?

Log in

No account? Create an account

zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
Можем ли мы добраться до звезд?
zelenyikot


Meduza попросила рассказать доступно, что задумали Мильнер и Хокинг, когда объявили свой межзвездный проект. Карточки - классная система подачи информации, самодостаточны даже без иллюстраций. Публикую расширенную версию, которая была немного сокращена редакцией. Тему межзвездных перелетов будем продолжать.

Что случилось?

Просто: Российский миллиардер Юрий Мильнер и британский физик Стивен Хокинг сообщили, что приступили к разработке первого беспилотного звездолета.

Сложнее: На пресс-конференции 12 апреля 2016 года российский бизнесмен Юрий Мильнер и британский физик-теоретик Стивен Хокинг рассказали о старте новой программы Breakthrough Starshot с начальным финансированием в 100 миллионов долларов. В рамках программы планируется разработать концепт микроскопического космического аппарата массой 1 грамм с солнечным парусом, который сможет развить скорость около 0,2 скорости света и в течение человеческой жизни добраться до ближайшей соседней звезды — альфы Центавра. Аппарат должен быть оборудован бортовым компьютером, фотонными двигателями коррекции, фотокамерой, источником питания и системой передачи данных — и все это в пределах 1 грамма. Солнечный парус должен обеспечивать движение за счет давления солнечного света, хотя основной импульс предполагается задавать мощным концентрированным пучком лазерных лучей с Земли.

А это вообще реально? Это же очень далеко

Просто: Мы уже сейчас можем отправить аппарат к другим звездам, но мы не доживем до момента, когда он долетит.

Сложнее: В повседневной жизни нам сложно представить реальные космические расстояния. В сравнении с подсчитанным расстоянием в миллионы и миллиарды световых лет до отдаленных галактик и квазаров расстояние в четыре световых года до ближайшей звезды кажется смехотворно малым. В то же время самый быстрый космический аппарат Voyager-1, летящий с фантастической скоростью почти 17 километров в секунду, за почти 40 лет пролетел меньше одних световых суток. Для того чтобы лучше представить космические масштабы, предположим, что диаметр Земли равняется одному миллиметру. В таком случае расстояние до Луны составит три сантиметра, до Солнца — 11 метров, до Плутона — 386 метров, до Voyager-1 — полтора километра. А до альфы Центавра — 3250 километров.

Как разогнаться быстрее Voyager-1?

Просто: Сесть на бочку с термоядерным порохом.

Сложнее: Еще в 60-е годы XX века, когда человечество осознало всю мощь термоядерной реакции, появились проекты, предполагавшие использование этой силы для путешествий в космосе. Концепций было несколько — от довольно примитивных, когда из-под хвоста корабля время от времени вываливаются и подрываются термоядерные бомбы, до более продвинутых версий с поддерживаемой термоядерной реакцией на борту звездолета. Была даже идея прямоточного термоядерного ракетолета с гигантским раструбом для захвата разреженного межзвездного газа. Все эти разработки не покинули чертежных досок и страниц фантастических книг. Сейчас космонавтика идет классическим путем: например, относительно легкий аппарат New Horizons запускался тяжелой ракетой, благодаря чему получил стартовую скорость больше, чем у Voyager.

Есть что-то реальнее термоядерного двигателя и выгоднее ракетного?

Просто: Есть солнечный парус.

Сложнее: Идея солнечного паруса была теоретически обоснована в 20-е годы ХХ века Фридрихом Цандером. Если мы развернем в космосе достаточно широкое и легкое зеркало, то отраженный от него солнечный свет будет сообщать импульс, который позволит разгоняться вплоть до субсветовых скоростей. Такие концепты на основе сверхтонких металлизированных пленок в космосе уже тестировали, но стартовать с таким парусом выгоднее всего от самого Солнца, так как давление света падает по закону обратных квадратов: при удвоении расстояния давление света падает в четыре раза. Солнечный парус часто путают с электрическим парусом, который состоит из положительно заряженных проводов, вытянутых в космосе, на которые оказывает давление отрицательно заряженный солнечный ветер — потоки ионизированной плазмы от Солнца. Да, солнечный парус не использует солнечный ветер — вот такой парадокс космической терминологии. Если использовать электрический парус и солнечный ветер, в теории можно разогнаться до нескольких сотен километров в секунду, но эта технология больше подходит для относительно быстрого достижения отдаленных регионов Солнечной системы. До ближайших звезд лететь все равно придется сотни или тысячи лет.

