КВАНТЫ В УПРЯЖКЕ 3


Но где можно было бы использовать фотонную ракету, обладающую столь огромным импульсом? Ведь в предыдущей главе было установлено, что чрезмерное увеличение удельного импульса может оказаться невыгодным, привести не к возрастанию, а к уменьшению относительного полезного груза. Было сказано также о том, что величина наивыгоднейшего удельного импульса возрастает с увеличением конечной (характеристической) скорости корабля.

Вот почему, очевидно, фотонная ракета выгодна там, где характеристическая скорость чрезвычайно велика, где она достигает максимальных мыслимых значений. Ясно, о каком случае идет речь — о полете к звездам! Именно в качестве межзвездного корабля, скорость которого, очевидно, должна быть предельно высокой, и может быть применена фотонная ракета. Полезный груз фотонного звездолета будет гораздо большим, чем у любого другого.

Но не только поэтому фотонная ракета может быть применена лишь в полете на огромные расстояния, соответствующие межзвездным. Легко видеть, что это связано и еще с одним обстоятельством: именно, весьма малой величиной тяги фотонного двигателя. Эта тяга так мала, что только в очень длительном и, следовательно, дальнем полете фотонная ракета может достичь необходимой большой скорости полета. А малая возможная величина тяги фотонного двигателя не является для нас неожиданной. Мы уже знаем, что при разделении источника энергии и рабочего вещества (а это относится, конечно, и к фотонному двигателю) возрастание удельного импульса при неизменной тяге приводит к пропорциональному увеличению мощности энергостанции ракеты. Понятно, что при предельно возможном, огромном значении удельного импульса квантового двигателя и его мощность оказывается колоссальной. Действительно, при тяге всего в один килограмм фвгонный двигатель будет развивать мощность в 4 миллиона лошадиных сил! Такую же мощность развивает термохимический двигатель тягой 200 Т (расход рабочего вещества в таком двигателе составил бы примерно 0,7 т/сек, тогда как в фотонном двигателе равной тяги — в 100000 раз меньше, т. е. всего 7 г/сек). Но на раке

те с термохимическим двигателем электростанция-то не нужна!

Выходит, что тяга фотонного двигателя должна быть еще значительно меньшей, чем в случае электроракетных двигателей.

Ёсть и еще одно обстоятельство, заставляющее уменьшать тягу фотонного двигателя; оно связано с устройством излучателя света этого двигателя. Очевидно, что такой излучатель должен напоминать простой прожектор, в фокусе параболического рефлектора которого находится источник излучения. Но если мы хотим, чтобы такой «прожектор» не имел чрезмерно больших. размеров, исключающих возможность его установки на ракете, то должны уменьшить поверхность отражателя и, следовательно, увеличивать величину энергии, приходящуюся на единицу этой поверхности.

Вспомните, какой огромной оказывается мощность фотонного двигателя значительной тяги, и вам станет ясно, в чем суть трудностей, связанных с устройством отражателя. Идеальных отражающих поверхностей не существует (лучшие серебряные зеркала поглощают примерно 1% энергии падающего излучения), но если рефлектор будет поглощать даже ничтожную долю падающей на него энергии, все равно эта поглощаемая энергия окажется достаточной, чтобы мгновенно испарить его.

Понятно, что излучатель фотонного двигателя должен отличаться от обычного прожектора не только размерами. Установите сколь угодно большой прожектор или сколько угодно много таких прожекторов на космической ракете, и вы не получите нужного результата—тяга такого фотонного двигателя будет ничтожно малой по сравнению с его массой.

Чтобы увеличить тягу, нужно излучать гораздо больше энергии, чем это в состоянии сделать простой прожектор. Ведь энергия, излучаемая раскаленной поверхностью, зависит от температуры поверхности (точнее, от четвертой степени этой температуры, в соответствии с законом Стефана — Больцмана). Но как бы ни была раскалена твердая поверхность, ее температура будет во всех случаях значительно меньше температуры поверхности Солнца (она равна, как известно, примерно 5500 С). А ведь именно потому, что энергии солнечных лучей

оказалось недостаточно для создания большого давления на «солнечный парус», у нас и появилась идея перенесения «солнца» на сам корабль. Выходит, что наше искусственное «солнце» должно быть гораздо горячее истинного, а для этого твердые излучающие поверхности не годятся.

