Межзвездный путь человечества
Если через несколько столетий Солнечная система - колыбель человечества станет тесной для бурно развивающейся цивилизации, то человечество будет вынуждено сделать решительный шаг к звездам. Куда же может направиться волна экспансии? Посмотрим на список ближайших от Солнца звезд. Первый порядок близости включает, в сущности, систему из трех звезд Центавра и звезду Барнарда. Достижение этих звезд возможно при скорости полета 0.1·с в пределах человеческой жизни за 40-60 лет при условии полета в один конец.
Для достижения следующих четырех звезд второго порядка дальности требуется увеличении скорости перелета минимум вдвое - втрое. Все равно перелет возможен в один конец и те, отчаянно смелые безумцы, которые решатся на такой шаг, уже никогда не увидят Землю. В дальнейшем преднамеренно исключены из обсуждения варианты связанные с увеличением продолжительности жизни, создания киборгов, пересылки сознания, нуль-траспортировки или полет к звездам на кораблях поколений. Схожие рассуждения видимо привели некоторых ученых, среди которых упомянем Джерарда К. О'Нейла и Джэффри А. Лэндиса к выводам которые будут обсуждаться далее. Автор исходит из того, что обсуждаемый сценарий представляет интерес для нынешнего поколения, когда прорывные открытия еще не сделаны. Жесткие ограничения выбраны потому, что есть верхний предел скорости, которую может развить звездолет, разработанный на основе существующих технологий. Звездолет "Дедал" В качестве примера возьмем проект звездолета "Дедал", который рассчитывался для полетов со скоростью 0.1с и использовал термоядерный синтез в качестве источника энергии. В рамках проекта "Дедал" разрабатывался двухступенчатый исследовательский зонд способный достичь звезды Барнарда. Параметры звездолета:
Некоторые проблемы межзвездных путешествий Более сложный вопрос связан с возможностью сообщения скорости 0.1·с космическому кораблю, способному доставить к цели значительную полезную массу. Даже в рамках проекта "Дедал" кинетическая энергия Е = mV2/2 корабля массой даже в 100000 т и движущегося со скоростью 0.1·с требует энергии 4.5·1022 Дж. И это только на разгон корабля. Чрезвычайная энергозатратность межзвездных путешествий - первая трудность, которая ограничивает скорость перелета. Самый эффективный источник энергии - аннигиляция, при которой выделяется энергия mc2. Тогда только для разгона при эффективности использования энергии в 50% потребуется 1000 т вещества. Причем половину должно составить антивещество, технология производства, которого в больших количествах пока весьма туманна. При использовании в качестве источника термоядерный синтез масса топлива только возрастет. Однако все компоненты для термоядерного синтеза есть в природе и их только надо добыть. Но термоядерное топливо не самое эффективное топливо для достижения субсветовых скоростей. Поэтому столь велика доля массы топлива в общей массе корабля. Хотя есть ряд проектов использующих энергию внешней среды, в частности энергию Солнца, но все они пока находятся на стадии предварительного обсуждения. Даже решив энергетическую проблему и получив возможность разгонять корабль до больших скоростей, человечество столкнется с другой проблемой. Вторая проблема - столкновение корабля с межзвездной средой. Чем больше скорость корабля, тем с большей скоростью набегает встречный поток из микрочастиц и пылинок, а это приводит к некоторому торможению корабля, а главное к сильной эрозии его корпуса. Поэтому очевидно существует ограничение на скорость, с которой может разогнаться корабль, даже имея необходимый запас энергии. Поэтому с учетом высказанных ограничений при нынешнем уровне развития техники выбранная скорость в 0.1·с кажется достаточно обоснованной. Однако, двигаясь с такой скоростью можно добраться только до самых ближайших звезд, ведь на путешествие даже к ближайшим звездам потребуются десятилетия. Здесь возникает третья проблема - длительность