Что случилось?

Просто: Российский миллиардер Юрий Мильнер и британский физик Стивен Хокинг сообщили, что приступили к разработке первого беспилотного звездолета.

Сложнее: На пресс-конференции 12 апреля 2016 года российский бизнесмен Юрий Мильнер и британский физик-теоретик Стивен Хокинг рассказали о старте новой программы Breakthrough Starshot с начальным финансированием в 100 миллионов долларов. В рамках программы планируется разработать концепт микроскопического космического аппарата массой 1 грамм с солнечным парусом, который сможет развить скорость около 0,2 скорости света и в течение человеческой жизни добраться до ближайшей соседней звезды — альфы Центавра. Аппарат должен быть оборудован бортовым компьютером, фотонными двигателями коррекции, фотокамерой, источником питания и системой передачи данных — и все это в пределах 1 грамма. Солнечный парус должен обеспечивать движение за счет давления солнечного света, хотя основной импульс предполагается задавать мощным концентрированным пучком лазерных лучей с Земли.

А это вообще реально? Это же очень далеко

Просто: Мы уже сейчас можем отправить аппарат к другим звездам, но мы не доживем до момента, когда он долетит.

Сложнее: В повседневной жизни нам сложно представить реальные космические расстояния. В сравнении с подсчитанным расстоянием в миллионы и миллиарды световых лет до отдаленных галактик и квазаров расстояние в четыре световых года до ближайшей звезды кажется смехотворно малым. В то же время самый быстрый космический аппарат Voyager-1, летящий с фантастической скоростью почти 17 километров в секунду, за почти 40 лет пролетел меньше одних световых суток. Для того чтобы лучше представить космические масштабы, предположим, что диаметр Земли равняется одному миллиметру. В таком случае расстояние до Луны составит три сантиметра, до Солнца — 11 метров, до Плутона — 386 метров, до Voyager-1 — полтора километра. А до альфы Центавра — 3250 километров.

Как разогнаться быстрее Voyager-1?

Просто: Сесть на бочку с термоядерным порохом.

Сложнее: Еще в 60-е годы XX века, когда человечество осознало всю мощь термоядерной реакции, появились проекты, предполагавшие использование этой силы для путешествий в космосе. Концепций было несколько — от довольно примитивных, когда из-под хвоста корабля время от времени вываливаются и подрываются термоядерные бомбы, до более продвинутых версий с поддерживаемой термоядерной реакцией на борту звездолета. Была даже идея прямоточного термоядерного ракетолета с гигантским раструбом для захвата разреженного межзвездного газа. Все эти разработки не покинули чертежных досок и страниц фантастических книг. Сейчас космонавтика идет классическим путем: например, относительно легкий аппарат New Horizons запускался тяжелой ракетой, благодаря чему получил стартовую скорость больше, чем у Voyager.

Есть что-то реальнее термоядерного двигателя и выгоднее ракетного?

Просто: Есть солнечный парус.

Сложнее: Идея солнечного паруса была теоретически обоснована в 20-е годы ХХ века Фридрихом Цандером. Если мы развернем в космосе достаточно широкое и легкое зеркало, то отраженный от него солнечный свет будет сообщать импульс, который позволит разгоняться вплоть до субсветовых скоростей. Такие концепты на основе сверхтонких металлизированных пленок в космосе уже тестировали, но стартовать с таким парусом выгоднее всего от самого Солнца, так как давление света падает по закону обратных квадратов: при удвоении расстояния давление света падает в четыре раза. Солнечный парус часто путают с электрическим парусом, который состоит из положительно заряженных проводов, вытянутых в космосе, на которые оказывает давление отрицательно заряженный солнечный ветер — потоки ионизированной плазмы от Солнца. Да, солнечный парус не использует солнечный ветер — вот такой парадокс космической терминологии. Если использовать электрический парус и солнечный ветер, в теории можно разогнаться до нескольких сотен километров в секунду, но эта технология больше подходит для относительно быстрого достижения отдаленных регионов Солнечной системы. До ближайших звезд лететь все равно придется сотни или тысячи лет.

В чем ноу-хау проекта Мильнера и Хокинга?