Лучше подойдут, естественно, раскаленные газовые и в особенности плазменные излучатели (так, Зенгер предложил плазменный излучатель с температурой 150 000° К). Однако тут возникают другие трудности, помимо связанных с устройством и эксплуатацией высокотемпературных источников излучения. С ростом температуры изменяется (увеличивается) частота излучения, т. е. характер излучаемых квантов энергии. Увеличение энергии кванта связано с уменьшением его длины волны (ведь квант — это своеобразная частица, частица-волна), т. е. излучение становится все более коротковолновым. Возрастает число квантов ультрафиолетового света и рентгеновского излучения, становящегося все более жестким. Когда температура становится столь большой, что начинают идти ядер-ные реакции, то появляется и гамма-излучение. Но отражение таких коротковолновых лучей становится все более трудным: эти лучи, как известно, все легче проходят через вещество. Поэтому оказывается необходимым создание принципиально иных «зеркал» вместо обычного рефлектора.

В частности, для этого предложены такие необычные методы, как использование «электронных» или «плазменных зеркал» в виде стабилизованного плотного облака электронов или плазмы. Известно ведь, что коротковолновые лучи постепенно преломляются и, наконец, отражаются от электропроводящей среды. Однако чтобы создать такое электронное или плазменное облако, нужны колоссальные давления, вроде возникающих при атомном взрыве)» должно быть решено немало и других сложнейших проблем. *)

*) Зенгер предлагает использовать в качестве подобных «зеркал» сталкивающиеся пучки „электронов (Sanger Е., Ober das Richtproblem der Photonenstrahlantriebe und Waffenstrahlen, Miin-chen, 1959). Этой же проблеме посвящена статья советских исследователей И. Меркулова и др. в журнале «Авиация и космонавтика», И, 1963. По Зенгеру, необходимая плотность электронов должна быть в 1000 раз большей, чем в твердых металлах (Missiles and Rockets, 27. III. 1961).

Но разве излучает только тело высокой температуры? Разве наука не знает других видов электромагнитного излучения, не связанного с сильным нагревом вещества? Ведь существует же так называемое «холодное свечение», например свет, испускаемый светлячками (кстати сказать, с к. п. д. преобразования химической энергии в световую, равным 97 °/о!) и различными рыбами, свечение специальных «холодных» электрических ламп, свечение фосфора и других люминофоров, и т. п. Мало того, излучение не обязательно должно быть видимым — излучаются же электромагнитные волны радио- и телевизионными станциями, хотя мы этих волн и не видим. Нельзя ли воспользоваться этими «нетепловыми» излучателями для создания квантовой ракеты?

Что касается так называемой хемилюминесценции, т. е. излучения света, сопровождающего некоторые «холодные» химические реакции и представляющего собой прямой переход химической энергии в энергию электромагнитного излучения, то науке пока не известны достаточно энергопроизводительные реакции этого типа (они обычно и лежат в основе различных видов биологического излучения). Иное дело — излучение радиочастотной энергии. Правда, длинные волны для этого не годятся, ибо они несут с собой слишком малую энергию, да и направлять их надо было бы с помощью слишком уж больших рефлекторов. Зато высокочастотная радиоэнергия могла бы, вероятно, быть использована для наших целей. Уже сейчас созданы генераторы этих микроволн весьма большой мощности, в тысячи киловатт. Конечно, квантовой ракете понадобятся еще значительно большие мощности, так что на этом пути предстоит преодолеть немалые трудности, в том числе и принципиального характера, но все же можно представить себе квантовый двигатель типа радара, излучающий поток радиоволн исключительно высокой частоты. Правда, такой луч испепелял бы все на своем пути ничем не хуже ослепительно яркого луча фотонных звездолетов, как их обычно изображают на рисунках. То же относится, конечно, и к мощному лучу лазера, который, несомненно, также может быть использован для этой цели.

