?

Log in

No account? Create an account

zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Flag Next Entry
Путь в тысячи жизней
zelenyikot


Совместно с «Вокруг света» сравниваем возможности различных межзвездных проектов достижения ближайших звезд в течение человеческой жизни.

Предложенная Юрием Мильнером и Стивеном Хокингом неожиданная идея совсем не первая межзвездная инициатива, но одна из немногих, родившихся в XXI веке. Бурный энтузиазм начала космической эры за последние полстолетия заметно стих. Стало очевидно, что, несмотря на развитие технологий, звезды от нас по-прежнему очень далеки.

Далеки в буквальном смысле. Нашему сознанию очень сложно оценить масштабы космоса даже совсем «близкого» — до соседней звезды. Простой пример: из построенных человеком космических аппаратов самый быстрый и дальше всего улетевший — зонд Voyager 1. Так вот, почти за 40 лет он проделал путь менее чем в 19 световых часов со скоростью 17 км/с. Расстояние до ближайших звезд превышает 4 световых года. На преодоление этого пути Voyager 1 потратит около 80 тыс. лет.

Однако государства и общественные организации неоднократно совершали попытки разработать аппарат, способный покрывать межзвездные расстояния в течение человеческой жизни. Ход инженерной мысли в этом направлении напоминает эволюцию животного мира: динозавры постепенно вымерли, уступив место маленьким, но эффективным собратьям.

Orion
1958 год
Масса 100 000 т



Один из самых первых проектов и до сих пор один из самых реализуемых — Orion компании General Atomics и Принстонского института перспективных исследований. Возглавил проект в 1958 году физик Фримен Дайсон, хорошо известный широкой публике концепцией «Сферы Дайсона» (рукотворного сферического сооружения размером с планетную систему со звездой в центре).

Orion должен был использовать в движении принцип ядерно-импульсного двигателя: корабль оснащался бы амортизированной металлической плитой-толкателем в кормовой части, позади которой производились подрывы ядерных бомб. Изначально такой корабль предназначался для межпланетных перелетов и даже как средство выведения космических аппаратов с Земли на околоземную орбиту. Через 10 лет Orion переориентировали на межзвездные перелеты, заменив ядерные бомбы на термоядерные.

Межзвездный Orion должен был весить 100 тыс. тонн (без топлива), нести на борту 300 тыс. термоядерных бомб мощностью в 1 мегатонну, разгоняться до скорости в 3% от скорости света и добираться за 133 года до ближайшей звездной системы альфа Центавра. Для сравнения: Международная космическая станция, которую 15 лет строили всем миром, весит чуть более 400 тонн, то есть меньше в 250 раз. Тем не менее проект Orion остается самым близким к реальности из всех имеющихся, так как базируется на уже существующих технологиях извлечения энергии.

Daedalus
1970-е годы
Масса 4000 т



В 1970-е годы Британское межпланетное общество разрабатывало идею звездолета Daedalus («Дедал»). В те годы полагали, что вот-вот мы научимся использовать термоядерную энергию, поэтому корабль должен был работать на импульсном термоядерном двигателе, использующем энергию слияния ядер атомов гелия-3 и дейтерия в топливных гранулах под воздействием пучков электронов. Формируемая таким образом плазма должна удерживаться магнитным зеркалом и направляться в магнитное сопло для придания ускорения звездолету.

Daedalus был бы беспилотником (масса 4 тыс. тонн без топлива, 54 тыс. тонн с топливом и 500 тонн полезной научной нагрузки). Аппарат предполагалось сделать двухступенчатым: первая ступень разогнала бы конструкцию до 7% скорости света, а вторая — до 12%. На такой скорости полет до цели, звезды Барнарда (6 световых лет от Земли), должен составить 46 лет. Торможения у цели не предусматривалось, поэтому аппарат в момент пролета мимо звезды выпустил бы целый рой исследовательских зондов: они бы собрали максимум информации, изучили возможную планетную систему, передали все на «Дедал», а уже тот переправил бы собранные сведения на Землю. Но термоядерная энергетика так и не появилась на свет, и не обнаружены планеты у звезды Барнарда (нынешние телескопы на это вполне способны), поэтому проект остался на бумаге.