Просто: Никакого ноу-хау нет, они берут маленькие спутники с большим парусом и не ждут помощи от Солнца, а стреляют в парус мощной лазерной пушкой с Земли.

Сложнее: Изложенная концепция фактически опирается на технологии, которых нет, но в теории они должны появиться в ближайшие 10 лет. Starshot полагается на закон Мура, рассчитывая, что если 10 лет назад спутники весили тонну, а сейчас один килограмм, то через 10 лет они дойдут до 1 грамма. Толщину пленки для паруса они считают не в долях миллиметра, а в сотнях атомных слоев. Сейчас более-менее реализуемо выглядит только наземная часть с огромным полем самонаводящихся лазеров.

Это сработает?

Просто: В той концепции, что изложена, — нет. Но у проекта есть 20 лет и 100 миллионов долларов, чтобы исправить ошибки.

Сложно: Предположим, авторам проекта удалось создать однограммовые космические аппараты с фотокамерой, фотонными двигателями, радиоизотопным источником питания и десятиметровым мономолекулярным парусом. На Земле размещена мощная лазерная установка, способная разогнать эти микропарусники (а их будет множество) до 60 тысяч километров в секунду за несколько минут. Какие сложности их ждут впереди? Во-первых, такие мощные лазеры в доли секунды спалят наши микропарусники. Если мы ослабим импульс, то по мере удаления от околоземной орбиты лучи будут рассеиваться и давление будет падать. Но это еще можно обойти, если повысить мощность или добавить новые лазерные лучи.

Во-вторых, межпланетная пыль, сталкиваясь на субсветовой скорости с парусом, имеющим большую площадь, сделает из него решето, отклонит от основной траектории, и любая пылинка превратит при встрече суперсовременный однограммовый космический аппарат в межпланетную соринку.

В-третьих, межзвездная пыль тоже существует, хоть мы пока не знаем, сколько ее, но пылевой датчик на New Horizons должен подсказать через несколько лет.

В-четвертых, нельзя забывать о межгалактических космических частицах, которые относятся к самой жесткой форме космической радиации — такая погубила «Фобос-Грунт». В Солнечной системе от них частично прикрывает гелиосфера, а на межзвездных орбитах защиты не будет.

И, наконец, самое главное — если аппарат каким-то чудом достигнет другой звездной системы и произведет фотосъемку, то он не сможет никак передать снимки на Землю. Например, Voyager практически наполовину состоит из трехметровой спутниковой тарелки — и скорость связи с ним 0,1 кбит/с. Учитывая разницу в расстоянии, даже современные телекоммуникационные спутники не обеспечат связи с соседней звездой. Лазер для связи тоже не вариант: энергии потребуется как от нескольких атомных электростанций. Но это не значит, что проект нереальный, пока лишь обозначена цель и предложена концепция решения задачи. На ее решение предлагается отвести 20 лет, к разработке приглашаются лучшие ученые. Проект обещают сделать полностью открытым — с публикуемой документацией и обсуждением на форуме.

А что это вообще за альфа Центавра?

Просто: Ближайшая к Солнцу звезда.

Сложно: Альфа Центавра — это двойная звездная система, которая содержит две звезды, вращающиеся вокруг одного центра масс в масштабе Солнечной системы. К этой двойной системе гравитационно «прицеплен» третий компонент — красный карлик Проксима Центавра, вращающаяся на расстоянии 0,24 светового года. Проксима Центавра немного ближе к Земле, чем альфа, но красный карлик — это неполноценная звезда, поэтому она менее интересна, в отличие от двух солнцеподобных альф Центавра А и В. Пока в этой двойной системе обнаружена лишь одна планета, которая вращается у звезды так близко, что там, скорее всего, нет даже атмосферы, не то что жизни. Предполагают, что в этой системе могут быть еще планеты, которые перепрыгивают от одной звезды ко второй, но пока четкого подтверждения этому нет — и для обитаемости такая резкая смена условий не особо благоприятна.

Зачем тогда лететь?

Просто: Тут два ответа. Во-первых, такие проекты нужны для расширения наших знаний о Вселенной. Во-вторых, мы изучили уже все у себя под носом, пора посмотреть шире.

