Не е скоростта на светлината, не е варп задвижването: истинската пречка пред междузвездния полет, която Холивуд пренебрегва

Във всеки научнофантастичен филм междузвездният полет изглежда впечатляващо: звездолетът включва варп задвижването, звездите се превръщат в светещи ивици и след няколко минути екипажът вече пие кафе близо до друга галактика. Общоприетото схващане е, че основният проблем при такива пътувания е енергията. Че трябва само да се изобрети двигател, способен да ускори кораба до скоростта на светлината или по-висока, и човечеството веднага ще се втурне да колонизира космоса. Но инженерите, за разлика от сценаристите, знаят, че основната опасност не се крие в разстоянието, а в това, което се намира между звездите. И името му е междузвезден прах.

Космосът не е вакуум. Врагът, който не можеш да видиш

Първото нещо, което трябва да се разбере, е, че пространството не е празно. Да, според земните стандарти то е почти идеален вакуум, но в мащабите на Вселената е изпълнено с така наречената междузвездна среда. Тя представлява 99% разреден газ – предимно единични атоми водород и хелий. Плътността е смешна – около един атом на кубичен сантиметър. Останалият 1% са прахови частици: микроскопичен прах, малки ледени кристали и силикати.

Когато нашите ракети и космически кораби се движещи се в орбита със скорост 8 километра в секунда, тази среда не е нищо повече от лек бриз. Но щом започнем да говорим за релативистични скорости (т.е. скорости, които са толкова високи, че стават сравними със скоростта на светлината), ситуацията драстично се променя. Всеки водороден атом и всяка прашинка се превръщат в микроскопичен снаряд, летящ към кораба.

Песъчинка с енергията на бомба

Тук се намесва неумолимата физика. Дори не са ни нужни сложни релативистични формули за приблизителна оценка, достатъчна е познатата от училище формула за кинетичната енергия E=1/2mv². Ключовото тук е квадратът на скоростта (v²). Това означава, че ако скоростта се увеличи 2 пъти, енергията на сблъсъка се увеличава 4 пъти. А когато говорим за скорости, близки до скоростта на светлината, тази зависимост става критична.

Нека разгледаме един прост пример. Да предположим, че нашият кораб на бъдещето лети към най-близката звезда, Проксима Кентавър, с много скромна скорост по стандартите на научната фантастика – само 10% от скоростта на светлината (това са около 30 000 километра в секунда). И по пътя си се сблъсква с обикновена песъчинка с маса 1 грам (0,001 кг). Замествайки го във формулата:

E = 0,5 * 0,001 kg * (30 000 000 000 000 m/s)² = 450 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 джаула.

450 трилиона джаула е абстрактна цифра. Нека да я преведем в разбираем еквивалент. Експлозивната енергия на един тон тротил е около 4,2 милиарда джаула. Простата операция за деление (450 трилиона / 4,2 милиарда) ни дава резултат от около 107 000 килограма или 107 тона тротил. Помислете само: удрянето с песъчинка от само един грам със скорост, която в научната фантастика се смята за „скорост на костенурка“, е равносилно на взривяването на бойна глава в хипотетичния кораб, способна да унищожи цял квартал.

Но дори и да имаме късмета да не уцелим нито една песъчинка, все още има водород. При 20% от скоростта на светлината сблъсъкът с един протон (ядрото на водородния атом) е еквивалентен на попадане на частица от Големия адронен колайдер. Облицовката на кораба ще бъде постоянно бомбардирана от тези микропротони. Всеки подобен сблъсък ще изстрелва каскада от вторично лъчение – гама кванти и рентгенови лъчи – които ще пронизват кораба през цялото време. По същество корабът ще лети през постоянен поток от силна радиация, която бавно, но сигурно ще „пържи“ екипажа и електрониката.

Холивудските „щитове“ срещу инженерната реалност

Тогава защо във филмите („Стар Трек“, „Междузвездни войни“) звездолетите спокойно летят със свръхсветлинни скорости? Защото това е филм. Там има една вълшебна дума – „дефлекторен щит“. Невидимо силово поле, което решава всички проблеми. В действителност всичко е много по-сложно от това.

Този проблем е толкова сериозен, че се превръща в една от основните спънки за реалния проект за междузвезден полет – Breakthrough Starshot. Да припомним, че това е инициатива на милиардера Юрий Милнер и покойния Стивън Хокинг, която планира да изпрати до Алфа Кентавър флотилия от хиляди миниатюрни наносонди. Предвижда се тези сонди с размерите на пощенска марка да бъдат ускорени от Земята с помощта на мощен лазер до 20% от скоростта на светлината, като един от ключовите проблеми за инженерите на проекта не е как да ги ускорят, а как да се уверят, че поне една от тях ще достигне целта, без да се изпари по пътя от сблъсък с космическия прах.

И така, как да се оцелее по време на полета?

Тъй като не разполагаме с магически щитове, инженерите търсят съвсем осезаеми, макар и много сложни концепции за защита:

• Физически щит: най-очевидното решение. Но това не е просто лист метал. Най-работещата концепция е „щитът на Уипъл“. Това е многослоен „пай“, при който първият тънък слой изпарява микрометеорита при удара, превръщайки го в облак от плазма. Следващите слоеве разсейват енергията на този облак. Трябва да се има предвид, че подобна схема работи добре срещу микрочастиците при орбитални скорости и точно такъв вид щитове вече се използват на МКС. Проблемът е, че за да се защити от обект с маса поне един грам при релативистична скорост, този щит би трябвало да тежи хиляди тонове, което го прави невъзможен за поставяне.
  
  За разлика от монолитните ранни космически апарати, щитът на Уипъл се състои от сравнително тънък външен екран, разположен на известно разстояние от основната стена на космическия апарат. От щита не се очаква да спре обекта на сблъсъка или дори да премахне по-голямата част от енергията му, а да го разруши и разпръсне, разделяйки първоначалния обект на множество частици, които се разпръскват между щита и стената. Енергията на първоначалните частици се разпределя по-равномерно върху по- голямата площ на стената, която е по- вероятно да я издържи. Пряка аналогия е, че за спиране на заряд от ловни сачми е необходима по-лека броня, отколкото за спиране на единичен куршум от пушка със същата обща маса и кинетична енергия.
• Магнитен или електростатичен щит: идеята е да се създаде мощно поле около кораба, което да отклонява заредените частици – протоните и хелиевите ядра от междузвездния газ. Това би могло да реши проблема с радиацията. Но този щит е практически безполезен срещу неутралните прахови частици, които не реагират на магнитното поле.
• „Лазерна метла“: една от най-футуристичните идеи. Предполага се, че мощен лазер, инсталиран на кораба, ще „разчиства“ пътя пред сондата, като предварително изпарява всички отломки по нейната траектория.

Изводът от всичко това е прост и за любителите на научната фантастика – разочароващ. Основният проблем на междузвездното пътуване не е как да се построи достатъчно мощен двигател, а как да се оцелее при скоростта, която той ще даде. Космосът се оказва не празна и дружелюбна среда, а агресивен абразив, който ще стрие на прах всеки обект, движещ се твърде бързо.

Докато инженерите не намерят ефективно решение на проблема с „космическата фракция“, всички приказки за варп двигатели и колонизиране на далечни звезди си остават красива и изключително далечна от реализация фантазия. Първо трябва да се научим как да построим междузвезден „танк“, а след това да помислим как да прикачим „ракета“ към него.