Ex astris, scientia
Из звёзд — Знание
Открытия в области квантовой механики в XX веке обеспечили технологиями современный мир. Открытия в области гравитационной физики в XXI веке обеспечат развитие технологий в будущем.
Мы стоим на пороге величайшей трансформации в истории человечества. Взгляд, устремлённый в глубины Космоса, больше не взгляд младенца, прикованного к колыбели. Это взгляд инженера, архитектора, исследователя, готового шагнуть за пределы известного. Научно-технологическая Гильдия «Рубежи Науки» объединяет тех, для кого научное любопытство, дерзость мысли и безграничная сила воображения являются главными инструментами познания и технологического развития. Наша миссия — расширять знания о Вселенной, наша задача — вдохновлять общество, наша цель — создавать технологии, которые обеспечат благосостояние всего Человечества.
История учит нас фундаментальному принципу: передовые технологии, меняющие эпохи, никогда не рождаются из простого усовершенствования существующего. Они — следствие прорывов в более глубоком понимании того, как развивается мир вокруг нас. Весь технологический ландшафт современного мира, от кремниевых чипов до лазеров и интернета, вырос из смелых вопросов, заданных физиками XX века, дерзнувшими исследовать квантовую природу реальности.
Сегодня современная физика вновь столкнулась с вызовом. Мы видим горизонты, за которыми наши теории дают сбои. Всё больше неточностей, вопросов без ответов и явлений, которые мы не можем объяснить, указывают на то, что наше понимание мироздания неполно. Это не кризис, это — возможность. Наша задача — не бояться этих вопросов, а задавать их и искать ответы. Смысл нашего существования — увеличивать знания человечества о природе Вселенной и создавать на их основе прорывные технологии, которые сделают Человечество галактическим видом.
Мы убеждены: следующий большой прорыв в физике произойдёт в понимании природы гравитации. Загадочная структура пространства-времени, формирующая ткань космоса, до сих пор ускользает от нашего полного понимания. Именно поэтому мы объединяем усилия с нашими коллегами из Limitless Space Institute и другими передовыми научными сообществами, вкладывая силы и ресурсы в расширение нашего понимания окружающего мира. Мы уверены, что объединив усилия учёных, инженеров, меценатов и инвесторов, мы не только поймем природу гравитации, но и обретём ключ к управлению ею, как когда-то мы научились управлять светом.
Кому-то наши интересы могут показаться слишком широкими, а горизонт планирования, простирающийся на столетия вперёд, слишком далёким. Но освоение космоса — это не просто очередная задача. Это — самая смелая цель, которую когда-либо ставило перед собой человечество. Она включает в себя всё: от создания экзотических материалов и биологических систем жизнеобеспечения до разработки двигателей, способных преодолеть межзвёздную пустоту. Именно поэтому мы одновременно исследуем природу кротовых нор, инвестируем в космическую робототехнику и вдохновляем школьников, выпуская научно-фантастические рассказы и игры. Мы закладываем фундамент, создаём будущее и учим детей и взрослых чувствовать себя в этом будущем как дома.
Присоединяйтесь к тем, кто не просто смотрит на звёзды, а прокладывает к ним путь. Только вместе мы сможем найти знания и создать технологии, которые выведут человечество из колыбели Земли в бесконечное приключение.
Далее мы приводим выдержку из манифеста от Limitless Space Institute, т.к. считаем, что он полностью соответствует нашей философии и задачам, которые Гильдия ставит перед собой.
1. Введение
Исследование человеком внешней Солнечной системы и звёзд потребует значительных прорывов, выходящих далеко за рамки современных характеристик энергетических и двигательных систем космических аппаратов. В фильме выделены три подхода — от известного к неизвестному — для решения проблемы времени и расстояния в дальнем космосе. Первый подход — ядерная электронная двигательная установка (ЯЭДУ), представляющая решение, твёрдо основанное на известной физике и известной инженерии. Второй подход — термоядерная двигательная установка, основанная на известной физике, но неизвестной инженерии. Третий подход — прорывная двигательная установка, находящаяся на переднем крае физики и исследующая то, что может заполнить разрыв между квантовой механикой и общей теорией относительности — неизвестная физика, неизвестная инженерия.
ЯЭДУ
Термоядерная двигательная установка
Двигатель искривления пространства-времени
Полезные источники по теме передовых двигательных установок:
- «The Starflight Handbook» [1] — свод многочисленных методов межзвёздных полётов: импульсные ядерные двигатели, солнечные паруса, лучевая энергетика, термоядерные прямоточные двигатели, червоточины в пространстве-времени и др.
- «Frontiers of Propulsion Science» [2] — концепции на переднем крае нашего понимания физики; множество глав посвящены космическим двигателям, «отталкиванию от вакуума», искривлениям пространства и червоточинам.
- «Wormholes, Warp Drives and Energy Conditions» [3] — узкий технический разбор искривлений пространства и червоточин.
2. Ядерная электронная двигательная установка (ЯЭДУ)
Первая архитектура, рассмотренная в видео, — ядерная электронная двигательная установка (ЯЭДУ), использующая источник энергии на основе деления ядра, сопряжённый с электронной двигательной системой. Ядерный реактор расщепляет ядерное топливо, генерируя тепловую мощность, которая приводит в действие термодинамический цикл для выработки электроэнергии и бесполезного тепла. Полученная электроэнергия подаётся в электронную двигательную систему, использующую электрические и магнитные поля для ионизации и ускорения газообразного топлива с целью создания тяги для разгона космического аппарата. Тепло отводится в космос с помощью высокотемпературных радиаторов путём теплового излучения в холод глубокого космоса.