Longshot
1980-е годы
Масса 400 т



В 1980-е годы в США предложили новую концепцию межзвездного беспилотного аппарата Longshot. Фактически в Longshot предлагалось использовать два реактора: ядерный и термоядерный. Первый обеспечивал бы питание бортовых систем, системы связи и лазерной системы импульсного термоядерного реактора. Топливные гранулы подрывались под воздействием лазерных лучей.

Longshot должен был весить намного меньше «предшественников», не более 400 тонн, и собираться на орбите. Целью полета была выбрана система альфа Центавра, и добираться до нее пришлось бы около 100 лет. Масса полезной нагрузки сократилась уже до 30 тонн, и это позволило уменьшить общую массу звездолета и предусмотреть выход на орбиту соседней звезды. Собранная информация ушла бы на Землю по лазерному лучу мощностью 250 киловатт. Скорость передачи данных от альфы Центавра составила бы всего 1 Кбит/с.

Dragonfly
2015 год
Масса 3 кг



Идея использовать в полете электромагнитные эффекты получила развитие в виде «электрического паруса», которым можно «отталкиваться» от потоков заряженного солнечного ветра и набирать с его помощью скорость до нескольких сот километров в секунду. Подобный проект HERTS сейчас рассматривает NASA в качестве концепта, но такой движитель пригоден только для относительно быстрых и небольших межпланетных зондов. Для перелетов меж звезд это все равно, увы, слишком медленно. Значит, чтобы увеличить скорость, надо еще снизить массу.

Расцвет микроэлектроники в начале XXI века и новых технологий спутникостроения подсказали, в каком направлении могут развиваться проекты межзвездных зондов. В 2015 году международная группа студентов из Египта, США, Германии и России предложила разработку космического аппарата микрокласса, массой всего в несколько килограммов. Зонд Dragonfly предполагалось создавать на базе набирающего популярность стандарта космических аппаратов CubeSat. Для повышения надежности миссии было предложено не повышать надежность одного аппарата (что сделает его тяжелым и очень дорогим), а запустить огромное количество дешевых зондов в надежде, что хоть один долетит успешно. Малая масса Dragonfly объясняется просто: на его борту не будет вообще никакого топлива. Нужное ускорение предлагается получать при помощи паруса, давление на который обеспечивалось бы мощным световым потоком от лазеров с Земли.

Breakthrough Starshot
2016 год
Масса 3 г



Дальнейшее развитие идей Dragonfly произошло в рамках проекта Breakthrough Starshot, который представили весной 2016 года Юрий Мильнер и Стивен Хокинг. Теперь предлагается снизить массу еще в тысячу раз и запускать «звездолеты» StarChip размером с почтовую марку и массой в 1–2 грамма. Инициаторы проекта убеждены, что нынешняя динамика развития электроники позволит создать полноценный исследовательский космический аппарат с такими габаритами.Набирать скорость StarChip должны точно так же — при помощи светового паруса и мощной лазерной установки. Лазеры, конечно, нужны совсем не такие мощные, как в проекте Dragonfly. Тем не менее потребуется поле размером 10 на 10 километров, уставленное киловаттными лазерами, чтобы придать аппарату нужную скорость в 20% скорости света. Тогда StarChip сможет достичь системы альфа Центавра за 20 лет. На воплощение своей идеи авторы Breakthrough Starshot отводят тоже 20 лет, первоначальное финансирование определено в 100 миллионов долларов.

