Введение

Гипотетическое путешествие между звездами или планетарными системами

Межзвездные путешествия – это гипотетическое перемещение космических аппаратов из одной звездной системы, одиночной звезды или планетарной системы в другую. Ожидается, что межзвездные путешествия окажутся гораздо сложнее межпланетных полетов из-за огромной разницы в масштабах расстояний. В то время как расстояние между любыми двумя планетами в Солнечной системе составляет менее 55 астрономических единиц (АЕ), звезды обычно разделены сотнями тысяч АЕ, поэтому эти расстояния чаще выражаются в световых годах. Из-за огромности этих расстояний, межзвездные путешествия, основанные на известных физических принципах, потребовали бы достижения скорости, близкой к скорости света; даже в этом случае время путешествия было бы долгим – по крайней мере, десятилетия, а возможно, тысячелетия или даже больше. По состоянию на 2024 год пять беспилотных космических аппаратов, все запущенные и управляемые Соединенными Штатами, достигли первой космической скорости, необходимой для покидания Солнечной системы в рамках миссий по исследованию внешних областей. Следовательно, они будут продолжать путешествовать в межзвездном пространстве неопределенно долго. Однако они не подойдут к другой звезде в течение сотен тысяч лет, задолго после прекращения своей работы (хотя теоретически «Золотая пластинка «Вояджера» будет воспроизводима в случае обнаружения космического аппарата внеземной цивилизацией). Скорости, необходимые для межзвездных путешествий в течение жизни человека, значительно превышают возможности современных методов космических полетов. Даже при гипотетически идеально эффективной двигательной установке кинетическая энергия, соответствующая таким скоростям, была бы огромной по нынешним меркам развития энергетики. Кроме того, столкновения космических аппаратов с космической пылью и газом на таких скоростях были бы крайне опасны как для пассажиров, так и для самого аппарата. Человечеству предстоит преодолеть значительные технологические и экономические трудности для осуществления пилотируемых или беспилотных межзвездных путешествий. Даже самые оптимистичные прогнозы указывают на то, что для достижения этой цели потребуются десятилетия. Однако, несмотря на эти трудности, ожидается широкий спектр научных преимуществ, если межзвездные путешествия станут реальностью. Большинство концепций межзвездных путешествий требуют развитой космической логистической системы, способной перемещать миллионы тонн грузов к месту строительства/эксплуатации, и большинство из них потребуют энергоснабжения в гигаваттном масштабе для строительства или функционирования (например, концепции Star Wisp или Light Sail). Такая система могла бы развиваться органически, если космическая солнечная энергетика станет значимой частью энергетического баланса Земли. Потребительский спрос на многотераваттную систему создаст необходимую многомиллионную тонно-летнюю логистическую систему.

Межзвездные расстояния

Расстояния между планетами в Солнечной системе часто измеряются в астрономических единицах (АЕ), определяемых как среднее расстояние между Солнцем и Землей. Венера, ближайшая к Земле планета (при ближайшем подходе), находится на расстоянии 0,28 АЕ. Нептун, самая дальняя планета от Солнца, находится в 29,8 а.е. По состоянию на 20 января 2023 года «Вояджер-1», самый дальний от Земли объект, созданный человеком, находится на расстоянии 163 а.е. от Земли, покидая Солнечную систему со скоростью 17 км/с (0,006% скорости света). Ближайшая известная звезда, Проксима Центавра, находится примерно в 9 000 раз дальше, чем Нептун.

Расстояние объекта (AU) Время света
Луна 0,0026 1,3 секунды
Солнце 1 8 минут
Венера (ближайшая планета) 0,28 2,4 минуты
Нептун (дальнейшая планета) 29,8 4,1 часа
Вояджер-2 136,1 18,9 часов
Вояджер-1 163,0 22,6 часа
Проксима Центавра (ближайшая звезда и экзопланета) 268 332 4,24 года

Из-за этого расстояния между звездами обычно выражаются в световых годах (определяемых как расстояние, которое свет проходит в вакууме в течение одного юлианского года) или в парсеках (один парсек равен 3,26 светового года, это расстояние, на котором звездный параллакс составляет ровно одну дуговую секунду, отсюда и название). Свет в вакууме движется около км в секунду, поэтому 1 световой год – это примерно или АЕ. Следовательно, Проксима Центавра находится примерно в 4,243 световых годах от Земли. Другой способ понять огромность межзвездных расстояний – это масштабирование: одну из ближайших к Солнцу звезд, Альфу Центавра А (звезду, похожую на Солнце, которая является одним из двух спутников Проксимы Центавра), можно представить, уменьшив расстояние Земля-Солнце до . В этом масштабе расстояние до Альфы Центавра А составит .

Самый быстрый из отправленных космических аппаратов, «Вояджер-1», преодолел 1/390 светового года за 46 лет и в настоящее время движется со скоростью 1/17 600 скорости света. При такой скорости путешествие к Проксиме Центавра займет 75 000 лет.