Сложнее: В 2015 году мы незаметно вступили в новую эру космонавтики — практически закончили осмотр нашей Солнечной системы. Еще мало что известно о далеком поясе Койпера — и еще меньше об Облаке Оорта. И идут разговоры о еще не открытой девятой планете. Но все известные планеты, несколько комет, несколько астероидов и масса спутников планет уже изучены. И результатом этого изучения стало разочарование. Мы не нашли ни марсиан, ни даже развалин их цивилизации с запасами сверхпроизводительного энергоносителя, не встретили динозавров на Венере, не обнаружили на Луне ни одной летающей тарелки после крушения. Оказалось, что Земля — самое комфортное для проживания место, которое по запасам полезных ископаемых не беднее, а кое-где и богаче всех остальных известных планет. Пока еще остается надежда найти каких-нибудь рыб или кальмаров-убийц в океанах Европы или Энцелада (спутников Юпитера и Сатурна), но сейчас мы уже знаем, что в любой точке Солнечной системы без систем жизнедеятельности человек не проживет дольше полуминуты. Получается, мы либо должны смириться с мыслью, что достигли своего предела и можем расселяться только в Сибири и Антарктиде, либо надо идти дальше. И запускать роботов: сначала к альфе Центавра, потом к Глизе 581, тау Кита — и искать вторую Землю, а если повезет, то и ее обитателей.

А вообще, зачем?

Просто: Да потому, что это просто о…фигенно! Корабль в космос: «Вжжжж», ты такой: «Поехали!».

Сложнее: «Зачем?» — задавайте этот вопрос себе каждое утро при первых звуках будильника, и, я уверен, вы согласитесь, что самый достойный ответ будет «Для расширения границ познания, и увеличения возможностей человека и Человечества».

К счастью, отдельные ненормальные представители популяции хотят от космоса больше и хотят двигаться дальше. К примеру, основатель компании SpaceX Илон Маск творит совершенное безумство с точки зрения ракетостроительного бизнеса — создает многоразовые ракеты. 9 апреля 2016 года первая ступень ракеты Falcon 9 успешно вернулась после вывода полезной нагрузки и приземлилась на платформу в океане.

С точки зрения современной ракетостроительной отрасли, многоразовая ракета — это нонсенс. Технически такое сделать вполне реально, но вот бизнес… Сегодня активный оператор ракетных запусков отправляет в космос около 10 ракет в год.

Если завод за месяц выпустил одну многоразовую ракету, то кто будет платить зарплату рабочим, если следующую им сдавать только через год? Это главная ракетостроительная тайна, которая объясняет выгоду одноразовых ракет.

Десятиразовая ракета может быть выгодна ракетостроителю только тогда, когда количество полезной нагрузки — спутников и кораблей — тоже вырастет в десять раз.

Многоразовые ракеты могли бы помочь человечеству активнее осваивать космос, но что там делать? На этот вопрос предложил свой ответ американский ученый Филип Лубин, которого поддержало сначала NASA, а потом британский физик-теоретик Стивен Хокинг и российский бизнесмен Юрий Мильнер.

Стивен Хокинг

Юрий Мильнер

Филип Лубин

О своей инициативе Breakthrough Starshot они объявили 12 апреля 2016 года. Их программа, на которую уже выделено 100 миллионов долларов, предполагает создание космических аппаратов массой один грамм и запуск их на космическом парусе к ближайшим звездам со скоростью 0,2 от скорости света или 60 тысяч км/с. Разгонять аппарат планируется огромным массивом лазеров площадью 10х10 километров. На реализацию отводится 20 лет.

При всем кажущемся сумасшествии инициатива Breakthrough Starshot выглядит достаточно взвешенной и последовательной. Она опирается либо на существующие технологии, либо на те, которые сейчас активно развиваются в нужную сторону. Дорожная карта проекта предполагает поступательное развитие от ранних разработок, позволяющих получить первый опыт, к более сложным, но перспективным технологиям.

Практически каждый элемент программы Breakthrough Starshot представляет собой революционную технологию, переворачивающую всю отрасль. Взять те же космические аппараты массой один грамм, способные противостоять космической радиации, проводить фотосъемку и передавать данные на четыре и более световых года.

