Исследование вселенной является одним из величайших мечтаний человечества. Большинство людей считают неизбежным, что наши потомки когда-нибудь выйдут из планетарной колыбели и распространятся среди звёзд.

Но расстояния между звёздными системами невообразимо огромны. Самый быстрый рукотворный объект, зонд Voyager 2, путешествует на десятках километрах в секунду, и все же он не достигнет даже ближайшей звезды Проксима Центавра раньше чем через 100000 лет — в двадцать раз больше возраста цивилизации, его построившей.

Во многих научно-фантастических рассказах, к другим звездным системам перемещаются на судах с магическими гипердвигателями, которые могут совершить поездку во мгновение ока — несколько дней или недель вместо столетий и тысячелетий. Но в действительности исследование вселенной будет выглядеть насколько иначе. Путешествие займет много десятилетий, а наибольшим препятствием, с которым мы столкнемся будут не враждебные космические корабли или аномалии, а бесконечные, бесконечные просторы абсолютной пустоты.

Мы сможем начать это невероятное приключение, возможно, в течение ближайших ста лет, как только космические технологии позволят приблизиться к нашим межзвездным мечтам. Автоматические зонды неизбежно будут нашими разведчиками, идя впереди, чтобы сказать нам, что ждет нас в темноте. Но когда люди будут готовы, как мы отправимся в путь?

Эта статья предназначена, чтобы дать некоторые ответы на этот вопрос, рассказать о передовых теориях и технологиях, которые могут дать нам реалистичные варианты межзвездного путешествия человека.

 

Поэтапная стратегия

В большинстве сценариев межзвёздных перелётов, огромные корабли той или иной конструкции покидают один живой мир в системе звезды, летят через пустоту, и останавливаются около другого мира в системе другой звезды. Было старое предположение, что за пределами звёздной системы среда является холодной, безжизненной и почти ничем не заполненной пустотой, и там нет ничего, что заслуживало бы внимания.

Однако, открытия последних десятилетий показали, что пограничье звездной системы может быть гораздо дальше, и содержать гораздо больше, чем полагалось ранее: замороженные миры и объекты, которые возможно использовать в качестве станций и ресурсов для поездок в более дальний космос.

Поэтапная стратегия упоминается в ряде произведений научной фантастики, таких как романы «Сердце кометы» Дэвида Брина и Грегори Бенфорда,  «The Gripping Hand» Ларри Нивена и Джерри Пурнеля, и «Перманентности» Карла Шредера, но, насколько мне известно, никто до сих пор не провёл их серьезное техническое обсуждение.

Облако Оорта

Облако Оорта и пояс Койпера

Для нашей первой остановки за Плутоном есть Пояс Койпера, который простирается от орбиты Нептуна, по крайней мере, на 50 астрономических единиц (50 а.е. — около 7 миллиардов километров), и расположен по отношению к Солнцу в более или менее той же орбитальной плоскости, что и планеты. По оценкам, по меньшей мере, около 70000 объектов с диаметром более 100 километров есть в этом поясе, и все они — остатки аккреционного диска, с которого началась Солнечная система. Плутон, его спутник Харон, недавно обнаруженный Квавар, и большой объект вблизи орбиты Сатурна, называемый Хироном считаются крупными объектами пояса Койпера. Существует также облако Оорта, большая область с более рассредоточенными объектами, формирующая грубую сферу вокруг Солнечной системы, она начинается там, где заканчивается пояс Койпера. Состоящее примерно из одного триллиона объектов, облако Оорта, как полагают, распространяется по крайней мере на 50000 а.е. от Солнца, хотя по некоторым оценкам, внешняя граница лежит в 2 световых годах или более. Общая масса всех комет в облаке, по оценкам, превышает в 40 раз массу Земли, отдельные объекты могут быть в десятках миллионах километрах друг от друга.