Необходимая энергия

Важным фактором, способствующим этой трудности, является энергия, которую необходимо затратить для достижения разумного времени в пути. Нижняя граница требуемой энергии – кинетическая энергия, где – конечная масса. Если замедление при прибытии необходимо и не может быть достигнуто иным способом, кроме двигателей корабля, то нижняя граница требуемой энергии удваивается до . Скорость, необходимая для пилотируемого путешествия туда и обратно к ближайшей звезде за несколько десятилетий, в несколько тысяч раз превышает скорости современных космических аппаратов. Это означает, что из-за члена в формуле кинетической энергии требуется энергия в миллионы раз больше. Для разгона одной тонны до одной десятой скорости света требуется не менее (мировое энергопотребление в 2008 году составило 143 851 тераватт-час), без учета эффективности двигательной установки. Эту энергию необходимо генерировать на борту из запасов топлива, получать из межзвездной среды или передавать на огромные расстояния.

Межзвездная среда

Знание свойств межзвездного газа и пыли, через которые должен пройти космический аппарат, необходимо для проектирования любой межзвездной миссии. Более крупные объекты (например, макроскопические пылевые частицы) встречаются значительно реже, но могут нанести гораздо больший ущерб. Риски столкновения с такими объектами и способы их снижения обсуждались в научной литературе, однако остается много неясностей. Важно также учитывать, что из-за неоднородного распределения межзвездной материи вокруг Солнца эти риски будут различаться в зависимости от траектории полета. Хотя среда высокой плотности может создавать трудности для многих концепций межзвездных путешествий, межзвездные прямоточные воздушно-реактивные двигатели и некоторые предложенные способы торможения межзвездных аппаратов, напротив, выиграют от более плотной межзвездной среды.

Расчет ожидания

Писатель-фантаст и физик Роберт Л. Форвард утверждал, что межзвездную миссию, которую нельзя завершить в течение 50 лет, начинать не стоит. Вместо этого, если цивилизация все еще находится на восходящей кривой скорости двигательных установок и еще не достигла предела, ресурсы следует вкладывать в разработку более совершенной двигательной системы. Это объясняется тем, что медленный космический корабль, скорее всего, будет обогнан более поздней миссией с более продвинутым двигателем (постулат неуклонного устаревания). Этот расчет может оказаться самым важным для конкурирующих культур, населяющих галактику.

Главные цели межзвездных путешествий

Известны 59 звездных систем в пределах 40 световых лет от Солнца, содержащих 81 видимую звезду. Следующие могут рассматриваться как приоритетные цели для межзвездных миссий:

Система Расстояние (св. лет) Примечания Альфа Центавра 4,3 Ближайшая система. Три звезды (G2, K1, M5). Компонент А схож с Солнцем (звезда G2). 24 августа 2016 года было объявлено об открытии экзопланеты размером с Землю (Проксима Центавра b), обращающейся в обитаемой зоне Проксимы Центавра. Звезда Барнарда 6 Небольшой красный карлик M5 с низкой светимостью. Вторая по близости к Солнечной системе. Сириус 8,6 Крупная, очень яркая звезда A1 с белым карликом-компаньоном. Эпсилон Эридани 10,5 Одиночная звезда K2, немного меньше и холоднее Солнца. Имеет два пояса астероидов. Предполагается также наличие у нее газового гиганта (AEgir), возможно, другой, меньшей планеты, и она может обладать планетарной системой, подобной Солнечной. Тау Кита 11,8 Одиночная звезда G8, схожая с Солнцем. Высокая вероятность наличия планетарной системы, подобной Солнечной: текущие данные указывают на четыре планеты, с потенциально двумя в обитаемой зоне. Звезда Люйтена 12,36 Красный карлик M3 с суперземлей Luyten b, обращающейся в обитаемой зоне. Волк 1061 14,1 Волк 1061 c в 1,6 раза больше Земли; она может иметь скалистую поверхность. Также находится в "зоне Златовласки", где возможно существование жидкой воды. Gliese 667C 23,7 Система, состоящая как минимум из двух планет, с суперземлей, расположенной в зоне вокруг звезды, где может существовать жидкая вода, что делает ее потенциальным кандидатом на наличие жизни. Вега 25 Очень молодая система, возможно, находящаяся в процессе формирования планет. TRAPPIST 1 40,7 Система, обладающая семью планетами, подобными Земле, некоторые из которых могут содержать жидкую воду. Это открытие является важным шагом в поиске обитаемой планеты и планеты, способной поддерживать жизнь. Существующие астрономические технологии позволяют обнаруживать планетарные системы вокруг этих объектов, повышая их потенциал для исследования.

Медленные, беспилотные зонды

"Медленные" межзвездные миссии (всё ещё быстрые по другим меркам), основанные на существующих и разрабатываемых в ближайшем будущем технологиях двигательных установок, предполагают время в пути от нескольких десятилетий до тысяч лет. Эти миссии заключаются в отправке роботизированского зонда к ближайшей звезде для исследования, подобно межпланетным зондам, таким как использованные в программе "Вояджер". Отсутствие экипажа значительно снижает стоимость и сложность миссии, а также массу, которую необходимо разогнать, хотя долговечность технологий остаётся важной проблемой наряду с достижением разумной скорости полёта. К предложенным концепциям относятся проекты Daedalus, Icarus, Dragonfly, Longshot, а также более новый проект Breakthrough Starshot.