Однако наиболее интересна базовая разработка Breakthrough Starshot — лазерная установка DE-STAR 4, основанная на технологии оптических фазированнх решеток. Требуемой мощности — 70 гигаватт — установка достигнет, когда получится построить комплекс площадью 10 на 10 километров из лазеров киловаттного класса. Именно такое циклопическое сооружение будет способно отправить к соседним звездам однограммовое послание с субсветовой скоростью. Авторы проекта подчеркивают, что начать можно и с более скромных размеров: 10х10 метров и 100х100 метров.

В свободное от рассылки межзвездного спама время DE-STAR 4 применима для многих задач в Солнечной системе. К примеру, поможет быстро избавиться от космического мусора вокруг Земли, сумеет эффективно отразить подлетающие опасные астероиды, позволит отправлять исследовательские зонды по всей Солнечной системе. Разработчики приводят весьма интригующие характеристики: 100 кг можно разогнать до 3000 км/с, а 10 тонн — до 1000 км/с. С такими показателями полет до Марса займет пару дней, а рекорд дальности автоматической межпланетной станции Voyager-1 можно будет повторить за 2,5 месяца.

То есть всего одно устройство отменяет все фундаментальные пределы перелетов в космосе, в которые уперлась современная космонавтика.

Может DE-STAR 4 работать и как телескоп. Именно с его помощью планируется общаться с миниатюрными космическими аппаратами за несколько световых лет. По расчетам авторов проекта, оптическая система сможет поймать сигналы одноваттного лазера и поддерживать скорость передачи данных 1 бит/с. С такими возможностями, может, и не придется посылать спутники к ближайшим звездам — мы сможем рассмотреть их и так.

Если задуматься о будущем, то подобные лазерные системы способны решать задачи планетного масштаба. Например, можно облучать грунт Марса, наполняя его атмосферу покинувшими ее газами. Экспериментально доказано, что, если нагреть марсианский грунт до 400 градусов Цельсия, из него будут выделяться углекислый газ, водяной пар, кислород, азот… Земную атмосферу создать не получится, но приблизить физические условия к более комфортным для нас — вполне реально. С Венерой можно проделать обратное: облучая верхние слои атмосферы, через термическую диссипацию разогнать лишние объемы атмосферы и опять-таки приблизить условия к земным — хотя бы в части атмосферного давления. Хотя эта задача скорее для DE-STAR 5 или 6 (100 километров и 1000 километров соответственно).

Для DE-STAR 4 ключевую роль играет место базирования устройства. Теоретически можно застроить лазерными установками какую-нибудь пустыню, застелить все окрестности солнечными батареями или подключить полсотни атомных электростанций. Но земная атмосфера будет поглощать некоторую, хотя и небольшую, часть излучения, что снизит эффективность. Установить двустороннюю связь с соседними звездами тоже не выйдет. В идеале установку потребуется выводить в космос — там ее возможности реализуются в полной мере. И для этого потребуются сотни запусков многоразовых ракет — как раз то, к чему движется Илон Маск.

Есть у DE-STAR 4 еще одна функция, на которой разработчики не акцентируют внимание, хотя и не скрывают, — оборонная. Об угрозе инопланетной колонизации как раз говорил Стивен Хокниг за полгода до презентации проекта Breakthrough Starshot.

Лазерные лучи прочно вошли во все космические оперы, книжные и киношные, но с практической точки зрения выгоднее использовать лазер не напрямую, а для ускорения снарядов. Простая половинка кирпича, летящая со скоростью 0,3 от скорости света имеет запас кинетической энергии в одну мегатонну — это пятьдесят «хиросим». В таком контексте Starshot в названии проекта читается совсем иначе.

Таким образом, рассылая «почтовые марки»-микроспутники по окрестностям Галактики, мы недвусмысленно намекаем потенциальным гостям, что мы мирные исследователи, но уже не безвредные. Да и сами однограммовые космические аппараты, по сути, не только научные инструменты, но и первые межзвездные спутники-шпионы, позволяющие заглянуть в ближайшие звездные системы и оценить степень угрозы для нашей цивилизации. А если угроза обнаружится, то мы уже найдем чем ответить.