Слабые шансы

Немыслимые расстояния —не единственное препятствие на пути к звездам. Корабль полетит через межзвездные облака пыли и газа, точных концентраций которых сейчас не знает никто. Электронике придется противостоять высокоэнергичным космическим частицам, от которых не спасет никакое экранирование. Для малых аппаратов практически неразрешимой проблемой становится передача данных. Не менее сложной задачей остается получение необходимой энергии для движения. Так, «наиболее реальный» Orion требует запасов термоядерного оружия в двадцать раз больше, чем сегодня накоплено на Земле. Требующий меньше всего энергии проект Breakthrough Starshot все равно нуждается в лазерной установке площадью 100 квадратных километров, питание которой обеспечивала бы вся атомная энергетика США.

Видя эти пока непреодолимые препятствия на пути к звездам, некоторые вполне серьезные ученые начинают размышлять о гипотетических средствах передвижения. Еще в прошлом веке рассматривались идеи фотонных звездолетов на антиматерии, которая является самым выгодным топливом по соотношению массы и выделяемой энергии. Только вот нет под рукой столько антиматерии, а ее получение в требуемом количестве современными методами вообще невозможно. Сегодня же более популярна идея искажения пространства для потенциально сверхсветовых перелетов. Небольшая лаборатория NASA работает над математической моделью двигателя Алькубьерре, сжимающего пространство перед аппаратом и расширяющего за ним. Другие надеются найти гипотетическую червоточину, соединяющую разные точки пространства. Проблема только в том, что червоточины и двигатели Алькубьерре возможны лишь на досках в виде формул, так как требуют отрицательной массы, которую пока невозможно даже представить.

"Вокруг света"
zelenyikot


promo zelenyikot september 5, 2018 07:45 77
Buy for 800 tokens
Наконец-то я могу официально объявить, что в продаже появилась научно-популярная книга моего авторства об исследовании Солнечной системы автоматическими межпланетными станциями. Здесь можно найти как описание отдельных космических миссий последних лет, так и обобщенные результаты исследований…

  • 1
Старики и старухи нарожают новых поколений исследователей, за время полета. Выпитое море воды и съеденной тушенки не сложно преобразовать в море воды и выращенной картошки.

"Старики и старухи нарожают новых поколений исследователей, за время полета."
С какого возраста начнут рожать? В каком возрасте стартуют? Совместите эти числа и получите, что рожать надо сразу после старта.
Без необходимой гравитации (ее величина заложена генетически) родятся нежизнеспособные уродцы, уж никак не исследователи. И не всяк даже нормально рожденный способен стать исследователем. Новое веяние - о новорожденном невозможно знать, в душе он М или Ж, этих ни то ни се толпами парады проводят. И уж технарь или гуманитарий по складу ума - темный лес.

"Выпитое море воды и съеденной тушенки не сложно преобразовать в море воды и выращенной картошки."
Ссылки пожалуйста на успещные волшебные превращения. Проект Биосфера 2 с треском провалился. http://poznavatelno.net/proekt-biosfera-2-vozmozhna-li-zhizn/
Всего 8 человек и оказалось, что площадь 1,2 га мала, чтобы их прокормить. Вдыхаемый кислород в организме частично переходит в связанное состояние и в экосистему не возвращается. В сутки человек усваивает из воздуха около килограмма кислорода (O2). Примерно три четверти из этого количества выделяется с дыханием, но уже в составе углекислого газа (CO2), которого в выдыхаемом воздухе содержится примерно 5%. В то же время предельно допустимая объемная концентрация CO2 составляет лишь десятые доли процента. Вместо килограмма кислорода на человека в сутки придется брать в полет в 100 раз больше.
Все подробно тут http://galspace.spb.ru/orbita/13.htm