В межзвёздном пространстве есть одиночные планеты, миры, либо выброшенные из звёздных систем, либо сформировавшиеся рядом со звёздами, без прочной связи с ними, сейчас считается, что таких планет гораздо больше, чем предполагалось ранее. Как есть в межзвёздном пространстве и коричневые карлики — объекты слишком большие, чтобы быть планетой, но слишком маленькие, чтобы стать звездой, имеющие массу от 15 до 80 раз больше, чем масса Юпитера. Численность таких разбросанных в межзвёздном пространстве объектов, в настоящее время, считается большей, чем численность обычных звезд.

Само Солнце, как думают некоторые астрономы, имеет отдаленный почти межзвездный спутник, который может быть либо блуждающей планетой, либо коричневым карликом. Названный Немезидой, он, предположительно, имеет период обращения в миллионы лет, периодически задевая облако Оорта, и отправляя во внутреннюю Солнечную систему кометы, способные вызвать массовые вымирания, вроде того, после которого исчезли динозавры. Теория, однако, остается недоказанной и спорной.

В ступенчатой стратегии необходимо использовать эти объекты, чтобы очень медленно строить «лестницу» из одной системы и в другую. После составления карты большинства крупных объектов в поясе Койпера, облаке Оорта и в ближайшем межзвездном пространстве, при помощи различных астрономических методов и массивов радиотелескопов, необходимо строить базы и колонии на ближайших планетах, а затем строить и заправлять суда на таких базах. Следующим шагом будет движение в поясе Койпера, с разработкой там космических тел ради топлива и использованием больших комет для баз и колоний, затем следует повторить процесс для облака Оорта, а затем снова повторить для заметных объектов в межзвездном пространстве.

После того, как человек обоснуется около межзвездного коричневого карлика или на блуждающей планете, либо комете, и достигнет окрестностей другой звезды,  процесс нужно повторить в обратном порядке в другой системе, двигаясь внутрь от межзвездной станции через другое облако Оорта, а затем через пояс Койпера, через внешние планеты, оказавшись, наконец, во внутренней системе. Если удобно расположенный межзвёздный объект отсутствует, можно буксировать кометы

Само собой разумеется, что такой процесс является очень постепенным, и растянется на многие поколения. Кое-кто даже думает, что он не может быть выполнен умышленно. Когда человечество отойдёт дальше от солнца, ближайшие миры могут заполняться тысячелетиями, пока люди, из необходимости будут искать новые ресурсы и жизненное пространство.

 

Технологии двигателей

Таким образом, у нас есть потенциальный путь к звездам. Как именно можно им воспользоваться?

На текущий момент рассматриваются четыре основные технологии приводов с мощностями, необходимыми для межзвездного полета. Ими являются:

 

—Атомный импульсный детонационный ракетный двигатель, использующий взрывы атомных бомб, чтобы двигать корабль.

—Ракеты, которые используют атомную энергию для разгона плазмы.

—Солнечные паруса, которые используют огромные, но тонкие как паутина паруса, чтобы использовать солнечный свет или направленный свет лазера для приведения в движение.

—Ракеты на антиматерии, использующие энергию, выделяющуюся при аннигиляции вещества и антивещества.

 

Каждая технология может быть использована для дороги к ближайшим звёздам, со всего лишь несколькими десятилетиями времени в пути

Также сществует пятый тип двигателя, предназначенный исключительно для межзвездной миссии – двигатель Бассарда.

Идея была впервые предложена Робертом Бассардом в 1960 году, и с тех пор использовалась в бесчисленных историях и романах на тему научной фантастики, таких как «Тау Ноль» Пола Андерсона, «Глубина в небе» Вернора Винджа, а также в «Известном космосе» Ларри Нивена.

Концепция двигателя Бассарда опирается на тот факт, что в космосе не настолько пусто, как мы думаем. Вещество в межзвёздном пространстве невероятно рассеяно, но есть, тем не менее, около одного атома водорода на кубический сантиметр (по сравнению с 1018 атомами водорода на кубический сантиметр в атмосфере Земли на уровне моря). Бассардовский двигатель использует огромное обращенное вперед коническое магнитное поле, чтобы улавливать этот межзвездный материал, пока корабль летит в космосе, он полем, а также скоростью заставляет атомы водорода оказаться в нужной точке в магнитном поле. Затем атомы ускоряются и выталкиваются из корабля на гораздо большей скорости.