В чем ноу-хау проекта Мильнера и Хокинга?

Просто: Никакого ноу-хау нет, они берут маленькие спутники с большим парусом и не ждут помощи от Солнца, а стреляют в парус мощной лазерной пушкой с Земли.

Сложнее: Изложенная концепция фактически опирается на технологии, которых нет, но в теории они должны появиться в ближайшие 10 лет. Starshot полагается на закон Мура, рассчитывая, что если 10 лет назад спутники весили тонну, а сейчас один килограмм, то через 10 лет они дойдут до 1 грамма. Толщину пленки для паруса они считают не в долях миллиметра, а в сотнях атомных слоев. Сейчас более-менее реализуемо выглядит только наземная часть с огромным полем самонаводящихся лазеров.

Это сработает?

Просто: В той концепции, что изложена, — нет. Но у проекта есть 20 лет и 100 миллионов долларов, чтобы исправить ошибки.

Сложно: Предположим, авторам проекта удалось создать однограммовые космические аппараты с фотокамерой, фотонными двигателями, радиоизотопным источником питания и десятиметровым мономолекулярным парусом. На Земле размещена мощная лазерная установка, способная разогнать эти микропарусники (а их будет множество) до 60 тысяч километров в секунду за несколько минут. Какие сложности их ждут впереди? Во-первых, такие мощные лазеры в доли секунды спалят наши микропарусники. Если мы ослабим импульс, то по мере удаления от околоземной орбиты лучи будут рассеиваться и давление будет падать. Но это еще можно обойти, если повысить мощность или добавить новые лазерные лучи.

Во-вторых, межпланетная пыль, сталкиваясь на субсветовой скорости с парусом, имеющим большую площадь, сделает из него решето, отклонит от основной траектории, и любая пылинка превратит при встрече суперсовременный однограммовый космический аппарат в межпланетную соринку.

В-третьих, межзвездная пыль тоже существует, хоть мы пока не знаем, сколько ее, но пылевой датчик на New Horizons должен подсказать через несколько лет.

В-четвертых, нельзя забывать о межгалактических космических частицах, которые относятся к самой жесткой форме космической радиации — такая погубила «Фобос-Грунт». В Солнечной системе от них частично прикрывает гелиосфера, а на межзвездных орбитах защиты не будет.

И, наконец, самое главное — если аппарат каким-то чудом достигнет другой звездной системы и произведет фотосъемку, то он не сможет никак передать снимки на Землю. Например, Voyager практически наполовину состоит из трехметровой спутниковой тарелки — и скорость связи с ним 0,1 кбит/с. Учитывая разницу в расстоянии, даже современные телекоммуникационные спутники не обеспечат связи с соседней звездой. Лазер для связи тоже не вариант: энергии потребуется как от нескольких атомных электростанций. Но это не значит, что проект нереальный, пока лишь обозначена цель и предложена концепция решения задачи. На ее решение предлагается отвести 20 лет, к разработке приглашаются лучшие ученые. Проект обещают сделать полностью открытым — с публикуемой документацией и обсуждением на форуме.

А что это вообще за альфа Центавра?

Просто: Ближайшая к Солнцу звезда.

Сложно: Альфа Центавра — это двойная звездная система, которая содержит две звезды, вращающиеся вокруг одного центра масс в масштабе Солнечной системы. К этой двойной системе гравитационно «прицеплен» третий компонент — красный карлик Проксима Центавра, вращающаяся на расстоянии 0,24 светового года. Проксима Центавра немного ближе к Земле, чем альфа, но красный карлик — это неполноценная звезда, поэтому она менее интересна, в отличие от двух солнцеподобных альф Центавра А и В. Пока в этой двойной системе обнаружена лишь одна планета, которая вращается у звезды так близко, что там, скорее всего, нет даже атмосферы, не то что жизни. Предполагают, что в этой системе могут быть еще планеты, которые перепрыгивают от одной звезды ко второй, но пока четкого подтверждения этому нет — и для обитаемости такая резкая смена условий не особо благоприятна.

Зачем тогда лететь?

Просто: Тут два ответа. Во-первых, такие проекты нужны для расширения наших знаний о Вселенной. Во-вторых, мы изучили уже все у себя под носом, пора посмотреть шире.