Нанозонды

В ближайшем будущем может стать возможным создание нанокосмических аппаратов, движущихся со скоростью, близкой к световой, на базе существующей микрочиповой технологии и с использованием недавно разработанного нанодвигателя. Исследователи из Мичиганского университета разрабатывают двигатели, использующие наночастицы в качестве рабочего тела. Их технология называется "двигатель полевой экстракции наночастиц", или nanoFET. Эти устройства работают как миниатюрные ускорители частиц, выбрасывающие в космос проводящие наночастицы. Теоретический физик Мичио Каку предложил отправлять к звёздам облака "умной пыли", что может стать возможным благодаря прогрессу в нанотехнологиях. Каку также отмечает, что потребуется отправлять большое количество нанозондов, поскольку очень маленькие зонды уязвимы и легко отклоняются магнитными полями, микрометеоритами и другими опасностями, чтобы гарантировать, что хотя бы один нанозонд переживёт путешествие и достигнет цели. В качестве более близкой по срокам реализации задачи, в рамках проекта Dragonfly были предложены небольшие межзвездные зонды с лазерной тягой, основанные на современной технологии CubeSat. Их можно отличить по тому, в каком "состоянии" на борту аппарата осуществляется транспортировка людей.

Корабли генерации

Корабль поколения (или мировой корабль) — это тип межзвездного ковчега, в котором экипаж, достигший пункта назначения, является потомком тех, кто начал путешествие. Корабли поколения в настоящее время не представляются возможными из-за сложности создания судна огромного необходимого масштаба и значительных биологических и социологических проблем, связанных с жизнью на борту такого судна.

Приостановленная анимация

Ученые и писатели выдвигали различные теории о технике приостановленной анимации. К ним относятся человеческая гибернация и криоконсервация. Хотя ни одна из них пока не является осуществимой, они открывают возможность создания кораблей-ковчегов, в которых пассажиры пребывают в состоянии покоя на протяжении всего длительного путешествия.

Замороженные эмбрионы

Другой теоретической возможностью является межзвездная миссия с роботами, перевозящими некоторое количество замороженных эмбрионов человека на ранних стадиях развития. Этот метод колонизации космоса требует, в частности, разработки искусственной матки, предварительного обнаружения пригодной для жизни планеты земного типа, а также прогресса в области полностью автономных мобильных роботов и роботов-воспитателей, которые могли бы заменить человеческих родителей.

Остров, перемещающийся в межзвездном пространстве.

Межзвездное пространство не совсем пусто; оно содержит триллионы ледяных тел, от небольших астероидов (облако Оорта) до потенциальных блуждающих планет. Могут существовать способы использовать эти ресурсы на протяжении большей части межзвездного путешествия, постепенно перелетая с тела на тело или создавая промежуточные станции по пути.

Быстрые, экипажные миссии

Если бы космический корабль мог поддерживать среднюю скорость в 10 процентов скорости света (и замедляться у пункта назначения для пилотируемых миссий), этого было бы достаточно, чтобы достичь Проксимы Центавра за сорок лет. Предложено несколько концепций двигательных установок, которые потенциально могут быть разработаны для достижения этой цели (см. § Движение ниже), но ни одна из них не готова к реализации в ближайшие несколько десятилетий по приемлемой цене.

Расширение времени

Физики обычно считают, что путешествие быстрее света невозможно. Релятивистское замедление времени позволяет путешественнику испытывать время медленнее, чем ближе его скорость к скорости света. Это кажущееся замедление становится заметным при достижении скоростей, превышающих 80% скорости света. Часы на борту межзвездного корабля будут идти медленнее, чем земные часы, поэтому, если двигатели корабля способны непрерывно создавать ускорение около 1 g (что комфортно для человека), корабль сможет достичь почти любой точки в галактике и вернуться на Землю в течение 40 лет по времени корабля (см. диаграмму). По возвращении будет разница между временем, прошедшим на корабле астронавта, и временем, прошедшим на Земле. Например, космический корабль может отправиться к звезде, находящейся на расстоянии 32 световых лет, первоначально ускоряясь с постоянным ускорением 1,03 g (т.е. 10,1 м/с²) в течение 1,32 года (по времени корабля), затем выключив двигатели и двигаясь по инерции следующие 17,3 года (по времени корабля) с постоянной скоростью, после чего снова замедляясь в течение 1,32 года (по времени корабля) и останавливаясь в пункте назначения. После короткого визита астронавт может вернуться на Землю тем же путем. После полного кругового путешествия часы на борту корабля покажут, что прошло 40 лет, но по земным часам корабль вернется через 76 лет после старта. С точки зрения астронавта, бортовые часы идут нормально. Звезда впереди, кажется, приближается со скоростью 0,87 световых лет в год по времени корабля. Вселенная, по-видимому, сжимается вдоль направления движения до половины своего размера, когда корабль находился в состоянии покоя; расстояние между этой звездой и Солнцем, по мнению астронавта, составляет 16 световых лет. При более высоких скоростях время на борту будет идти еще медленнее, поэтому астронавт сможет добраться до центра Млечного Пути (30 000 световых лет от Земли) и обратно за 40 лет по времени корабля. Но скорость по земным часам всегда будет меньше 1 светового года в год, поэтому, вернувшись домой, астронавт обнаружит, что на Земле прошло более 60 тысяч лет.