перелета в течение нескольких десятилетий потребует решения многих технических проблем связанных с жизнеобеспечением экипажа. Поэтому сейчас физически реально выглядит создание автоматического зонда подобного проекту "Делал" для исследования систем ближайших звезд. Однако в ходе дальнейшего развития научно-технической мысли можно допустить, что удаться решить хотя бы частично проблемы так, что люди все же смогут отравить пилотируемый корабль к звездам. Примем за основу предположение, что человечество сумело со скоростью не менее 0.1·с отправлять корабли в дальний космос. В таком случае корабли должны иметь ресурс не менее 50 лет, а в идеале до 100 лет. При столь длительных полетах должны быть решены другие вопросы обеспечения пилотируемых полетов. Выдержать 40 или 50 лет полета в замкнутом пространстве при ограниченном числе людей практически не реально в психологическом плане. С другой стороны активная жизнь потребует огромных запасов пищи и прочих ресурсов. Пусть звездолет будет лететь большую часть пути в автоматическом режиме. Очевидно, что при этом должна быть решена проблема длительного анабиоза всего человеческого тела. При подлете к цели автоматически размораживается экипаж корабля и проводит последние операции для выхода на нужную орбиту вокруг звезды. Затем уже можно будет разморозить всех членов экспедиции. Конечно, создание звездолетов летающих с большей скоростью открывает совсем другие горизонты. Но на данном уровне техники возможности человечества ограничены, поэтому если не фантазировать, а отталкиваться от достигнутого уровня примем, что долететь к звездам можно, но это потребует много лет, и посмотрим, как и куда может распространиться волна человеческой цивилизации. Стратегия освоения вселенной малой скоростью Если не удастся решить проблему преодоления пространства со скоростью большей чем 0.2·с, то человечество будет вынужденно осваивать вселенную путем распространения перкуляционной волны цивилизации. Иначе говоря, путем постепенно "протекания" в тех направлениях, где ближе и удобнее достичь подходящих "оазисов", на которых можно основать очаги цивилизации. Новые очаги цивилизации в свою очередь, достигнув высокого уровня развития, смогут "протечь" к следующему "оазису" и т.д. Понятно, что в этом случае волна цивилизации будет представлять собой причудливый изломанный путь, соединяющий отдельные близко расположенные миры, между которыми останутся обширные пустоты неисследованного непосредственно космоса. Стратегия распространения волны цивилизации должна быть следующей. 1. По астрономическим наблюдениям определяется наиболее перспективная звездная система с точки зрения наличия там подходящей планетной системы. Для колонизации нужна каменная планета, обладающая минимальным набором ресурсов в виде воды (льда) и относительно плотной атмосферой при массе от 0.2 до 2 масс Земли. На первом этапе освоения важно такое давление атмосферы, которое обеспечит жизнь людей на поверхности в самых простых скафандрах, облегчит сооружение жилья, позволит выжить растениям и ослабит поток космической радиации. Минимальный предел атмосферного давления Р = 10·РМарс. Если масса планеты не больше 0.17 МЗем, то подобно Марсу такая планета может иметь недостаточно плотную атмосферу, в которой не может накапливаться кислород. На планетах с высокой силой тяжести землянам трудно будет адаптироваться, кроме того, большая глубина потенциальной ямы осложнит обмен ресурсам между планетой и космосом. Формально нет препятствий для освоения и совсем "голых" планет или спутников подобных Луне. Конечно, желательно расположение планеты в "зоне жизни" возле звезды, чтобы иметь минимум проблем с температурным режимом. Совершенно необходимо наличие запасов льда на такой планете, как источника воды и кислорода. 