Сложнее: В 2015 году мы незаметно вступили в новую эру космонавтики — практически закончили осмотр нашей Солнечной системы. Еще мало что известно о далеком поясе Койпера — и еще меньше об Облаке Оорта. И идут разговоры о еще не открытой девятой планете. Но все известные планеты, несколько комет, несколько астероидов и масса спутников планет уже изучены. И результатом этого изучения стало разочарование. Мы не нашли ни марсиан, ни даже развалин их цивилизации с запасами сверхпроизводительного энергоносителя, не встретили динозавров на Венере, не обнаружили на Луне ни одной летающей тарелки после крушения. Оказалось, что Земля — самое комфортное для проживания место, которое по запасам полезных ископаемых не беднее, а кое-где и богаче всех остальных известных планет. Пока еще остается надежда найти каких-нибудь рыб или кальмаров-убийц в океанах Европы или Энцелада (спутников Юпитера и Сатурна), но сейчас мы уже знаем, что в любой точке Солнечной системы без систем жизнедеятельности человек не проживет дольше полуминуты. Получается, мы либо должны смириться с мыслью, что достигли своего предела и можем расселяться только в Сибири и Антарктиде, либо надо идти дальше. И запускать роботов: сначала к альфе Центавра, потом к Глизе 581, тау Кита — и искать вторую Землю, а если повезет, то и ее обитателей.

meduza.io

А вообще, зачем?

Просто: Да потому, что это просто о...фигенно! Корабль в космос: "Вжжжж", ты такой: "Поехали!".

Сложнее: "Зачем?" - задавайте этот вопрос себе каждое утро при первых звуках будильника, и, я уверен, вы согласитесь, что самый достойный ответ будет "Для расширения границ познания, и увеличения возможностей человека и Человечества".

zelenyikot
Добавляйтесь в друзья, подписывайтесь на Twitter и Facebook
Subscribe to  zelenyikot

promo zelenyikot september 5, 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
> Потихонечку, полегонечку, строить на орбите мощную АЭС.

Не получится.

АЭС на Земле может работать только потому, что на Земле можно построить градирни или охлаждать конденсаторы проточной водой.

На орбите тепло отводить тупо некуда -- излучение очень неэффективный способ...

Сразу видно - человек в теме.
Конечно, какие нафик АЭС в космосе? Бред.
Разве что только придумают мирный термояд и его практическое использование.
Хотя, всё равно бред )

Мирный термояд проблему отвода тепла не решит.

Кроме излучения для отвода тепла есть ещё абляция и другие способы выброса рабочего тела.

АЭС в космосе не бред, просто характеристики реакторов (управляемость, способность сжигать топливо относительно быстро за пару лет, и большая минимальная мощность) пока не востребованы.

А так есть уже готовый к производству вариант генератора - https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Stirling_radioisotope_generator

Который бы сделали уже давно, если бы министерство обороны не производило меньше плутония или не делилось им с насой. Там не реактор, но "турбина" вместо термопар - механический поршневой генератор с рабочим телом и суперподшипниками на 20+ лет.

Как появится нужда иметь хотя бы несколько киловатт на небольшой срок на орбите юпитера - будут думать как лепить реактор. А так реакторы для нужд космоса есть и даже летали в СССР на низкой орбите - см. https://en.wikipedia.org/wiki/TOPAZ_nuclear_reactor 5квт, 5 лет, 320 кг, 12 кг урана

Для сравнения на вояджере 0.2квт, 40 лет, 120 кг, 13.5 кг плутония

Но ближе орбиты Юпитера имеет смысл лепить солнечные батареи (в принципе есть варианты использовать солнце даже на орбите Сатурна), а если нужна большая непрерывная мощность десятки лет - то имеет смысл неуправляемая реакция с механическим генератором.

Да кагбэ в космосе АЭС городить без надобности, тем более с градирнями - если станция стационарная или хотя бы перемещается по предсказуемой орбите, то солнечной энергии дофига. Хоть теплоноситель кипяти для турбины, а хоть прямо так на панелях генерируй (лучше, конечно, все вместе - панелями выложить тарелку-концентратор). Были еще какие-то проекты, но в одном они сходятся: в космосе проще не вырабатывать, а концентрировать имеющуюся энергию.

тут вопрос в масштабах. На МКС 100квт панелями делается. А тераваттный реактор (это 2000 обычных реакторов АЭС) может оказаться дешевле тераваттного зеркала.

Вот ещё интересный рассчёт:

http://www.wolframalpha.com/input/?i=kinetic+energy+of+1g+at+0.2c

500 мегаватт-часов кинетической энергии требуется сообщить 1-грамовому зонду.

При этом при 1000 g ускорения нужно около часа для разгона.