Пока же главная угроза для нашей цивилизации — в нас самих. Сможем ли мы когда-нибудь договориться о строительстве подобного межзвездного орудия? Не станет ли начало строительства DE-STAR 4 поводом для взаимных обвинений в агрессии одной страны по отношению к другой? Человечество полвека не может прийти к консенсусу о едином стандарте электрической розетки и вилки, что уж говорить о контроле за «гиперболоидом инженера Лубина»? Так что создание DE-STAR 4 сможет стать аттестатом зрелости самого человеческого вида, независимо от того, существуют ли инопланетяне или мы одиноки в Галактике.

— На чем основана работа солнечного паруса?

— В конце XIX века Джеймс Максвелл открыл уравнения, которые описывают поведение электромагнитных полей, и оказалось, что электромагнитные волны могут передавать некоторый импульс. В начале XX века российский физик Петр Лебедев экспериментально подтвердил, что свет — по природе электромагнитная волна — действительно оказывает давление на поверхности. На этом эффекте как раз и основана идея солнечных парусов, они же световые: в космос запускают аппарат с установленными зеркалами, падающий солнечный свет или свет от лазера с Земли оказывает на них давление и «подталкивает» весь аппарат.

— Эта идея развилась до какого-то реального применения?

— У нас в России эта тема никогда не была в мэйнстриме, а вот на Западе, и особенно в США, ей активно занимались. Например, где-то в середине 60-х американец Роберт Макнил предложил снарядить аппарат под солнечным парусом для изучения кометы Галлея. NASA всесторонне изучило этот проект, хорошо его проработало, но в итоге аппарат в космос не запустило. Дальше этой темой довольно активно занимался ученый по имени Роберт Форвард: он впервые и предложил концепцию разгона паруса с помощью лазера, которую сейчас анонсируют Мильнер и Хокинг в проекте Breakthrough Starshot.

— Аппараты на солнечном парусе уже бывали в космосе?

— Да, конечно. В 1993 году недалеко от станции «Мир» с корабля «Прогресс» развернули большой светоотражающий диск примерно 10 метров в диаметре. Он создавал яркое пятно шириной в несколько километров, которое проходило по территории Европы из Южной Франции в западную часть России. Эксперимент — он назывался «Знамя-2» — был удачным, некоторые наблюдатели на Земле даже увидели этот свет, но в 1997 году проект был свернут после провала следующего опыта под названием «Знамя-2.5» (при раскрытии зеркало зацепилось за антенну «Прогресса» — прим «Чердака»).

Первый солнечный парус на западе был раскрыт в 2010 году — это был космический аппарат Nanosail-D2. Этот парус был очень большим, поэтому его не смогли запустить высоко. В итоге парус сгорел в остаточных слоях атмосферы, но перед этим он успел раскрыться, что даже сняли телескопы с Земли. А уже в прошлом году Planetary Society (неправительственная организация, которая занимается проектами по исследованию космоса — прим «Чердака») запустило новый аппарат LightSail-1, с камерами прямо на борту, благодаря которым мы все наконец в деталях увидели, как солнечный парус раскрывается в космосе.

— Какой аппарат на солнечном парусе удалился дальше всего от Земли или космических станций?

— Это IKAROS, японский аппарат с солнечным парусом габаритами примерно 14 на 14 метров, который сейчас летает где-то между Землей и Венерой. Правда, IKAROS вышел на эту траекторию не сам — его просто отделили с борта другого аппарата, и уже в открытом космосе он раскрылся.
Потом за ним продолжали наблюдать с Земли и показали, что за шесть лет у IKAROS появилась небольшая прибавка к скорости, которую можно объяснить только силой светового давления.

Разница составляет несколько десятков метров в секунду, но это не так мало, учитывая, что масса аппарата около 300 килограммов. Просто изначально его цель была совершенно другая: в космос хотели отправить только некий балансировочный груз, но потом кто-то в Японии прознал, что на Венеру будет запущена болванка в 300 килограммов, и решил на базе этой программы еще проверить раскрытие паруса, чтобы два раза не летать.

— Получается, все аппараты на солнечных парусах сейчас привязаны к Земле, орбитальным станциям или другим экспедициям и самостоятельно летать между планетами или тем более звездами пока не могут?

— Это так — пока в космосе отрабатывали другие технические детали. Надо понимать, что даже процедура раскрытия паруса сама по себе очень сложна: как поведет себя материал в невесомости, как его расправить, чтобы не было складочек, — это все требует дополнительных исследований, которые планируются уже на LightSail2.