Однако мы до сих пор не касались вопроса о том, откуда черпать колоссальную энергию, необходимую для питания фотонного двигателя звездолета. Совершенно ясно, что химическая энергия для этого непригодна. Но

14 К* А. Гильзин 401

даже в миллионы раз большая энергия деления атомов урана также в этом случае недостаточна, как показывает расчет. С помощью энергии термоядерных реакций можно было бы, пожалуй, осуществить простейший из межзвездных перелетов). Но только полное использование потенциальной энергии вещества в состоянии решить проблему межзвездного полета фотонной ракеты.

Когда мы говорим о потенциальной энергии вещества, то имеем в виду соотношение между этой энергией и массой вещества, определяемое известным уравнением Эйнштейна:

Е = тс,

где Е — потенциальная энергия вещества, т — его масса, с — скорость света в пустоте.

В атомном котле «дефект массы», т. е. ее уменьшение в соответствии с выделившейся энергией атомного ядра, составляет всего примерно 0,1%. Значит, при полном использовании потенциальной энергии вещества количество выделившейся энергии было бы в тысячу раз больше, чем в атомном котле (оно равнялось бы 28 млн. киловатт-часов на 1 г вещества). В 1 кг вещества запасено столько энергии, сколько такая мощная ГЭС, как Братская, может выработать примерно за год непрерывной работы! Как показывает расчет, только такие количества энергии могут обеспечить разгон фотонного межзвездного корабля до необходимой огромной скорости. Вот почему фотонная ракета, и только она, пригодна для межзвездных полетов, только с ее помощью они возможны (этот вывод был получен, в частности, и немецким ученым Э. Зенгером, много работавшим над проблемой фотонной ракеты).

Но как можно себе представить высвобождение всей энергии, заключенной в веществе? Известны ли науке методы такого высвобождения?

Есть по крайней мере один такой путь, уже освоенный наукой. Он связан с явлением «аннигиляции» вещества, т. е. с процессом столкновения элементарной частицы вещества, например, электрона, с ее так называемой античастицей, в данном случае позитроном. При таком столк- *)

*) Использование термоядерной плазмы как источника фотонов привлекает и тем, что связанное с ней так называемое синхротронное излучение носит тепловой характер и может быть фокусировано обычными зеркалами (Raumfahrtforschung, 1965, № 1, стр. 26).

новении обе частицы (как и любые две другие частица и античастица) «аннигилируют» — исчезают с одновременным выделением энергии, масса которой в точности равна массе исчезнувших частиц. Электрон и позитрон почти во всем одинаковы, за исключением знака электрического заряда, в других случаях частица и античастица различаются и иными свойствами. Предполагается, что может существовать, или действительно существует, вещество (его называют иногда антивеществом), состоящее из античастиц, которое по всем своим физико-химическим свойствам не отличается от обычного вещества.

Выделение энергии в процессах аннигиляции связано с рождением фотонов большей или меньшей энергии. Вот почему идеальным звездолетом была бы аннигиляционная квантовая ракета с полным выделением в ней потенциальной (иногда ее называют «эйнштейновской») энергии вещества. В такой ракете в фокусе отражателя должен был бы находиться аннигилятор, в который из двух различных баков поступали бы вещество и антивещество. Образующийся в процессе аннигиляции мощнейший поток фотонов или других электромагнитных квантов, отброшенный назад отражателем, и создавал бы необходимую для полета тягу *).

Легко видеть, что в настоящее время речь может идти лишь об идее квантовой ракеты (рис. 174). Ведь пока еще никто не видел антивещества, неизвестно, как его хранить и подавать в аннигилятор, неизвестно, о чем уже говорилось выше, каким должен быть отражатель фотонов и т. п. По этому поводу высказываются лишь различные теоретические соображения. Несмотря на обилие принципиальных неясностей, связанных с реализацией идеи фотонной ракеты, сама эта идея вызывает большой интерес. Это не случайно, ибо, как уже говорилось выше, очевидно, лишь такой ракете под силу осуществить межзвездный перелет. :

Но даже для фотонной ракеты подобный перелет связан с колоссальной затратой «рабочего вещества» (на этот раз рабочее вещество вытекает из ракеты не само по себе, но после превращения в кванты). Так, для полета *)

*) Аннигиляционным фотонным ракетам посвящено много теоретических исследований, см., например, Вестник МГУ, физика и астрономия, 1964, № 4, стр. 3, и др.