В видео указано: 2,2 года для достижения орбиты Сатурна пролётом с Марса и 2093 года для достижения и захвата (не пролёта) на орбите ближайшей звёздной соседки — Проксимы Центавра. Пиковая скорость ЯЭДУ-аппарата в межзвёздном крейсе — 0,00205c, полная миссионная Δv = 0,0041c. Эти цифры получены по упрощённой модели со следующими допущениями:
- гравитация отключена;
- орбитальные скорости планет игнорируются;
- радиальные траектории.
Хотя ЯЭДУ может казаться неидеальной для межзвёздного транзита, она позволяет людям достичь всех миров Солнечной системы и заложить основу общества и экономики в масштабе системы. Рекомендуется работа McNutt [4] о требованиях к ЯЭДУ для исследования внешней Солнечной системы.
3. Термоядерная двигательная установка
Чтобы сократить время межзвёздного транзита с тысяч лет до столетия, нужно выйти за рамки известного — по крайней мере в инженерии — и обратиться к термоядерной двигательной установке. На первый взгляд можно просто заменить источник тепла от деления в ЯЭДУ на термоядерный: плазма, сжигающая дейтерий и тритий с образованием гелия, нейтронов и энергии. Тепло могло бы приводить термодинамический цикл (архитектура FEP — Fusion Electric Propulsion). Однако более вероятно, что термоядерный процесс будет напрямую создавать тягу: энергия продуктов синтеза даёт гораздо более высокий удельный импульс. Такой подход называется Direct Fusion Drive (DFD): «топливо» — зольные продукты синтеза, направляемые магнитным соплом.
Термоядерный космический аппарат, показанный в видео, имеет два вращающихся в противоположных направлениях элемента в носовой части длинной центральной фермы для создания искусственной гравитации экипажу. В кормовой части фермы расположены высокотемпературные радиаторы, баки с топливом и гондола термоядерного двигателя. Пиковая скорость — 0,0476 c, полная Δv = 0,0952 c. Удельный импульс термоядерной установки может быть в 10–100 раз выше, чем у ЯЭДУ.
Тёмная лошадка ближайшей перспективы — гибридный подход: термоядерная ракета получает энергию от ядерного реактора на борту. Если коэффициент термоядерной установки ~3, этого недостаточно для термодинамического цикла и самоподдержания реакции. Но если ядерный реактор питает термоядерную ракету, она добавляет тепловую мощность к плазме-пропелленту — эффективная струйная мощность выше, чем у чистой ЯЭДУ, при сохранении высокого удельного импульса. Эту концепцию исследует Helicity Space.
Термоядерная установка может обеспечить крейсерские скорости 5–10% скорости света. Для более высоких скоростей в контексте известной физики остаётся только двигатель на антиматерии — он даёт удельный импульс за счёт аннигиляции и скорости частиц, близкой к световой.
4. Двигатель искривления пространства-времени
Общая теория относительности задаёт предельную скорость (скорость света), но допускает два теоретических обхода — искривление пространства (warp) и червоточины. Корабль с парой гондол создаёт экзотическую материю или отрицательную плотность энергии вакуума: пространство-время сжимается перед носом и расширяется за кормой. Расширение и сжатие пространства не ограничены скоростью света, поэтому эффективная скорость корабля может её превосходить. На рис. 4 показано время Йорка для метрики Алькубьерре [5] — трёхмерная деформация пространства; кольцо вокруг цилиндра — система отрицательной плотности энергии для warp-пузыря, цилиндр — отсек экипажа.
Насколько это реалистично? Квантовая механика и ОТО пока не сведены в единую теорию; новое понимание физики может открыть путь к таким технологиям. От E=mc² (1905) до расщепления атома (Кокрофт и Уолтон, 1932), первого реактора Chicago Pile-1, 0,5 Вт (1942), и Trinity (1945) прошло 40 лет — без компьютеров. Сегодня темп развития может быть существенно выше.
Два круга на диаграмме Венна не пересекаются — это подсказывает нам, что должен существовать больший круг, охватывающий оба и представляющий более обобщённое понимание мира, при котором существует математический аппарат, успешно моделирующий и микроскопический, и макроскопический миры. Этот рубеж физики, вероятно, — ключевая область, где новые понимания могут снабдить нас идеями для реализации некоторых из упомянутых ранее прорывных технологий: космического двигателя, искривления пространства или червоточины. Мы знаем, что искривления пространства и червоточины математически возможны, но пока не знаем, что именно «построить», чтобы воплотить их в реальность — возможно, развитие физических основ позволит перевести эти идеи в практику.
Ссылки
- [1] E. F. Mallove, G. L. Matloff. The Starflight Handbook: A Pioneer's Guide to Interstellar Travel. 1989.
- [2] Marc Millis, Eric Davis. Frontiers of Propulsion Science. AIAA, 2009.
- [3] Francisco S. N. Lobo. Wormholes, Warp Drives and Energy Conditions. doi.org/10.1007/978-3-319-55182-1
- [4] Ralph McNutt и др. Human Missions Throughout the Outer Solar System. Johns Hopkins APL Technical Digest 28, 2010. jhuapl.edu
- [5] Miguel Alcubierre. The warp drive: hyper-fast travel within general relativity. doi.org/10.1088/0264-9381/11/5/001
Автор оригинала
Harold «Sonny» White, Ph. D.
Директор по передовым исследованиям и разработкам, Limitless Space Institute
Читать оригинал на сайте LSI