И кстати, собираются 100-гигаваттными лазерами и за 10 млрд дол. 100 миллионов это первый платёж, чтобы понять есть ли смысл копать дальше.

Было бы неплохо, если б Кот сделал рассчёты (или нашёл в сети). Например, если сконструировать на орбите Saturn V 4-ступенчатый, какой скорости удастся достичь и какая оптимальная траектория (тратить дельта-в для падения на солнце и включение последней ступени в перигелии? гравманёвры венера-юпитер?)

Поможет ли вариант "упасть на солнце , выйти на гиперболу вокруг солнца, пролететь мимо земли и посветить лазерами только тогда" по сравнению с вариантом "светить сразу"?

Целесообразен ли вариант добавить несколько км-с установкой на последней ступени электромагнитной пушки?

Какого пикового ускорения светом реально добиться, чтобы зонд не сгорел? Каково приковое ускорение, чтобы зонд не сломался?

Есть ли смысл, чтобы не сгореть, сделать абляционный щит и испарять его лазером, получая реактивное ускорение ? или вес всё перекроет? А как щит закончится, перейти на паруса?

До какой скорости удастся разогнать парус без зонда химическим лазером, находящимся на LEO, если существующие сейчас ограничения на расходимость лазера, нагрев и ускорение, а также удельный вес паруса не удастся преодолеть?

Чего-то есть определенные сомнения в дешевизне тераваттника... и дело даже не столько в экономике, сколько в технологии: вся наша ядерная энергетика, какой бы продвинутой она ни была, это кипятильники для паровых турбин, с соответствующей эффективностью и неминуемой потребностью в рассеивании избыточного тепла. Для космоса нужна какая-то боле вменяемая технология, что-то вроде прямого преобразования. "Зеркальная история" мне нравится еще и тем, что концентрация и преломление солнечной энергии, на мой взгляд - неплохое решение для передачи энергии на Землю - прямо как есть, на увеличение инсоляции поверхности. Для России развитие этой технологии прямо самое то, а уж запуск зондов в качестве приятного дополнения...

Впрочем, по вопросам видно, что Вы ориентируетесь в теме гораздо лучше меня :)

я ориентируюсь хуже, просто делаю вид :)

там не тераваттник а гигаваттник.. тераватник видимо возник из-за 1TJ в рекламных материалах

хотят 100 ГВт в течение 10 минут накачивать, но есть большие сомнения, что это достижимо как по ускорению, так и по нагреву.

Мегаваттные химические лазеры космического базирования возможны. Были разработаны для СОИ (с большими оговорками).

Зеркала да, полезны сами по себе, в отличие от лазеров. Помимо увеличения инсоляции, был даже проект освещать зайчиком ночью районы стихийных бедствий. Но там проблемы уже при зеркалах в десятки метров. Километры зеркал выглядят для меня менее реально, чем лазер размером с Saturn V.

Технологии прямого преобразования есть, но для такой большой мощности альтернатив турбинам нет. И тут ещё вопрос в требуемой мощности. Может, запасти в течение года тераджоуль в конденсаторах окажется реальнее.

РФ как раз собаку съела на раскладных зеркалах - был монстропроект для проекта "Радиоастрон", который в результате уменьшили в несколько раз после развала Союза. Но денег нет.

Этим пучком и отводить тепло.... 100 мегабаксов. За эти деньги автомобиль нельзя разработать на базе уже существующей модели.

КПД лазера низкий - большая часть энергии уйдет в тепло как ни крути.

> 100 мегабаксов

они не собираются за 100 млн запустить. 100 млн уже выделено на первый этап, а если рассчёты покажут что можно копать дальше - выделят ещё 10 млрд, там целая коллаборация включая Цукерберга

кпд современных лазеров сильно вырос за последние 30 лет. Будем надеяться, что и дальше прогресс будет.
\\выделят ещё 10 млрд,
Воооот! Это и есть самое интересное! Затратить 100 млн на раскрутку, получить в сто раз больше на реализацию и сказать потом: "ну не смогла!"

так он не у государства просит и не у воров, а у частников. С ними такие трюки не проходят.

Частные вкладчики в Сергея Мавроди смотрят на вас с удивлением.

да, вариант со сбором пожертвований на ремонт провала выглядит реально. В отличие от варианта обломать Цукерберга. Который вроде как готов давать.

Просто для обламывания Цукербергов нужны пропорционально более талантливые мошенники.

>На орбите тепло отводить тупо некуда

Вот в лазеры и отводить ;)))

  • 1