Наскільки швидким і безпечним може бути космічний політ для людей?

0
324

Ми, люди, одержимі швидкістю. Не так давно з’явилися новини про те, що студенти в Німеччині побили рекорд найшвидшого електромобіля і ВПС США планує розробку гіперзвукового літака, який зможе рухатися в п’ять разів швидше швидкості звуку — швидше 6100 км/ч. Ці літаки будуть перевозити не людей — але не тому, що люди не можуть подорожувати з такою високою швидкістю. Насправді люди вже рухалися зі швидкістю, що перевищує 5 махов. Чи існує який-небудь межа, за якою наше тіло вже не зможе витримати навантаження швидкості? Поточний рекорд швидкості тримається вже 46 років. Коли він буде побитий?

Нинішній рекорд швидкості, з якою рухався чоловік, належить трійці космонавтів місії «Аполлон-10». Повертаючись на Землю після обльоту Місяця в 1969 році, капсула астронавтів розігналася до 24 790 км/год відносно планети Земля. «Думаю, сто років тому ми і уявити собі не могли, що людина може рухатися у космосі зі швидкістю майже в 40 000 км/год», — говорить Джим Брей з аерокосмічної компанії Lockheed Martin.

Але цей рекорд ми можемо побити відносно скоро. Брей є директором екіпажу проекту модуля «Оріон» для американського космічного агентства NASA. Космічний апарат «Оріон» призначений для перевезення астронавтів на низьку орбіту Землі і має хороші шанси побити 46-річний рекорд найшвидшого подорожі.

Space Launch System (SLS), нова ракета, яка буде перевозити апарат «Оріон», здійснить перші місії з екіпажем у 2012 році — обліт астероїда, захопленого на місячній орбіті — з прицілом на багатомісячну місію на Марс в найближчому майбутньому. В даний час дизайнери представлять типову максимальну швидкість для «Оріона» в 32 000 км/год. Але рекорд швидкості «Аполлона-10» може бути перевершений, навіть якщо дотримуватися базової конфігурації «Оріона».

«Оріон» призначений для самих різних цілей, його швидкість може бути набагато вище, ніж ми плануємо зараз».

І все ж навіть «Оріон» не зможе представити наш повний швидкісний потенціал. «Немає ніякої практичної межі швидкості нашої подорожі, хіба тільки швидкості світла», — каже Брей. Світ рухається зі швидкістю мільярд кілометрів на годину. Чи зможемо ми безпечно подолати розрив від 40 000 км/год до такої швидкості?

До нашого здивування, швидкість, тобто швидкість переміщення — сама по собі не є для нас фізичної проблемою, поки залишається відносно сталою в одному напрямку. В теорії люди можуть — тільки можуть і тільки в теорії — подорожувати зі швидкістю трохи нижче вселенського обмеження швидкості: швидкості світла.

Якщо допустити, що ми зможемо подолати відомі технологичні обмеження і побудувати швидкі космічні апарати, нашим крихким водянистим тілам доведеться мати справу з новими небезпеками, які випливають з таких високошвидкісних подорожей. Можливі небезпеки можуть з’явитися, якщо люди освоять подорожі швидше швидкості світла, зробивши приголомшливу парадигму відкриття або знайшовши лазівки в поточному фізичному стані.

Боротьба з перевантаженнями

Якщо ми розганяємося до 40 000 км/год, прискорення повинно відбуватися поступово. Швидке прискорення і гальмування можуть бути смертельними для людського організму: тілесні травми під час дорожніх катастроф з’являються в процесі миттєвого падіння швидкості з десятків кілометрів у годину до нуля за частки секунди. Яка причина? Властивість Всесвіту, відоме як інерція, в результаті якої об’єкт з масою пручається зміни стану руху. Ця ідея була висловлена ще в першому законі руху Ньютона так: об’єкт у стані спокою залишається в стані спокою, і об’єкт у русі перебуває в русі з тією ж швидкістю і в тому ж напрямі, поки на нього не впливають зовнішні сили.

«Для людського тіла сталість — це добре, — пояснює Брей. — Варто переживати тільки про прискорення».

Приблизно століття тому винахід літака, який може маневрувати на швидкості, призвело до того, що пілоти стали повідомляти про дивні симптоми, що супроводжують зміни швидкості і напрямку. Вони включали тимчасову втрату зору і відчуття невагомості або дезорієнтації. Причиною були G-сили, гравітаційні сили, G. Одна G дорівнює тяжінню земної гравітації до центру планети, приблизно 9,8 метра в секунду в квадраті (на рівні моря).