2. Пусть по астрономическим наблюдениям подходящая планета найдена. Далее следует провести более детальную разведку, для чего запускается исследовательский зонд. Хотя возможен и запуск зондов к двум разным системам почти одновременно, чтобы сократить время ожидания ответа и иметь возможность выбора. Выбор варианта зависит от экономической целесообразности. Пусть автоматический звездолет построен по схеме проекта "Дедал" с термоядерным двигателем. Примерно через 50-60 лет земляне получают информацию с пролетной траектории о выбранной системе. 3. Земля решается на колонизацию и начинает посылать с интервалом в несколько лет автоматические корабли с разным снаряжением и оборудованием. Корабли должны в автоматическом режиме выйти на орбиту вокруг звезды. Количество транспортных кораблей должно быть избыточным, а содержимое полезного груза дублироваться, на случай если часть кораблей будет потеряна. Пусть за 50 лет отправят 20 кораблей. Если каждый корабль доставит хотя бы 200 т. получим 4000 т. снаряжения и блоков. Схема шагов приведена на рисунке. 4. Через 50-60 лет после начала заброски снаряжения уже выясниться, что часть груза успешно прибыла к месту назначения. 5. Сначала проекта прошло уже примерно 120 лет, когда к звезде отправляется экспедиция из молодых добровольцев. К тому времени должна быть решена проблема длительного анабиоза. Все же 30 - 50 лет полета! Некоторые эксперты считают, что минимальное количество людей для воспроизводства будущих поколений должно быть порядка 200 человек. Пусть летит 50 - 200 человек с учетом того, что за прошедшее время должны быть решены проблемы связанные с искусственным развитием человеческих эмбрионов в инкубаторах и экспедиция рассчитывает быстро увеличить колонию за счет "детей из пробирки". 6. Прибыв на место назначения, колонисты собирают станцию из присланных блоков, которая строиться на орбите выбранной планеты. Со временем они могут начать осваивать и саму планету. На станции разворачивают инкубаторы и из замороженных и доставленных с Земли оплодотворенных яйцеклеток растят людей. Благодаря анабиозу путешественники за время перелета постареют не на 50 лет, а на меньшее число лет и соответственно должны прожить в новом мире больше, чем 20 лет, прежде чем достигнут старческого возраста. В любом случае первые колонисты в течение 20 лет успеют передать свои знания подрастающему поколению. К тому времени с Земли прибудет еще несколько транспортных кораблей поддержки. Затем прибудет еще корабль, который привезет и людей и новые яйцеклетки. В некоторых проектах все эти работы у чужой звезды выполняют роботы, которые разводят и обучают людей. Пока искусственный интеллект нужного уровня не создан, считаем, что эти проекты из области фантастики. Так через N > 200 лет после начала проекта возле соседней звезды возникнет очаг земной цивилизации. Казалось бы, при наличии быстрых кораблей можно ускорить дело. Это справедливо только отчасти. Дело в том, что быстрый корабль хоть и летит быстрее, но требует большей начальной массы и Земле часто посылать такие корабли будет затруднительно по чисто экономическим соображениям. Поэтому для грузовых кораблей нет большого смысла в увеличении скорости. Для доставки первых переселенцев скорость конечно желательно увеличить. Но увеличение скорости снижает полезную нагрузку. Иначе говоря, требуется точный расчет на оптимум такого проекта. Куда лететь в первую очередь? Формальный ответ дан в начале статьи, где очерчены две сферы доступности ближайших звезд. Однако полет к ближайшей звезде не обязательно оптимален с точки зрения перспектив дальнейшего распространения волны человеческой цивилизации во вселенной. Схема расположения ближайших звезд и расстояния между ними показана на рисунке. На схеме красным отмечены самые короткие расстояния до звезд. Желтым цветом средние расстояния, а зеленым самые большие расстояния между звездами. Глядя на эту схему не трудно заметить, что от Солнца к звездам ведут всего 5 путей. Два кротких, а три чуть длиннее, причем один путь как бы разветвляется в конце. Если обозначить направление к центру галактики как север, то самый короткий путь ведет на северо-восток к Альфа Центавре. Чуть длиннее путь ведет на северо-запад к звезде Барнарда. Два длинных пути ведут в сторону востока. Причем один почти точно на восток к Сириусу, а другой, которая в конце расходиться, ведет на восток, но еще и вверх к звездам Вольф 359 или Лаланд 21185. Однако посмотрим, что же дальше? Волна цивилизации, освоив систему Альфа Центавры, дальше столкнется с необходимостью преодолевать большие расстояния. Поскольку следующая ближайшая звезда Росс 154 находиться на расстоянии 8.1 с.