Широкий лазерный луч направляется вперед транспортного средства, передавая достаточное количество энергии, чтобы заставить атомы водорода лишиться электронов. Магнитное поле, проецируемое кораблём притягивает положительно заряженные ионы и отталкивает свободные электроны. Небывалая скорость корабля и сужающееся коническое магнитное поле сталкивают протоны с достаточной силой, чтобы начать термоядерную реакцию. С другой стороны, сжатый водород может быть отправлен на реакцию с антиматерией, для лучшего энерговыделения.

Используемый таким образом корабль никогда не ощутит нехватки топлива, пока он поддерживает необходимую минимальную скорость функционирования. Точное значение этой минимальной скорости является предметом для обсуждений; некоторые источники говорят, что 1% от скорости света (0,01c) будет достаточно, в то время как другие считают, что нужно 0,06c. Каким бы ни было значение, может быть, кораблю потребуется вторая система, которая позволила бы не только достигать этих скоростей, но и маневрировать в ситуациях, когда заметные доли скорости света могут быть нежелательными. Возможными технологиями второго двигателя могут быть паруса, двигатели на термоядерном синтезе или на антивеществе.

Из-за неограниченного доступа к топливу, двигатель Бассарда является очень сильной технологией межзвёздных перелётов. Он может ускоряться в течение любого промежутка времени, будь то несколько минут или много тысячелетий. Наилучшие предполагаемые приводы могут разгоняться почти до скорости света, хотя некоторые говорят, что наиболее вероятный диапазон может составлять от 0,5c до 0,85c. С величиной ускорения порядка g, такой двигатель может разогнаться до нескольких процентов от скорости света примерно за год.

Одной из главных трудностей создания двигателей Бассарда (для модели с минимальной рабочей скоростью 0,01c) является получение магнитного поля, достаточно большого, чтобы собирать нужное количество топлива, и достаточно сильное, чтобы справиться с нагрузками при сборе и работе с водородом на скоростях порядка сотых долей от скорости света. Для того чтобы получить достаточное количество топлива для непрерывной работы, магнитный уловитель должен быть в тысячи километров шириной и достаточно узким, чтобы поддерживать нужные параметры магнитного поля. Магнитная индукция также будет огромной, порядка десятков миллионов тесла, что делает поле смертельным для любого живого существа.

Некоторое беспокойство было выражено по поводу сопротивления межзвездной среды, вызываемого движением корабля. Перемещение при заметных долях от скорости света, постоянные воздействия межзвездного водорода на огромное поле магнитного уловителя, как полагают некоторые, будет компенсировать большую часть ускорения создаваемого термоядерными двигателями, что значительно снижает возможности звездолёта. Если это так, то максимальная скорость корабля может быть только 0,15-0,25c. Но также отмечено, что эти эффекты не обязательно не имеют никакого смысла, кроме пустой траты энергии, так как их возможно использовать в процессах улавливания и использования топлива. То, как можно использовать двигатель Бассарда остаётся предметом обсуждений.

Со ступенчатой стратегией, мы имеем медленную, но преодолимую дорогу к звездам. С различными технологиями двигателей, у нас будут средства, чтобы отправится по ней. Также важно понять, что нам нужно сделать, чтобы очень хрупкий биологической экипаж существовал в течение десятилетий, для покрытия расстояний во многие световые годы.

 

Корабли поколений

Идея корабля поколений была выдвинута писателями-фантастами примерно в середине XX века, и получила много воплощений в литературе в последующие десятилетия. Одними из наиболее известных примеров являются «Сироты неба» Роберта Хайнлайна, и эпизод сериала Звёздный путь «Ибо мир полный, и я коснулся неба». Судно поколений, которое использует релятивистское замедление времени, чтобы пять миллионов лет во вселенной сжать в одну тысячу лет на корабле, упоминается в романе «Ring» Стивена Бакстера. Действие первой фантастической компьютерной игры, Metamorphosis Alpha, также происходило на борту гигантского космического корабля.