По российским нормативам для нормальной работоспособности космонавт должен получать в сутки 2,2 литра воды, из которых около 0,75 литра используются для питья. У американских астронавтов норма расхода воды больше — примерно 3,6 литра.
Еда- нормой считается суточное потребление примерно 500—600 граммов пищи (в пересчете на сухую массу) при калорийности 2500—2700 килокалорий.
Просто умножив и сложив можно получить массу воды, еды и кислорода которые надо иметь на корабле. Я считал - огромные числа.
О технических проблемах с расчетами и числами тут http://go2starss.narod.ru/pub/E009_RMP.html
Впечатляюще это
"При v=0.1c получим Е=0.045 Дж и d=0,00126·0.356=0.000448 м=0.45 мм. Легко найти, что пройдя путь в 1 световой год, экран звездолета встретит n=rs=10-12·9.46·1017 =106 пылинок на каждый см2 ,и каждые 500 пылинок сроют слой 0.448 мм экрана. Значит, после 1 светового года пути экран будет стерт на толщину 90 см. Отсюда следует, что для полета на таких скоростях скажем, к Проксиме Центавра (только туда) экран должен иметь толщину примерно 5 метров и массу около 2.25 тысячи тонн."
И так далее в том же духе.


Почитайте про концепт корабля поколений, да, будет проблема с тем что не все родившееся в процессе полета будут идеальными исследователями, но это не слишком большая проблема.
На достаточно большом корабле можно придумать как решить вопросы гравитации при помощи той же центробежной силы.
Касательно мегапопулярного и всем известного провала Биосферы 2, там вообще провал достаточно закономерен, так как весь расчет был на то, что внутри замкнутого пространства растения, насекомые, животные и люди сами по себе придут к самобалансу.
Нет, не пришли, копию биосферы земли на 1,2 га просто собрав там кучу живых организмов и разные климатические зоны создать не получилось.
Гораздо показательнее эксперимент БИОС-3 https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%98%D0%9E%D0%A1-3, где подход был куда более научным и постепенным и результаты у него куда лучше, по воде и газу полное замыкание!
Касательно проблем полетов со скоростями близкими к скорости света, да, есть энное число проблем, но тут все зависит от скорости полета, чем меньшую скорость мы выберем, тем проще будет с тем же экраном, посмотрите что будет при скорости в 0,03с или в 0,01с.

//"При v=0.1c получим Е=0.045 Дж и d=0,00126·0.356=0.000448 м=0.45 мм. Легко найти, что пройдя путь в 1 световой год, экран звездолета встретит n=rs=10-12·9.46·1017 =106 пылинок на каждый см2 ,и каждые 500 пылинок сроют слой 0.448 мм экрана. Значит, после 1 светового года пути экран будет стерт на толщину 90 см. Отсюда следует, что для полета на таких скоростях скажем, к Проксиме Центавра (только туда) экран должен иметь толщину примерно 5 метров и массу около 2.25 тысячи тонн."//

Ну и в чем проблема? Так ведь и так с собой нужно тащить массу воды, например. Вот пусть она и работает экраном (благо, запасы ее достаточно легко будет пополнить в системе-цели).

Ну в целом да, забыл дописать что это не глобальная проблема, экран получается вполне себе терпимых размеров даже на скорости в 0,1 с.

Именно. Главное достоинство Космоса - у нас много места)

" да, будет проблема с тем что не все родившееся в процессе полета будут идеальными исследователями, но это не слишком большая проблема."
Не все? Да не будет среди потомства вообще способных на что либо. Я назвал только отсутствие нормальной гравитации, но причин еще множество. И мозг наиболее чувствителен.

"БИОС-3.....результаты у него куда лучше, по воде и газу полное замыкание!" В Биосфера 2 сначала тоже все было нормально. Продолжительности БИОС-3 3 человека 180 дней макс не впечатляют и "Удалось достичь полного замыкания системы по газу и воде" - за это время не доказать и "до 80 % потребностей экипажа в пище." было и в Биосфере 2.

"чем меньшую скорость мы выберем, тем проще будет с тем же экраном, посмотрите что будет при скорости в 0,03с или в 0,01с"
и до ближайшей звезды 400 лет полета. Почитайте историю Зеьли. Что и насколько изменилось за 400 лет...
Шапкозакидательны Ваши доводы.


Как вам уже пояснили и я и Александр, сделать нормальную гравитацию на корабле не проблема, и другие проблемы тоже можно решить.