л. в северном направлении. Преодолеть такое расстояние на с "черепашьей" скоростью в 0.1·с кажется мало вероятным. Тем более что на таком же примерно расстоянии в 8 с.л. от Солнца есть другие звезды (Вольф и Сириус). Поэтому путь на Альфа Центавру (северо-восток) самый короткий к ближайшей звезде, но этот путь может оказаться тупиковым для шествия человечества по галактике. Точно также может оказаться тупиковым путь к на звезде Барнарда (северо-запад). Поскольку рядом со звездой Барнарда на расстоянии 5.5 с.л., опять та же самая звезда Росс 154. Единственное преимущество только в том, что в этом случае звезда Росс 154 ближе. Поэтому есть смысл посмотреть, куда можно полететь дальше, если основать колонию возле звезды Росс 154. Ближе всего от звезды Росс 154 на расстоянии 8.9 с.л. находиться Эпсилон Индейца. И это такой же тупик, как и путь через Альфа Центавру, поскольку требуется совершить скачек почти на 9 с.л. Посмотрим на две восточные дороги. Прямо на восток лежит звезда Сириус, но до нее путь неблизкий опять сакраментальное число 8.6 с.л. Но если его преодолеть, то открываются большие возможности для продвижения дальше. Рядом на расстоянии 5.2 с.л. находиться Процион и сразу за ним на расстоянии 1.2 с.л. звезда Лейтена. Напрямик от Сириуса до звезды Лейтона 5.8 с.л. Расстояние так же преодолимое. Еще чуть дальше от Лейтона двойная звезда Росс 614 на расстоянии 3.9 с.л. и недалеко DX Рака, звезда слабая и вспыхивающая. Если свернуть от Сириуса вниз и в сторону севера, то на расстоянии 7.8 с.л. будет звезда Эпсилон Эридана. От Эпсилон Эридана всего на расстоянии 5.5 с.л. находиться Тау Кита. С другой стороны Эпсилон Эридана и Тау Кита находятся на расстоянии 10.5 - 12 с.л. от Солнца и напрямую их достичь можно только на быстрых звездолетах. Эпсилон Эридана и Тау Кита звезды очень интересные и главное перспективные на предмет наличия там подходящих планет или даже колыбели внеземного разума. Если лететь на относительно медленных звездолетах, то при последовательной колонизации Эпсилон Эридана и Тау Кита могут оказаться во второй или даже третей очереди. Помимо упомянутых звезд недалеко от Сириуса есть Ross 614 AB на расстоянии 5.5 с.л. и звезда Каптена (7.5 с.л.) Иначе говоря, начав колонизацию в направлении на Сириус и преодолев от Земли сразу 8.6 с.л. можно попасть на богатый звездами участок галактики, которые расположены уже на меньшем расстоянии друг от друга. Так что в этом направлении трудно сделать первый шаг. Зато земная материнская цивилизация обладает большими ресурсами, чем дочерние цивилизации и поэтому ей проще начинать. Вопрос в другом. Есть ли возможность на орбите Сириуса развить серьезную базу для дальнейшей колонизации? Здесь есть и определенные сомнения, но и впадать в пессимизм не стоит. Осталась предпоследний путь, тот, что ведет на восток и вверх к звезде Вольф 359. По этом пути надо сразу преодолеть расстоянии в 7.8 с.л. Это чуть меньше чем до Сириуса и при наличии планетной системы звезда Вольф 359 дает хорошие шансы для основания там колонии. Рядом со звездой Вольф 359 на расстояниях всего 3.8 и 4.1 с.г. есть две звезды Росс 128 и Лаланд 21185. Попутно замечу, что от Вольфа 359 до Проциона расстояние всего 8.6 с.л. или столько же, как от Солнца до Сириуса. Фактически есть возможность в отдаленном будущем объединить эти два направления. Последний путь. Вниз и на северо-восток, где на расстоянии 8.7 с.