Корабль поколений является наиболее простым средством многолетних перелётов из одной звездной системы в другую. Судно представляет собой миниатюрный самоподдерживающийся мир, так же, как в колонии О’Нейла, и экипаж корабля живёт всю жизнь на борту, работая, играя, создавая, выращивая и т.д. их потомки воспитываются на борту судна во время межзвёздного перелёта, чтобы стать следующим экипажем.

Чрезвычайно эффективное управление ресурсами необходимо для гипотетического корабля поколений. Системы переработки должны работать почти на сто процентов, чтобы гарантировать, что судно и его человеческое население проживёт большой промежуток времени, необходимый для достижения пункта назначения. Корабль поколений также может забирать дополнительные ресурсы с других мест по маршруту следования, при использовании пошаговой стратегии, или для корабля могут быть отправлены корабли пополнения впереди основного судна. Корабль должен встретится с этими кораблями пополнения на пути в межзвездном пространстве.

Одной из опасностей кораблей поколений, ставшей почвой для великого множества научно-фантастических историй (как, например, Нон-стоп Брайана Олдиса), является то, что человеческие общества развиваются со временем, и не стоят на месте, а культура на борту судов поколений будет изменяться в течение десятилетий или столетий, пока судно будет находиться в пути следования. Иногда в этих историях, общество, которое начинает путешествие изменяется после революций и становится чем-то совершенно другим к моменту достижения пункта назначения. Демократические общества заменяются тоталитарными или тщательно сконструированная структура общества обрастает совершенно неприемлемыми идеями и мышлением. Или случается наиболее прозаичный тип распада общества: население каким-то образом теряет свои высокотехнологичные знания и забывает о том, что находится на космическом корабле. Через поколения корабль будет восприниматься как самостоятельная вселенная.

Эти ужасные сценарии могут показаться маловероятными, но они подчеркивают необходимость учёта неизбежных изменений в человеческом обществе в течение длительного периода времени, пока судно будет в пути. Одним из способов борьбы с этим может быть корабль, запущенный только с небольшим начальным населением на небольшой площади искусственной среды обитания, население затем будет расти и «осваивать» остальную часть последующие десятилетия или столетия. Таким образом, всё дополнительное пространство может служить в качестве «предохранительного клапана» для снятия напряжения путём предоставления неиспользуемых участков, с которыми можно работать по своему усмотрению. Это может работать только до тех пор, пока существует «запас» среды обитания для снятия напряжения, при правильном планировании судно достигнет пункта назначения до того, как закончится доступное пространство.

Эксперты расходятся во мнениях относительно точной численности экипажа необходимого в начале рейса. Чем меньше жителей в начале, тем меньше ресурсов они будут потреблять и тем медленнее население будет расти в течение всего рейса. Тем не менее, если у вас слишком мало людей, экипаж рискует столкнуться с проблемами кровосмешения, которые обязательно проявятся в последующих поколениях. Различные социологические и биологические предположения привели к числам от 25 до 10000 человек. Возможно, наилучшая численность составляет от нескольких сотен до тысячи.

Наиболее общим представлением корабля поколений является модель колонии О’Нейла, впервые предложенная Джерардом О’Нейлом в 1970-е годы. Это гигантский вращающийся цилиндр или диск с межзвездным двигателем. Цилиндр может быть от нескольких сотен метров до нескольких сотен километров в диаметре, и поворачиваться вокруг продольной оси, чтобы обеспечить искусственную гравитацию вдоль его внутренней поверхности. Внутренняя часть является рельефной и находится под давлением, чтобы обеспечить среду как на Земле, с лесами, холмами, ручьями, озерами, и так далее. Внутренняя среда, как правило, предусматривается достаточно большой, чтобы возникали изменения погоды, редактируемые или полностью создаваемые системами корабля. На орбитальной колонии О’Нейла свет будет обеспечиваться подвесами зеркал и огромными прозрачными секциями корпуса. На межзвездном таком корабле поколений, освещение должно быть обеспечено крупными массивами или одиночными узлами осветительного оборудования, утопленного во внутреннюю поверхность.