Постоянное ускорение

Независимо от способа реализации, двигательная система, способная обеспечивать непрерывное ускорение от старта до прибытия, была бы самым быстрым способом передвижения. Путешествие с постоянным ускорением подразумевает, что двигательная система разгоняет корабль с постоянной скоростью в течение первой половины пути, а затем замедляет его во второй половине, чтобы он прибыл в пункт назначения, будучи неподвижным относительно точки отправления. Если бы это осуществлялось с ускорением, сопоставимым с земным, это имело бы дополнительное преимущество – создание искусственной "гравитации" для экипажа. Однако, обеспечение требуемой энергии с использованием современных технологий было бы непомерно дорогостоящим. С точки зрения планетарного наблюдателя, корабль поначалу будет ускоряться равномерно, но затем все более медленно по мере приближения к скорости света (которую он не может превысить). Он будет двигаться по гиперболической траектории. Корабль достигнет скорости, близкой к скорости света, примерно через год ускорения и будет поддерживать ее до начала торможения в конце пути. С точки зрения наблюдателя на борту, экипаж будет ощущать гравитационное поле, направленное противоположно ускорению двигателя, а вселенная впереди будет казаться падающей в этом поле, также двигаясь по гиперболической траектории. В результате этого расстояния между объектами в направлении движения корабля будут постепенно сокращаться, пока корабль не начнет замедляться, после чего ощущения наблюдателя от гравитационного поля изменятся на противоположные. Когда корабль достигнет пункта назначения и обменяется сообщением с планетой отправления, он обнаружит, что на борту прошло меньше времени, чем у планетарного наблюдателя, из-за замедления времени и сокращения длины. В итоге, экипаж совершит впечатляюще быстрое путешествие.

Концепции ракеты

Все концепции ракет ограничены уравнением Циолковского, которое определяет доступную характеристическую скорость как функцию скорости истечения рабочего тела и массового коэффициента – отношения начальной (M0, включая топливо) массы к конечной (M1, после выработки топлива) массе. Для достижения межзвездных целей в течение менее столетия требуется очень высокая удельная мощность, то есть отношение тяги к общей массе аппарата. Некоторое теплообмен неизбежно приводит к экстремальной тепловой нагрузке. Таким образом, для межзвездных ракетных концепций любой технологии ключевой (хотя и редко обсуждаемой) инженерной задачей является ограничение передачи тепла от выхлопной струи обратно к аппарату.

Ионный двигатель

Тип электрической двигательной установки, такой как космический аппарат "Рассвет", использует ионный двигатель. В ионном двигателе электрическая энергия используется для создания заряженных частиц рабочего тела, обычно газа ксенона, и их разгона до чрезвычайно высоких скоростей. Скорость истечения реактивной струи в обычных ракетных двигателях ограничена примерно 5 км/с химической энергией, заключенной в молекулярных связях топлива. Они создают высокую тягу (около 106 Н), но имеют низкий удельный импульс, что ограничивает их максимальную скорость. В отличие от них, ионные двигатели обладают низкой тягой, но теоретически их максимальная скорость ограничена лишь доступной на космическом аппарате электрической мощностью и скоростью разгона газовых ионов. Скорость истечения заряженных частиц составляет от 15 до 35 км/с.

Электродетальные

Ядерные электрические или плазменные двигатели, работающие длительное время при низкой тяге и питаемые от ядерных реакторов, способны достигать скоростей, значительно превышающих скорости химических двигателей или ядерных тепловых ракет. Такие аппараты, вероятно, обладают потенциалом для исследования Солнечной системы за разумные сроки в пределах текущего столетия. Из-за их малой тяги они будут ограничены операциями за пределами планеты, в дальнем космосе. Космическая двигательная установка, работающая на электричестве от портативного источника энергии, например, ядерного реактора, создающая лишь небольшое ускорение, потребует столетий для достижения, например, 15% скорости света, что делает ее непригодной для межзвездных полетов в течение жизни одного человека.

Фрагмент деления

Ракеты на осколках деления используют ядерное деление для создания высокоскоростных струй осколков деления, которые выбрасываются со скоростью до определенного значения. При делении энергия, выделяющаяся составляет примерно 0,1% от полной энергии массы топлива реактора, что ограничивает эффективную скорость истечения до 5% от скорости света. Для достижения максимальной скорости реакционная масса должна оптимально состоять из продуктов деления – "золы" первичного источника энергии, что позволяет не учитывать дополнительную реакционную массу при расчете массового соотношения.

