існуючі, так і перспективні ракетні двигуни мають одну проблему - паливо завжди становить більшу частину їх маси на старті. Однак є проекти зорельотів, яким взагалі не потрібно буде брати з собою паливо.

У 1960 році фізик Роберт Бассард запропонував концепцію двигуна, який використовував би знаходиться в міжзоряному просторі водень як пальне для термоядерного двигуна. На жаль, незважаючи на всю привабливість ідеї (водень - найпоширеніший елемент у Всесвіті), у неї є ряд теоретичних проблем, починаючи від способу збору водню і закінчуючи розрахункової максимальною швидкістю, яка навряд чи перевищить 12% швидкості світла. А значить, до системи Альфа Центавра доведеться летіти мінімум півстоліття.

За принципом роботи двигун Бассард схожий з реактивними двигунами, тільки замість повітря він використовує водень.

Інша цікава концепція - застосування сонячного вітрила. Якщо побудувати на земній орбіті або на Місяці величезний надпотужний лазер, то його енергію можна було б використовувати, щоб розігнати оснащений гігантським сонячним вітрилом зореліт до досить великих швидкостей. Правда, за розрахунками інженерів, щоб надати пілотованого корабля масою 78 500 тонн швидкість в половину світловий, буде потрібно сонячне вітрило діаметром в 1000 кілометрів.

Ще одна очевидна проблема зорельота з сонячним вітрилом полягає в тому, що його потрібно якось загальмувати. Одне з її рішень - при підльоті до цілі випустити позаду зорельота другий, менший за розмірами парус. Основний же від'єднатися від корабля і продовжить самостійну подорож.

Двадцятиметровий сонячне вітрило, розроблений NASA.

Міжзоряний подорож - дуже складне і дороге підприємство. Створити корабель, здатний за відносно невеликий термін покрити космічна відстань, - одна з найбільш грандіозних завдань, що стоять перед людством в майбутньому. Звичайно, це зажадає зусиль кількох держав, якщо не всієї планети. Зараз це здається утопією - у урядів занадто багато турбот і занадто багато способів витратити гроші. Політ на Марс в мільйони разів простіше польоту до Альфі Центавра - і тим не менш навряд чи зараз хтось ризикне назвати рік, коли він все ж відбудеться.

Пожвавити роботи в цьому напрямку може або глобальна небезпека, що загрожує всій планеті, або ж створення єдиної планетарної цивілізації, яка зможе подолати внутрішні чвари і захоче покинути свою колиску. Час для цього ще не настав - але це не означає, що воно не прийде ніколи.