Вы читали вообще подробности про Биосферу-2? Проблемы с кислородом у них начались чуть ли не через несколько недель. Два положенных года они прожили только за счет упрямства и закачки кислорода извне. Биосфера-2 была изначально жуткой авантюрой(слишком большая сложность, отсутствие предварительных экспериментов в малых масштабах и тд и тп), поэтому распространять её неудачный опыт на все проекты по замыканию круговорота веществ совсем неправильно. Так что БИОС-3 куда показательнее, подобный же проект ведется достаточно успешно у китайцев, к сожалению с русскоязычной информацией по нему по понятным причинам проблемы.

Ну да, межзвездный полет это непросто, никто не спорит, но совсем неразрешимых проблем особо не видно(разве что социально-экономические и то...), а на указанные вами проблемы даны варианты как их можно попробовать решить.

Как сделать точно земную гравитацию в косм. корабле описано еще в 30-х. Вас волнуют мелочи. И она и радиация - очень легко преодолимые проблемы. Есть лишь одна посерьезнее, но и она решаема.

Даже "экран" о котором вы говорите -- проблема малая. Ежу понятно, что любой полет будет идти сразу за щитом -- например, астероидом. Тем более, что запас воды туда можно дать огромный. Воспроизводимость ресурсов -- простая задача. Ваша отсылка к "Биосфере" -- мимо кассы. Биосфера ставила иную задачу, не самообеспечения. а самообеспечении с минимальными переделками земных экосистем. Реальное восп. еды и кислорода в космосе требует банальных вертикальных ферм. которые и сегодня справляются. Там проблем с бактериями и потреблением ими кислородом просто не возникнет, т.к. субстрата для них не будет. Вертикальные фермы вполне работают уже сегодня в обычной пищевой индустрии. И так далее, в то же духе.

"Вас волнуют мелочи. "
Оглянитесь, все неприятности от мелочей. На МКС малая гравитация выводит кальций из организма с мочой. Кости скелета слабеют и у америкосов кальцием засорился унитаз, бегали к россиянам.
В таком полете мелочей нет.

Как я уже отметил, это мелочи не потому, что они неважны, а потому что решения этих проблем давно предложены и довольно просты.

1. мы не знаем, принципиальна ли проблема с гравитацией. И не узнаем, пока не будем иметь колонию с постоянным населением на Луне либо Марсе

есть большая вероятность того, что эта проблема решается силами инерции (при ускорении) или центробежной силой


2. Проект Биосфера-2 не провалился. Проект (пусть и авантюрный и изначально неверно реализованный) дал интересные результаты даже на первой итерации, но из-за потери интереса инвестора был заброшен.

Верхом наивности было надеяться на успех сразу. Огромная глупость -- называть это провалом и делать какие-то далеко идущие выводы о чем-либо, помимо умственных способностей конкретно этих исследователей, проектировщиков, а особенно руководителей проекта. при правильной организации и достаточном финансировании это должны были бы быть десятилетия опытов, переделок, множество экспедиций и, в конечном итоге, успешное замыкание цикла.


1. Проблема с гравитацией принципиальна, с медицинской точки зрения доказано, с технической пока решений нет. Центробежная "гравитация" не годится. Инерция при ускорении кратковременна, посчитайте.

2.Проект Биосфера-2 все же провалился и виноваты недодумие и некомпетентность организаторов.

В последнем абзаце Вы именно правы.

1. Инерция при ускорении, а затем торможении межзвездного корабля будет работать очень долго.

Опытов по длительного использованию центробежной силы для имитации гравитации не было

Опыта длительного пребывания при ослабленной (лунной или марсианской) гравитации нет. Даже на мышах не исследовалось.

мы пока что ничего не можем утверждать. Вот вообще ничего

2. В любом случае, это вопросы к конкретному эксперименту (на мой взгляд, очень преждевременно прекращенному) Но это никак не дискредитирует идею в целом

Запускать автоматические корабли с батареями искусственных маток и поддерживающими роботами по всей галактике. Зачем самим людям лететь и рожать?

  • 1