G-сили чинять вплив вертикально, з голови до п’ят, або навпаки, і це може бути дуже незручно для пілотів і пасажирів. Кров в ногах, яка відчуває вплив гравітаційної сили, приливає до голови, коли ми стаємо у вертикальну стійку. Очі і повіки наливаються кров’ю і намагаються випасти з орбіт. І навпаки, коли прискорення вільного падіння негативне, очі і мозок відчувають нестачу кисню, оскільки кров збирається в нижніх кінцівках. Зір затуманюється, стає сірим, після чого може настати повна втрата зору, «затемнення». Високе перевантаження може призвести до непритомності, втрата свідомості, викликана перевантаженням. Дуже багато пілотів загинуло через неможливість бачити і подальшого падіння.

У такий центрифузі готують пілотів до польотів

Середньостатистична людина може витримати високе перевантаження в 5G з голови до п’ят. Пілоти, що носять спеціальні костюми і натреновані напружувати м’язи торсу так, щоб кров не витікала з голови занадто швидко, можуть керувати літаком за 9G. «протягом коротких періодів тіло людини може витримувати навантаження вище 9G, — говорить Джефф Свентек, виконавчий директор Аерокосмічної медичної асоціації в Олександрії, штат Вірджинія. — Але витримувати їх протягом довгого часу можуть далеко не всі».

Якщо на зовсім вже короткі моменти, ми, люди, можемо перетерпіти перевантаження набагато вище, особливо не постраждавши. Рекорд миттєвої перевантаження належить Элаю Бидингу-молодшому, капітану американських ВПС. Він їхав задом наперед на санях з ракетним двигуном в 1958 році і прийняв на груди (буквально) навантаження на 82,6 G, коли сани розігналися до 55 км/год за одну десяту секунди. Бидинг вирубався, але відбувся лише синцями на спині, продемонструвавши неймовірні можливості організму.

Прямо в космос

У залежності від транспорту, астронавти також переживали досить високі перевантаження від 3 до 8 під час зльоту і входу в атмосферу відповідно. Ці перевантаження, як правило, представлені тиском сили тяжіння спереду назад, завдяки розумній практиці прив’язування космічних мандрівників до сидінь, особою орієнтованим у напрямку руху. Як тільки апарат набирає швидкість в 26 000 км/год на орбіті астронавти відчувають свою швидкість не більше, ніж пасажири комерційного авіалайнера.

І якщо G-сили не будуть особливою проблемою для тривалих місій «Оріона», невеликі космічні камінчики — мікрометеорити — цілком можуть бути. Ці камінчики розміром з зерно рухаються з неймовірною руйнівної швидкістю 300 000 км/ч. Щоб захистити судно і екіпаж, «Оріон» має зовнішнім захисним шаром товщиною в 18-30 сантиметрів в залежності від місця, а також іншим екрануванням і розумним обладнанням. «Нам лише слід мати на увазі, під яким кутом можуть потрапити мікрометеорити», — говорить Брей.

Мікрометеорити будуть не єдиною перешкодою для майбутніх космічних місій, коли люди розганятися до високих швидкостей. В процесі марсіанської місії доведеться вирішувати інші практичні питання, включаючи питання харчування екіпажу і збільшення тривалості життя його членів внаслідок радіаційного впливу. Скорочення часу подорожі, втім, може пом’якшити ці проблеми, чим швидше, тим краще.

Космічні подорожі нового покоління

Жага швидкості приведе нас до нових перешкод. Новітні судна NASA, які можуть побити рекорд швидкості «Аполлона-10», як і раніше будуть покладатися на перевірені часом рухові системи хімічних ракет, використовувані з часів перших космічних місій. Але у таких систем є істотні обмеження швидкості з-за низької кількості енергії, яку вони випускають на одиницю палива.

Отже, щоб досягти більш високих швидкостей для відправки людей на Марс і за його межі, вчені шукають нові підходи. «Системи, які у нас зараз є, досить гарні, щоб доставити нас туди, — каже Брей. — Але хотілося б побачити революцію у сфері реактивного руху».

Ерік Девіс, старший науковий співробітник Інституту перспективних досліджень в Остіні, описує три найбільш перспективних способу — з застосуванням традиційної фізики, які допоможуть людству досягти пристойних міжпланетних швидкостей. Якщо коротко, це три явища з виходом енергії: розпад, синтез і анігіляція антиречовини.

Перший метод полягає в розщепленні атомів, як це робиться в комерційних ядерних реакторах. Другий, синтез, з’єднує атоми в більш важкі атоми — ця реакція живить Сонце і наші надії на появу пристроїв термоядерного синтезу, які «завжди в 50 роках від нас».

«Просунуті технології, — каже Девіс, — але використовують традиційну фізику і добре зарекомендували себе з світанку атомного століття». Різноманітні рухові системи на базі синтезу і розпаду атомів можуть теорії розігнати апарат до 10% швидкості світла — а це, вибачте, 100 000 000 км/ч.