л. находиться двойная система Лейтен 726-8 и UV-Кита. UV Кита - наиболее яркий пример вспышечных карликов. Такие тесные системы из вспыхивающих карликов даже при наличии планет скоре всего не пригодны для жизни. Поэтому этот путь заранее выглядит как наименее перспективный Чисто теоретически летя со скоростью 0.1·с можно преодолеть и 8.3 с.л. до звезды Лаланд 21185, если удастся свыше 80 лет поддерживать состояние анабиоза. Но дело даже не в этом. Как видно из приведенной выше схемы на первичную колонизацию ближайшей звезды требуется не менее 250 лет. Если затевать колонизацию звезды расположенной на расстоянии 8 с.л., то в первом приближении на реализацию первой фазы проекта потребуется уже порядка 500 лет. Срок настолько большой, что невозможно на основе здравых рассуждений спрогнозировать сохраниться ли у человечества интерес к такой затее. Кроме интереса, который может угаснуть сам собой или по причине объективных трудностей, есть и технический предел, связанный с естественным износом техники. Оборудование, заброшенное в автоматическом режиме, возможно сотни лет будет где-то на орбите далекой звезды ждать прибытия пилотируемой экспедиции. Очевидно, что у техники, будь то даже системы, оснащенные искусственным интеллектом с возможностью ремонта и воспроизводства, есть пределы. Прежде использования такой техники в глубоком космосе необходимо её хотя бы испытать, а это уже отодвигает начало работ по колонизации на лишнюю сотню - другую лет. А если скорость выше? Посмотрим, что получится исходя из оптимистичного сценария, и предположим, что человечество сможет освоить полеты со скоростью 0.2·с. Такой вариант отрывает новые горизонты, поскольку расстояния в 8-9 с.л. уже не кажутся непреодолимыми и теперь можно выбирать, куда же лететь в первую очередь, а куда лететь вообще не стоит. С одной стороны лететь надо туда, где есть подходящая планета у самой ближайшей звезды. К сожалению, на данный момент (начало 2010 г.) информации нет. С другой стороны в рамках обсуждаемой темы следует выбрать такое направление, чтобы волна цивилизации не заглохла у первой же звезды. Первая дочерняя цивилизация, после того как окрепнет и сможет производить избыток ресурсов, уже сам должна стать материнской цивилизацией и продолжить колонизацию дальше. Поэтому важно чтобы рядом с первой колонизированной звездной системой были другие подходящие звезды. Поскольку мощь новой цивилизации не велика, то она сможет посылать грузовые корабли с все той же допотопной скоростью, несмотря на возможный технический прогресс за прошедшие годы. Заключение При выбранных условиях: скорость звездолета 0.1·с и время перелета не больше 50 лет человечество не сможет распространить волну цивилизации дальше системы Центавра и звезды Барнарда. Теоретически возможны единичные исследовательские полеты к Сириусу, Лаланаду 21185 и Вольфу 359. Однако колонизация окрестностей этих звезд растягивается на столь большое время, что делает это предприятие сомнительным. Только очень серьезный мотив может подвигнуть человечество на колонизацию окрестностей этих трех звезд. Из всех ближайших звезд пока только Альфа Центавра оставляет некие надежды на наличие подходящей планеты возле звезды такого класса, как и Солнце. Остальные звезды или слабые красные вспыхивающие карлики, или яркий молодой Сириус, во всех случаях существование колонии в системах этих звезд может оказаться нецелесообразным. Если подходящих для колонизации планет возле упомянутых звезд нет, то, овладев скоростью перелета в 0.1·с, человечество вряд ли сможет в обозримом будущем покинуть свою систему. Ни какой волны человеческого разума во вселенной не будет. Для запуска волны цивилизации требуется скорость звездолета не менее 0.2·с. Достижима ли такая скорость? Для этого как минимум требуется вдвое, а то и втрое больший корабль. Будем надеяться, что человечество не утратит интереса и сможет когда-то строить столь быстроходные звездолеты.
|