Колония О’Нейла, возможно, сможет в конечном итоге удержать от 10000 до нескольких сотен тысяч жителей, в зависимости от точного размера и конструкции.

 

Суда из выдолбленных астероидов

Корабль из выдолбленного астероида, по существу, представляет обработанный астероид километр или больше по размерам, летящий в межзвёздном пространстве. В центре выдалбливается сферическая или цилиндрическая камера, а сам астероид раскручивается, чтобы обеспечить искусственную гравитацию на внутренней поверхности. Чаще представляется, что внутренняя среда обитания занимает лишь небольшую часть от общего объема астероида.

Выдолбленный астероид имеет два преимущества в сравнении с колонией О’Нейла. В первую очередь, внутренняя среда обитания защищена толстой каменной оболочкой, которая, в зависимости от размера исходного астероида, может быть толщиной, в том числе, и во много километров. Если судно, как и ожидается, будет проходить через опасные области — например, через метеоритные потоки или области с высокой радиацией, такая броня может оказаться удачным решением. Дополнительно к этому, оболочка породы может обеспечить мегатонны дополнительных минеральных ресурсов, которые экипаж мог бы добывать во время долгого путешествия в добавок к тому, что загружено на корабль изначально.

Вариантом выдолбленного астероида является полая комета. Принцип такой же, как и у выдолбленного астероида, с тем лишь различием, что внешняя оболочка будет состоять из водяного или метанового льда. Это может оказаться полезным, поскольку команда будет иметь огромный доступный источник воды и водорода, используемых как расходный материал. Разновидность выдолбленной кометы-корабля описывается в романе «Сердце кометы» Дэвида Брина и Грегори Бенфорда.

 

Спящий корабль

Спящие корабли упоминались во многих научно-фантастических произведениях, в том числе в оригинальном сериале «Звёздный путь» в эпизоде «Космическое семя», в первом фильме «Планета обезьян», в начале 90-ых в сериале «Earth 2», и в «Известном космосе» Ларри Нивена.

В спящем корабле, экипаж будет проводить большую часть времени в анабиозе, где люди будут стареть очень медленно или вовсе не будут. Их физическое состояние будет контролироваться компьютером, и они, в конечном итоге, будут разбужены автоматическими системами корабля. Было предложено много методов анабиоза, в том числе крионика, химический анабиоз, переливание жидкостей, криогенная пауза, нанотехнологии, а также варианты использования сразу нескольких из этих методов. Продолжительность перелёта будет ограничиваться не только возможностями двигателя, но и тем, как долго экипаж сможет оставаться в анабиозе без риска проблем со здоровьем.

Из-за возможных нештатных ситуаций, не стоит держать весь экипаж в анабиозе в течение всего рейса. Отдельным членам экипажа, возможно, придётся просыпаться для «смены караула», бодрствующие будут контролировать системы и выполнять плановое техническое обслуживание, пока остальная часть экипажа спит. Например, в десятилетнем полёте с экипажем из двадцати человек, при смене в 2 человека, каждый проведёт год без анабиоза, следя за кораблём. На очень длинных, вековых или более полётах, корабль должен работать автоматически большую часть времени, с экипажем, лишь изредка просыпающимся на короткие периоды времени для планового технического обслуживания или в случае чрезвычайной ситуации.

 

Семенные корабли

Такие корабли — интригующая идея колонизации межзвездного пространства, хотя она во многом полагается на чрезвычайно продвинутый и надежный искусственный интеллект, и соответствующую робототехнику. Идея, время от времени, появляется в различных произведениях научной фантастики, таких как роман «Песни далекой Земли» Артура Кларка, мультфильм «Титан: после гибели Земли», и «Выжженная земля» — эпизод сериала «Звездные врата». Везде в этих работах семенные корабли являются основой сюжета.