Кращим способом розігнати космічний апарат буде антиматерія, доппельгангер звичайної матерії. Коли два цих види речовини вступають у контакт, вони знищують один одного з виходом чистої енергії. Сьогодні вже існують технології виробництва та зберігання (хоча і в мізерних обсягах) антиматерії. Але виробництво антиматерії в розумних обсягах зажадають дорогих заводів наступного покоління, а проектування двигуна на антиречовину буде ще дорожче. Втім, вчені не сидять без діла, і, як каже Девіс, на креслярської дошці є чимало хороших проектів.

З двигунами на паливі з антиречовини космічний апарат можна розганяти за місяці або роки до дуже високих відсотків швидкості світла, зберігаючи G на прийнятному рівні для пасажирів. Але ці фантастичні швидкості народжують нові небезпеки для людського організму.

Енергійний град

При швидкості в кілька сотень мільйонів кілометрів на годину кожна порошинка в космосі, від атомів водню до мікрометеоритів, стає потужною кулею, яка спрямовується в корпус апарату. «Коли ви рухаєтеся з високою швидкістю, з такою ж високою швидкістю рухається і частка по відношенню до вас», — говорить Артур Едельштейн, що займається ефектами впливу атомів космічного водню на надшвидкі космічні подорожі.

Хоча на один кубічний сантиметр в космосі присутня приблизно один атом, космічний водень перетвориться на бомбардування інтенсивної радіації. Цей водень увіллється в субатомні частинки, які будуть проходити крізь корабель, опромінюючи екіпаж і обладнання. При швидкості в 95% світлової, опромінення майже миттєво стане смертельним. Корабель розжариться до температури плавлення будь-якого мислимого матеріалу, а вода в тілах членів екіпажу моментально скипить. «Це досить неприємні проблеми», — уїдливо зауважує Едельштейн.

Разом з батьком він підрахував, що у відсутність гіпотетичного магнітного екрана, який буде відображати весь смертельний водень, зоряний корабель зможе рухатися лише в половину швидкості світла, не піддаючи небезпеки членів екіпажу.

Марк Миллис, фізик рухових систем і колишній глава програми проривний фізики реактивного руху NASA, попереджає, що такий потенційний межа швидкості руху людини залишається досить віддаленій проблемою. «Якщо ґрунтуватися на вже перевіреної фізики, швидкості вище 10% світловий буде дуже складно досягти, — каже він. — Поки ми в безпеці. З таким успіхом ми повинні переживати про можливості потонути, коли навіть до води ще не добралися».

Швидше світла

Припустимо, ми навчилися плавати, продовжуючи аналогію, чи зможемо ми коли-небудь підкорити хвилі простору-часу і почати подорожувати з надсвітловою швидкістю?

Стійка популярність надсвітловою руху, яка хоча і залишається суто спекулятивної, не обходиться без спалахів в темряві. Один з цікавих сценаріїв надсвітловою руху включає «варп-двигун» на зразок того, що був в серіалі «Зоряний шлях». Так званий двигун Алькубьерре стискає звичайне простору-часу, описане ейнштейнівської фізикою, перед космічним кораблем, розширюючи його позаду. В результаті судно залишається в шматку простору-часу — варп-міхурці, міхурі деформації — який рухається швидше за швидкість світла. При цьому судно перебуває в стані спокою в звичайному просторі-часу, ніяк не порушуючи фундаментальний межа світлової швидкості.

У чому підступ? Цей концепт вимагає екзотичної форми матерії, що володіє негативною масою, щоб стискати і розширювати простір-час. «Фізика не забороняє від’ємну масу, — каже Девіс. — Але не знає таких прикладів і ніколи не зустрічала її в природі». Ще один підступ: робота вчених Сіднейського університету за 2012 рік показала, що варп-міхур буде збирати високоенергетичні космічні частинки, неминуче взаємодіючи з вмістом Всесвіту. Деякі частинки можуть проникнути в сам міхур, опромінюючи корабель радіацією.

Приречені бігти за світлом

Невже ми назавжди застрягли на субсвітловою швидкості з-за нашої тендітної біології? Від цієї відповіді залежить не тільки можливість встановлення нового людського (або галактичного) рекорду швидкості, але і перспективи нашого становлення міжзоряним співтовариством. При швидкості в половину світловий, якою нас обмежив Едельштейн, подорож до найближчої зірки займе 16 років.

Але Миллис дає надію. Дивлячись на те, як люди винайшли костюми для того, щоб впоратися з високим навантаженням гравітації, і микрометеоритное екранування для безпечної подорожі на приголомшливої швидкості, можна припустити, що ми розробимо способи подолання швидкісних бар’єрів одного за іншим.

«Якщо вже технології дозволять розвинути досі небачені швидкості, якщо майбутня фізика виявить таку технологію можливою, — каже Миллис, — все це дасть нам нові, неймовірні можливості захисту екіпажів».