Ядерный импульс

На основе работ, проведённых в конце 1950-х – начале 1960-х годов, технически стало возможным создание космических кораблей с ядерными импульсными двигателями, то есть приводимыми в движение серией ядерных взрывов. Эта система движения обладает потенциалом очень высокого удельного импульса и высокой удельной мощности. Член команды проекта "Орион" Фриман Дайсон в 1968 году предложил межзвёздный космический корабль с ядерным импульсным двигателем, использующий детонации чистого дейтерия с очень высокой долей выгорания топлива. Он вычислил скорость истечения газов в 15 000 км/с и космический аппарат массой 100 000 тонн, способный достичь дельта-v в 20 000 км/с, что обеспечит время полёта до Альфы Центавра в 130 лет. Последующие исследования показали, что максимальная крейсерская скорость, которую теоретически может достичь звездолёт "Орион" с термоядерным блоком Теллер-Улама, при условии, что топливо не экономится для торможения, составляет около 8–10% от скорости света (0,08–0,1 c). Атомный (делящийся) "Орион" может достичь, возможно, 3–5% от скорости света. Звездолёт с ядерным импульсным двигателем, работающим на ядерных импульсных установках, катализируемых синтезом антиматерии, также будет находиться в диапазоне 10%, а ракеты на чистой аннигиляции материи и антиматерии теоретически смогут достичь скорости от 50% до 80% от скорости света. В каждом случае экономия топлива для торможения уменьшает максимальную скорость вдвое. Рассматривалась концепция использования магнитного паруса для замедления космического корабля при приближении к пункту назначения в качестве альтернативы использованию топлива, что позволило бы кораблю двигаться близко к максимальной теоретической скорости. Альтернативные проекты, использующие подобные принципы, включают проекты Longshot, Daedalus и Mini Mag Orion. Принцип внешнего ядерного импульсного движения для максимизации выживаемой мощности остаётся распространённым среди серьёзных концепций межзвёздных полётов без внешней передачи энергии и для высокопроизводительных межпланетных полётов. В 1970-х годах концепция ядерного импульсного движения была дополнительно усовершенствована проектом Daedalus за счёт использования внешне инициированного инерциального термоядерного синтеза с удержанием, в этом случае создавая взрывы синтеза путём сжатия топливных гранул с помощью мощных электронных пучков. С тех пор для создания ядерных импульсов в целях движения предлагались лазеры, ионные пучки, пучки нейтральных частиц и гиперкинетические снаряды. Текущим препятствием для разработки любого космического аппарата, работающего на ядерных взрывах, является Договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия 1963 года, который включает запрет на взрыв любых ядерных устройств (даже не являющихся оружием) в космическом пространстве. Следовательно, этот договор потребуется пересмотреть, хотя проект масштаба межзвёздной миссии с использованием технологий, которые можно предвидеть в настоящее время, вероятно, потребует международного сотрудничества, по крайней мере, в масштабах Международной космической станции. Ещё одним вопросом, который необходимо учитывать, являются перегрузки, воздействующие на быстро ускоряющийся космический корабль, груз и пассажиров внутри (см. нейтрализация инерции).

Ракеты ядерного синтеза

Ракетные корабли, работающие на реакциях ядерного синтеза, теоретически должны быть способны достигать скоростей порядка 10% от скорости света, исходя только из энергетических соображений. В теории, использование большого количества ступеней может разогнать аппарат до скорости, сколь угодно близкой к скорости света. Команда из Исследовательского центра Гленна НАСА описала проект, разработанный и оптимизированный для пилотируемых исследований Солнечной системы, основанный на реакции D-³He, но использующий водород в качестве рабочего тела. Он достигает характеристических скоростей более 300 км/с при ускорении около 1,7 × 10⁻³ g, с начальной массой корабля около 1700 тонн и долей полезной нагрузки свыше 10%. Хотя эти показатели пока еще значительно ниже требований для межзвездных путешествий в масштабах человеческой жизни, данное исследование представляется разумным ориентиром для того, чего можно достичь в течение нескольких десятилетий, что не является невозможным с учетом текущего уровня развития технологий. Основываясь на 2,2%-й доле выгорания топлива, концепция позволяет достичь скорости выхлопных продуктов реакции синтеза около 3000 км/с.

Антиматериальные ракеты

Антиматериальная ракета обладала бы значительно более высокой плотностью энергии и удельным импульсом, чем любой другой предлагаемый тип ракеты. Если бы удалось безопасно использовать её, теоретически можно было бы достичь скоростей в несколько десятков процентов от скорости света. Предполагая, что производство и хранение антиматерии станут осуществимыми, необходимо учитывать еще два момента. Во-первых, при аннигиляции антиматерии большая часть энергии рассеивается в виде высокоэнергетичного гамма-излучения, и особенно в виде нейтрино, поэтому лишь около 40% от mc² фактически будет доступно, если антиматерия будет просто аннигилировать, преобразуясь в тепловое излучение.

Ракеты с внешним источником энергии

Ракеты, получающие энергию из внешних источников, таких как лазер, могут заменить свой внутренний источник энергии на коллектор энергии, что потенциально значительно уменьшит массу корабля и позволит достичь гораздо более высоких скоростей. Джеффри А. Лэндис предложил межзвездный зонд, приводимый в движение ионным двигателем, питаемым энергией, передаваемой ему с наземной лазерной станции. Ленард и Эндрюс предложили использовать наземную лазерную станцию для разгона ядерных топливных шариков к космическому аппарату Mini Mag Orion, который воспламеняет их для создания тяги.

