Космос – невероятно враждебная среда, и чем больше мы его изучаем, тем больше узнаем о проблемах жизни и путешествий в космосе. Помимо очевидного вакуума и температур, близких к абсолютному нулю, космос полон вредной радиации. Мы живем в комфорте под покровом защитной атмосферы и магнитного экрана, но в космосе мы уязвимы.
Путешествие в космосе добавляет еще один элемент – не только радиация будет проходить сквозь нас, но и чем быстрее движется наш корабль, тем больше мусора мы будем преодолевать. Космос не пуст, он полон газа и пыли. В нашей солнечной системе большая часть пыли сосредоточена в плоскости эклиптики, в так называемом зодиакальном облаке. Но, конечно, если мы путешествуем с одной планеты на другую, то именно на этом самолете мы и путешествуем. При межпланетных скоростях, предполагая, что мы хотим быстро добраться до места назначения (что мы и делаем, чтобы свести к минимуму воздействие всей этой радиации), наш корабль будет проходить сквозь зодиакальное облако.
Теперь у нас есть некоторые результаты измерений с помощью солнечного зонда Parker, касающиеся последствий столкновения с пылью на высокой скорости. Зонд Parker – самый быстрый объект для человека, скорость которого составляет 180 километров в секунду. Это также самый близкий к Солнцу зонд, когда-либо работавший при самых высоких температурах. Для этого он должен быть направлен своим теплозащитным экраном к солнцу. В то же время он сталкивается с тысячами пылинок, крошечных зерен диаметром от 2 до 20 микрон (меньше стандартного показателя всех крошечных частиц – толщины человеческого волоса). Теперь у нас есть данные с зонда о последствиях этих столкновений. Частицы пыли ударяются о зонд со сверхскоростью, превышающей 10 800 км в час. При столкновении частицы мгновенно нагреваются и испаряются вместе с небольшой частью поверхности зонда. Образующееся облако частиц также достаточно горячее, чтобы ионизироваться, превращаясь в плазму. Мелкие частицы полностью испаряются менее чем за тысячную долю секунды. Более крупные частицы также выделяют облако мусора, которое разлетается в стороны от аппарата.
Авторы сообщают, что в результате этого образуется:
Некоторые из столкновений, с которыми сталкивается Parker Solar Probe, относительно велики, что приводит к образованию плазменных шлейфов, достаточно плотных для того, чтобы (i) преломлять естественные плазменные волны в сторону от космического аппарата, (ii) создавать временные магнитные следы, (iii) и возбуждать плазменные волны во время расширения шлейфа. Кроме того, при некоторых ударах высвобождаются облака макроскопического материала космического аппарата, что может привести к электростатическим возмущениям вблизи космического аппарата, которые могут сохраняться до минуты, что примерно в 10 000 раз дольше, чем кратковременный плазменный шлейф.
Электростатических помех достаточно, чтобы временно ослепить или исказить приборы на зонде. Это может, например, затруднить правильную ориентацию теплозащитного экрана зонда. Это также имеет значение для будущих миссий, поскольку это явление может негативно сказаться на работе чувствительных приборов или привести к искажению данных.
На данный момент мы можем только экстраполировать потенциальное воздействие сверхскоростных столкновений с частицами пыли на дальние космические путешествия, будь то чисто роботизированные или с экипажем. Чем дальше мы хотим отправиться, тем больше времени аппарат или зонд проведет в космосе и на более высокой скорости. Мы уже отправляли зонды на окраины нашей Солнечной системы – зонду New Horizons потребовалось 9,5 лет с момента запуска, чтобы достичь Плутона. Конечно, ученые хотели бы сократить это время, и если мы когда-нибудь захотим отправить астронавтов на внешние планеты, нам придется сократить время в пути. Мы также можем рассмотреть время в пути до ближайших солнечных систем. Хотя это само по себе долгая дискуссия, вполне вероятно отправлять космические аппараты к ближайшим звездам в пределах 10-20 световых лет или около того, не требуя применения новых физических методов (таких как сверхсветовое перемещение). Конечно, эти путешествия займут годы или десятилетия, а также потребуют скорости, примерно на 20% превышающей скорость света (допустимая скорость для некоторых технологий, таких как легкие паруса).
Не вдаваясь в более широкое обсуждение технологии межзвездных космических путешествий, скажу, что если мы сможем совершить такой подвиг, нам придется бороться с межзвездной средой. Плотность материала будет намного меньше, но скорость такого корабля будет намного больше. Теперь у нас есть некоторые данные о возможных последствиях столкновений с межзвездной пылью. Если они будут происходить достаточно часто, приборы корабля могут ослепнуть. Это напоминает мне все те эпизоды и фильмы из “Звездного пути”, когда им приходилось рисковать, попадая в ионную бурю или пылевое облако, их сенсоры превращались в помехи. На самом деле это могло бы быть правдоподобно.
Возможно, еще хуже было бы медленное разрушение внешнего корпуса. Когда каждая частица пыли ударяется о корпус, она не только испаряется сама, но и испаряет крошечную часть самого корпуса. Это может не иметь значения для солнечного зонда, миссия которого рассчитана на несколько лет. Но что произойдет с корпусом, летящим в космосе со скоростью, превышающей 20% скорости света, в течение 20 лет и более? Мы всегда могли бы просто добавить дополнительную защиту, но это означает увеличение веса, что продлило бы любое такое путешествие и могло бы быть контрпродуктивным.
Все это объясняет, почему попытки сделать космические путешествия на большие расстояния практичными с использованием существующих технологий (не тех, что у нас есть, а тех, которые мы можем создать, не внедряя совершенно новую физику, материалы или технологии) крайне проблематичны. Это может быть похоже на попытку долететь до Луны с помощью паровой технологии 19-го века. Вот почему, по крайней мере, в этом столетии, достаточно долететь до Луны и Марса (в том числе с экипажем). Они находятся достаточно близко, чтобы добраться туда и обратно в приемлемые для выживания сроки на скоростях, которые мы можем достичь, и используя уже имеющуюся защиту. Что-либо другое непрактично для миссий с экипажем. (Мы могли бы также отправиться на Венеру, но нет особой причины отправлять туда людей, а не только роботов.) Также трудно сказать, когда наши базовые технологии улучшатся настолько, чтобы начать поиск миссий с экипажем за пределами Марса. Нам нужны новые методы движения (ядерное, термоядерный синтез, легкие паруса), нам нужна улучшенная физическая защита (возможно, какой-то метаматериал), а также, возможно, магнитная защита. Также был бы полезен практический способ создания искусственной гравитации.
Вероятно, потребуется столетие, а возможно, и больше, чтобы собрать воедино все необходимые технологии. Конечно, прорывные технологические новшества всегда возможны, но их невозможно предсказать. В следующем десятилетии какая-нибудь лаборатория могла бы разработать своего рода нано-мета-материал, который служил бы идеальной светозащитой, способной блокировать даже космические лучи. И вдруг уравнение становится совсем другим.