Пока ещё не известны технологии, способные заморозить и успешно оживить человека. Тем не менее, есть испытанная технология, позволяющая хранить в замороженном состоянии человеческие зиготы (оплодотворенные половые клетки) в течение длительного периода времени, а затем разморозить их и довести до конечной стадии развития. Так как полагается, что ни один человек не может выжить в долгом межзвёздном перелёте, семенные корабли должны быть полностью автоматизированы. При достижении пункта назначения после многих лет в пути, корабль приземлится на найденной планете, и оборудование судна будет наблюдать за оттаиванием и развитием зародышей в инкубаторах. Когда дети «родятся», роботы будут их воспитывать, учить и готовить их быть первым населением новой человеческой колонии.

Наиболее вероятно, что первые люди, числом от нескольких человек до нескольких десятков человек, затем будут пробуждать и воспитывать сотни людей из биологических хранилищ корабля. Затем они сформируют первое человеческое общество на планете, которое разовьётся обычным образом в последующих поколениях.

На самом деле, самое трудное в такой миссии – это не звёздный двигатель или поиски межзвёздного пути, или что-нибудь из той же серии, самая большая трудность здесь — это искусственный интеллект и роботы, которые могли бы воспитывать и ухаживать за человеческими детьми, не вызывая каких-либо нежелательных психологических или физиологических воздействий. Разработчики такой миссии, несомненно, попытается сделать родительские компьютеры похожими на людей, насколько это возможно, с учётом того, что будет известно об использовании андроидов в человеческих обществах.

Альтернативой воспитанию детей роботами будет содержание детей в виртуальной реальности от рождения и до зрелости, как в фильме «Матрица», с поддержанием роста тканей, плотности костной ткани, и тонуса мышц за счет электродинамической стимуляции, либо восстановлением с использованием нанотехнологий. В среде виртуальной реальности, они будут проводить совершенно нормальное детство, а затем получат переходный сценарий, позволяющий психологически облегчить их жизнь на чужой планете.

Если такие технологии, как считывание и запись памяти станут доступными, они могут позволить клонированным и быстро выращенным человеческим телам записать память со всеми воспоминаниями и навыками, считанными у людей на родной планете.

Помимо человеческих зигот, судно может также нести замороженный генетический материал скота, сельскохозяйственных культур и других полезных форм жизни.

 

Терраформирующий семенной корабль

В «Титан: после гибели Земли» и в эпизоде «Выжженная земля» сериала «Звёздные врата» использовался этот тип корабля.

Колонизационный семенной корабль предполагает, что судно будет отправлено на заранее известную планету, где условия для людей уже существуют. Тем не менее, терраформирующй корабль создаётся с возможностью преобразования планеты (или, в случае с мультфильмом «Титан: после гибели земли» с возможностью преобразования соответствующей массы ледяных астероидов) для соответствия нужным требованиям. По возможности, планета должна быть намного больше, мощнее, и более продвинутой, чем Земля.

Кроме зигот колонистов, семенной корабль также должен нести генетический материал всех растений, животных и микроорганизмов, которые сформируют биосферу терраформируемой планеты. Он также должен быть достаточно технологичным, чтобы установить тонко сбалансированную экологию, избегая при этом множества подводных камней, которые могут сопровождать весь процесс установки биосферы на планету.

Обустройство целой планеты может быть долгим, трудным и ресурсозатратным процессом, занимающим многие столетия. Терраформирующий семенной корабль, таким образом, должен быть таким долговечным, каким должен быть самый долговечный корабль поколений, он должен очень, очень долгое время работать на автомате, учитывая сочетание многолетнего путешествия и многих сотен лет терраформирования планеты или массы тел размером с планету.

После того, как обитаемая среда установлена, судно будет выращивать человеческий экипаж, как это делает семенной корабль, описанный выше.

 

Заключение

Таковы лишь некоторые из возможных стратегий достижения звёзд человеком. В будущем, мы, несомненно, увидим бесчисленные идеи, касающихся возможностей межзвездных путешествий. Некоторым из нас, возможно, даже посчастливится жить достаточно долго, чтобы увидеть некоторые из этих теорий на практике, и стать свидетелями начала межзвездной жизни человечества.

Пол Лукас