Неракетные концепции

Проблема всех традиционных методов ракетного движения заключается в том, что космическому аппарату необходимо нести топливо с собой, что значительно увеличивает его массу, согласно уравнению Циолковского. Ряд концепций направлен на решение этой проблемы:

Рентгеновский резонансный двигатель

Радиочастотный резонансный полостной двигатель — это устройство, которое заявляется как двигатель для космического аппарата. В 2016 году лаборатория передовых исследований двигательных установок НАСА сообщила о наблюдении небольшой кажущейся тяги в одном из таких испытаний, результат которого с тех пор не был повторен. Одна из конструкций называется EMDrive. В декабре 2002 года компания Satellite Propulsion Research Ltd описала рабочий прототип с заявленной общей тягой около 0,02 ньютона, работающий от полостного магнитрона мощностью 850 Вт. Устройство могло работать всего несколько десятков секунд, прежде чем магнитрон выходил из строя из-за перегрева. Последние испытания EMDrive показали, что он не работает.

Шпионовый двигатель

Предложенная в 2019 году ученым NASA доктором Дэвидом Бернсом, концепция спирального двигателя предполагает использование ускорителя частиц для разгона частиц до скоростей, близких к скорости света. Поскольку частицы, движущиеся с такими скоростями, увеличивают свою массу, считается, что это изменение массы может создавать тягу. По словам Бернса, космический аппарат теоретически мог бы достичь 99% скорости света.

Межзвездные реактивные самолеты

В 1960 году Роберт Буссар предложил реактивный двигатель Буссарда – ракету термоядерного синтеза, в которой огромный вход собирал бы разреженный водород в межзвездном пространстве, "сжигал" его в процессе полета, используя протон-протонную цепную реакцию, и выбрасывал бы продукты реакции назад. Последующие расчеты с более точными оценками показали, что создаваемая тяга была бы меньше сопротивления, возникающего при любой мыслимой конструкции входа. Тем не менее, идея привлекательна, поскольку топливо собиралось бы в пути (в соответствии с концепцией накопления энергии), что теоретически позволило бы кораблю разогнаться до скорости, близкой к скорости света. Ограничение связано с тем, что реакция может ускорить рабочее тело лишь до 0,12c. Таким образом, сопротивление, возникающее при захвате межзвездной пыли, и тяга, необходимая для ускорения этой же пыли до 0,12c, будут равны при скорости 0,12c, что препятствует дальнейшему ускорению.

Двигательная установка с лучами

Световой парус или магнитный парус, приводимый в движение мощным лазером или ускорителем частиц в родной звездной системе, потенциально может достигать даже больших скоростей, чем ракетные или импульсные двигатели, поскольку ему не потребуется нести собственную реактивную массу и, следовательно, необходимо будет только ускорять полезную нагрузку аппарата. Роберт Л. Форвард предложил способ замедления межзвездного аппарата с световым парусом диаметром 100 км в звездной системе назначения без необходимости размещения в этой системе лазерной установки. В этой схеме вторичный парус диаметром 30 км разворачивается в задней части космического аппарата, а большой основной парус отсоединяется от аппарата, чтобы продолжать движение самостоятельно. Свет отражается от большого основного паруса на вторичный, который используется для замедления вторичного паруса и полезной нагрузки космического аппарата. В 2002 году Джеффри А. Лэндис из Исследовательского центра Гленна NASA также предложил парусный корабль с лазерным приводом, оснащенный алмазным парусом (толщиной в несколько нанометров), работающим на солнечной энергии. Согласно этому предложению, теоретически этот межзвездный корабль сможет достичь скорости, составляющей 10% от скорости света. Также было предложено использовать направленный энергетический привод для ускорения космического аппарата и электромагнитный привод для его замедления, тем самым устраняя проблему, с которой сталкивается рама-реактор Буссарда из-за сопротивления, возникающего при ускорении. Магнитный парус также может замедляться в пункте назначения, не завися от запасов топлива или направленного луча в системе назначения, взаимодействуя с плазмой, содержащейся в солнечном ветре звезды назначения и межзвездной среде. В следующей таблице приведены некоторые примеры концепций, использующих направленный лазерный привод, предложенные физиком Робертом Л. Форвардом:

Миссия Мощность лазера Масса аппарата Ускорение Диаметр паруса Максимальная скорость (% от скорости света) 1. Пролет – Альфа Центавра, 40 лет на выходе 65 ГВт 1 т 0,036 g 3,6 км 11% @ 0,17 св. лет 2. Встреча – Альфа Центавра, 41 год на выходе 7200 ГВт 785 т 0,005 g 100 км 21% @ 4,29 св. лет Стадия замедления 26000 ГВт 71 т 0,2 g 30 км 21% @ 4,29 св. лет 3. Экипаж – Эпсилон Эридана, 51 год (включая 5 лет на исследование звездной системы) Выходная стадия 75 000 000 ГВт 78 500 т 0,3 g 1000 км 50% @ 0,4 св. лет Стадия замедления 21 500 000 ГВт 7850 т 0,3 g 320 км 50% @ 10,4 св. лет Стадия возвращения 710 000 ГВт 785 т 0,3 g 100 км 50% @ 10,4 св. лет Стадия замедления 60 000 ГВт 785 т 0,3 g 100 км 50% @ 0,4 св. лет

Топливо для предварительной акселерации

Для достижения времени межзвездного путешествия с разгоном и торможением, укладывающегося в срок человеческой жизни, требуются массовые коэффициенты от 1000 до 1 000 000, даже для ближайших звезд. Этого можно достичь с помощью многоступенчатых аппаратов огромных размеров. Альтернативно, большие линейные ускорители могли бы разгонять топливо для космических аппаратов с ядерными реактивными двигателями, избегая ограничений, накладываемых формулой Циолковского.