Компьютерная модель аппарата IKAROS. Изображение: JAXA

— Насколько я знаю, вы тоже участвуете в подобном проекте?

— Да, он называется Парус-МГТУ, мы начали его делать еще будучи студентами в Бауманке и занимались аппаратом как хобби, а потом решили заявиться через «Роскосмос» настоящим большим космическим проектом. С тех пор мы получаем финансирование и планируем эксперимент по раскрытию паруса во время выхода в открытый космос на МКС.

— Как космонавты будут запускать аппарат?

— Все просто: космонавту нужно направить специальное оборудование в необходимую сторону и нажать на кнопку. Произойдет отстрел маленького космического аппарата, который начнет вращаться и выпустит две длинные ленты по 5-6 метров. Сейчас мы уже на финальных стадиях проработки этого проекта.

Перспективы проекта Хокинга и Мильнера

— О проекте Breakthrough Starshot было что-то известно в профессиональной среде до вчерашней пресс-конференции?

— Нет. Я постоянно отслеживаю новые публикации по солнечным парусам, но об этом проекте слышу первый раз. Во всяком случае, когда два года назад мы ездили на большой симпозиум в Глазго, то там ничего подобного не заявлялось.

— В пресс-релизе заявляются некоторые технические характеристики проекта, например разгон до 20% скорости света за 10 минут и стоимость 100 миллионов долларов на 10 лет. Это реальный план?

— Есть старая притча о том, что девять матерей за один месяц ребенка не родят. Дело здесь не столько финансах, сколько в технологиях... Для того чтобы достигнуть скорости в 1/5 скорости света за 10 минут, нужно ускорение порядка 12000-13000 g, 125 км/c2. Это много. В принципе сейчас уже есть электроника, которая работает при перегрузках в несколько сотен g, но чтобы она выдерживала тысячи g — это пока невероятно.

— То есть проект Breakthrough Starshot невозможно реализовать на практике?

— С точки зрения физики в этом проекте нет ничего невозможного, но инженерно это выглядит очень сложно. Если этот аппарат будет разгоняться до 20% световой скорости за 10 минут, как заявлено, то он будет очень быстро уходить из фокуса лазера. Это серьезная проблема. Кроме того, если мы действуем на парус очень мощным лазером, то огромный поток этой энергии наверняка будет тратиться не только на разгон паруса, но и на его нагрев, потому что невозможно сделать зеркало с идеальной отражающей способностью. Даже если 1% энергии лазера будет поглощаться парусом, это может привести к его перегреву и деформации, и уж тем более выйдет из строя электроника.

Роберт Форвард оценивал, что солнечный парус будет разогреваться до нескольких тысяч градусов, и поэтому для паруса нужно использовать термически устойчивые материалы, которые будут сохранять свои оптические и прочностные свойства даже при большом нагреве.
Чтобы решить все эти сложности, понадобится примерно 500 лет, и это еще оптимистичная оценка.

Одним словом, лично я смотрю скептически, но я могу ошибаться. Нужно смотреть технические детали проекта.

— Помимо прочего, в релизе говорится о лазере с мощностью до 100 ГВт. Звучит впечатляюще.

— Такие лазеры сейчас уже сейчас есть, но другое дело, что гигаваттные мощности они выдают только на очень маленькое время — фемтосекунды, пикосекунды.
Чтобы непрерывно работать в течение нескольких минут, такому лазеру понадобится энергия примерно от нескольких десятков АЭС. Это невероятная энергия, и совершенно непонятно, как ее получить и где хранить.

Плюс нужно учитывать потери на фокусировку, на нагрев материала, на не стопроцентный КПД самой лазерной установки.

В общем, это очень интересная инвестиция Мильнера. Лично я смотрю скептически на ее перспективы, но, если вдруг получится, это будет невероятно успешный проект. И речь здесь даже не о межзвездных перелетах, по сути мало кому нужных, а, скорее, о коммерческой доставке больших грузов с Земли в космос. Ну и, конечно, не стоит забывать о военных перспективах разработки: такой невероятно мощный лазер — очень интересное оружие, и большой вопрос, кто будет его контролировать.