Динамический взлет

Было предложено использовать динамическое планирование для путешествий в межзвёздном пространстве.

Передача мыслей с помощью света

Загруженные человеческие умы или ИИ могут передаваться лазерными или радиосигналами со скоростью света. Для этого потребуется приемник в пункте назначения, который сначала необходимо установить, например, людьми, зондами, самовоспроизводящимися машинами (возможно, вместе с ИИ или загруженными умами), или инопланетной цивилизацией (которая может находиться и в другой галактике, возможно, цивилизацией типа Кардашева III).

Искусственная черная дыра

Теоретическая идея, позволяющая осуществить межзвездные путешествия, заключается в приведении в движение звездолета путем создания искусственной черной дыры и использования параболического отражателя для отражения излучения Хокинга. Несмотря на то, что это превосходит современные технологические возможности, звездолет с черной дырой обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими возможными методами. Для того чтобы черная дыра функционировала как источник энергии и двигатель, также необходим способ преобразования излучения Хокинга в энергию и тягу. Один из потенциальных методов предполагает размещение дыры в фокусе параболического отражателя, прикрепленного к кораблю, что создаст тягу вперед. Чуть более простой, но менее эффективный метод заключается в простом поглощении всего гамма-излучения, направленного к передней части корабля, для продвижения его вперед, и выпуске остального излучения назад.

Поездка быстрее света

Ученые и авторы выдвинули ряд гипотез о способах превышения скорости света, но даже самые обоснованные из них носят весьма спекулятивный характер. Также дискуссионным остается вопрос о физической возможности путешествий быстрее света, отчасти из-за проблем с причинностью: путешествие со сверхсветовой скоростью при определенных условиях может позволить перемещение во времени назад в рамках специальной теории относительности. Предлагаемые механизмы для путешествий быстрее света в рамках общей теории относительности требуют существования экзотической материи. Тем не менее, реализация этой концепции потребовала бы включения в конструкцию космического корабля области, содержащей экзотическую материю, или использования гипотетического понятия отрицательной массы. Однако, Cramer и др. утверждают, что подобные червоточины могли образоваться в ранней Вселенной и быть стабилизированными космическими струнами. Общая теория червоточин подробно рассматривается Виссером в книге «Лоренцевы червоточины».

Проект " Гиперион "

Проект "Гиперион" исследовал различные вопросы осуществимости пилотируемых межзвездных путешествий. Его участники продолжают публиковать работы о пилотируемых межзвездных путешествиях в сотрудничестве с Инициативой по межзвездным исследованиям.

Исследования НАСА

НАСА занимается исследованиями межзвездных путешествий с момента своего основания, переводя важные документы на иностранных языках и проводя ранние исследования по применению термоядерного двигателестроения в 1960-х годах и лазерного двигателестроения в 1970-х годах для межзвездных путешествий. В 1994 году НАСА и JPL совместно спонсировали "Семинар по передовой квантовой/теории относительности в двигателестроении" для "установления и использования новых подходов к рассмотрению вопроса о скорости, превышающей скорость света (FTL)". Программа NASA по физике прорывных двигательных технологий (завершена в 2003 финансовом году после 6-летнего исследования стоимостью 1,2 миллиона долларов, поскольку "не предвидится скорых прорывов") выявила некоторые необходимые прорывы для осуществления межзвездных путешествий. Джеффри Лэндис из Исследовательского центра Гленна NASA утверждает, что запуск межзвездного корабля с лазерным парусом может быть возможен в течение 50 лет, используя новые методы космических путешествий. "Я думаю, что в конечном итоге мы это сделаем, это лишь вопрос времени и того, кто этим займется", – сказал Лэндис в интервью. Ракеты слишком медленны для отправки людей в межзвездные миссии. Вместо этого он представляет себе межзвездный корабль с большими парусами, приводимый в движение лазерным светом до примерно одной десятой скорости света. Потребуется около 43 лет, чтобы такой корабль достиг Альфы Центавра, если он пролетит через систему, не останавливаясь. Замедление для остановки в Альфе Центавра может увеличить время в пути до 100 лет, в то время как путешествие без замедления ставит вопрос о проведении достаточно точных и полезных наблюдений и измерений во время пролета.

Исследование "100 лет звездного корабля"

Исследование «100-летний звездолет» (100YSS) было названием годичного проекта, целью которого была оценка характеристик и создание основы для организации, способной реализовать видение «100-летнего звездолета». Симпозиумы, связанные с 100YSS, проводились в период с 2011 по 2015 год. Гарольд («Сонни») Уайт из Космического центра имени Джонсона НАСА является членом Icarus Interstellar, некоммерческого фонда, миссия которого – осуществить межзвездный полет до 2100 года. На встрече 100YSS в 2012 году он доложил об использовании лазера для попытки искривить пространство-время на одну часть на десять миллионов, чтобы способствовать возможности межзвездных путешествий.

Другие конструкции

Проект Орион, межзвездный корабль с человеческим экипажем (1958–1968). Проект Дедалус, беспилотный межзвездный зонд (1973–1978). Starwisp, беспилотный межзвездный зонд (1985). Проект Longshot, беспилотный межзвездный зонд (1987–1988). Звёздное семя/пусковая установка, флот беспилотных межзвездных зондов (1996). Проект "Валькирия", межзвездный корабль с человеческим экипажем (2009). Проект Икар, беспилотный межзвездный зонд (2009–2014). Sun Diver, беспилотный межзвездный зонд. Проект Dragonfly, небольшой лазерный межзвездный зонд (2013–2015). Breakthrough Starshot, флот беспилотных межзвездных зондов, объявленный 12 апреля 2016 года. Solar One, экипажный космический корабль, сочетающий в себе двигательную установку с передачей энергии, электромагнитный двигатель и ядерный двигатель (2020).

Выполнимость

Потребность в энергии делает межзвездные путешествия чрезвычайно сложными. Сообщалось, что на совместной конференции по двигательным установкам в 2008 году ряд экспертов выразили мнение о маловероятности того, что человечество когда-либо сможет исследовать пространства за пределами Солнечной системы. Брайс Н. Кассенти, доцент кафедры инженерных наук в Политехническом институте Ренсселера, заявил, что для отправки зонда к ближайшей звезде потребуется энергия, как минимум в 100 раз превышающая суммарную выработку энергии во всем мире за год. Учитывая многотриллионные затраты на некоторые из предлагаемых технологий, путешественникам может потребоваться до 200 лет, чтобы добраться до наиболее известных пунктов назначения, двигаясь со скоростью, составляющей 20% от скорости света. Более того, по прибытии к месту назначения (независимо от способа передвижения), путешественники не смогут спуститься на поверхность планеты и основать колонию, если атмосфера окажется смертельной. Сама перспектива такого путешествия, чтобы затем провести всю оставшуюся жизнь колонии в герметичной среде обитания, выходя наружу только в скафандре, может исключить многие потенциальные цели из рассмотрения. Движение со скоростью, близкой к скорости света, и столкновение даже с крошечным неподвижным объектом, таким как песчинка, будет иметь фатальные последствия. Например, грамм материи, движущийся со скоростью 90% от скорости света, обладает кинетической энергией, эквивалентной небольшой ядерной бомбе (около 30 кт в тротиловом эквиваленте). Одной из основных проблем является обеспечение достаточного количества бортовых запасных частей и ремонтных средств для столь длительного путешествия, при условии решения всех остальных вопросов и отсутствия доступа ко всем ресурсам, доступным на Земле.

Межзвездные миссии не для человеческой пользы

Исследовательские высокоскоростные миссии к Альфе Центавра, как запланировано в рамках инициативы Breakthrough Starshot, предположительно станут осуществимыми в XXI веке. В качестве альтернативы можно планировать беспилотные медленные крейсерские миссии, для достижения которых потребуются тысячелетия. Эти зонды не будут приносить пользу человечеству в том смысле, что невозможно предвидеть, будут ли на Земле в будущем люди, заинтересованные в получаемых научных данных. Примером может служить миссия "Генезис", целью которой является доставка одноклеточных организмов на обитаемые, но в противном случае безжизненные планеты, в духе направленной панспермии. Относительно медленные крейсерские зонды "Генезис", с типичной скоростью, соответствующей примерно, могут быть заторможены с использованием магнитного паруса. Таким образом, беспилотные миссии, не ориентированные на непосредственную пользу для людей, будут осуществимы.

Открытие планет земного типа

24 августа 2016 года было объявлено об открытии экзопланеты размером с Землю – Проксима Центавра b, обращающейся в обитаемой зоне вокруг Проксимы Центавра, расположенной на расстоянии 4,2 световых года. Это ближайшая известная потенциально обитаемая экзопланета за пределами Солнечной системы. В феврале 2017 года NASA сообщило, что космический телескоп Spitzer обнаружил семь планет размером с Землю в системе TRAPPIST 1, вращающихся вокруг ультрахолодной карликовой звезды в 40 световых годах от Солнечной системы. Три из этих планет надёжно расположены в обитаемой зоне – области вокруг родительской звезды, где на скалистой планете наиболее вероятно наличие жидкой воды. Это открытие установило новый рекорд по числу планет, находящихся в обитаемой зоне, обнаруженных вокруг одной звезды за пределами Солнечной системы. При подходящих атмосферных условиях жидкая вода – ключевой элемент для жизни, как мы её знаем – может существовать на всех семи планетах, однако наибольшая вероятность её наличия – на трёх планетах, расположенных в обитаемой зоне.