<f d . • •

Рис. 174. Так может выглядеть квантовый звездолет (по д-ру Я. Гадомскому, «Mlady Technik», Польша).

продолжительностью 30—40 лет, т. е. примерно в полжизни космонавтов (как мы увидим ниже, в последней главе, за этот срок можно добраться до звезд, удаленных от нас на миллиарды световых лет), в фотонном двигателе придется «сжечь» в световую энергию примерно ... 10 млрд, т вещества! Выделившейся при этом энергии хватило бы для расплавления оболочки земного шара на глубину в сотни километров. Не удивительно, что иногда предлагают, чтобы фотонный звездолет, отправляясь в свой далекий путь, захватывал с собой в качестве «топлива» какой-нибудь... астероид.

Но так ли уж обязательно захватывать с собой все запасы фотонного «топлива»? Неужели нельзя заправляться им в полете?

К сожалению, обычно рекомендуемое использование топливозаправочных станций в космосе (вроде опорных баз снабжения альпинистов при штурме неприступных горных вершин) в данном случае вряд ли годится. Ведь такие станции должны мчаться с колоссальной скоростью в космосе, и для них не существует фиксированных орбит, подобных орбитам спутников Земли или Солнца.

Тем не менее пополнять запасы фотонного «топлива» в процессе полета в космосе, вероятно, все же можно. Один метод такой заправки в пути связан по-прежнему с использованием промежуточных баз на трассе пути. Но эти базы должны во многом отличаться от привычных. Пре-жде всего они будут почти неподвижными относительно звезд, чтобы не отклоняться сильно от трассы, будут как бы «парить» над ней в течение большого времени. Но, самое главное, с таких баз на летящий звездолет будет передаваться не «фотонное» топливо, а энергия в виде тех же фотонов.

Пионером в области передачи высокочастотной энергии на расстояние без проводов был советский ученый Г. Бабат, выполнивший ряд теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении. Им же предложено такое «дистанционное» энергопитание и летательных аппаратов). В настоящее время опубликовано много других проектов такого рода, в частности, по передаче энергии на вертолеты и т. п. ). Из числа подобных работ,

*) См., например, «Техника молодежи», X, 1956, № 6, стр. 28. ) «Авиация и космонавтика», II, 1968, № 2 и др.

проводимых в США, можно указать, в частности, на разработанный в университете Пурдю преобразователь микроволновой энергии в электрическую с к. п. д. 60% и мощностью 40 вт для космических целей. По мнению ученых университета возможно достижение к. п. д. 90% *)• Фирма Рейсеон создала специальную мощную лампу«эмп-литрон» в качестве генератора микроволновой энергии, которую затем можно преобразовывать, например, в тепловую и другие виды энергии. По мнению фирмы можно таким путем передавать энергию в сотни киловатт на расстояние в десятки километров* 2). В 1967 г. фирма проводила испытания по передаче энергии модели вертолета). С помощью полупроводниковых квантовых генераторов световая энергия может быть преобразована в постоянный электрический ток с к. п. д. почти 100 % ). Разрабатываются методы высокоэффективного преобразования микроволновой энергии в электрическую).

Ведущую роль в развитии радиоэлектроники больших мощностей играет советская наука. Эти работы ведутся группой ученых во главе с акад. * П. Л. Капицей, который создал теорию передачи больших энергий без проводов, разработав для этого необходимые устройства, в частности, так называемый планотрон).

Совершенно очевидно, что в космосе условия для такой передачи энергии особенно благоприятны, что позволяет серьезно рассчитывать на передачу мощных потоков энергии высокой концентрации с «базы» на звездолет. И вместе с тем ведь это — единственный вид «топлива», который может быть использован в данном случае, ибо только фотоны в состоянии «догнать» корабль.

Но есть и другой возможный способ заправки в пути. Ведь как ни «пусто» межзвездное пространство в нем находятся частицы вещества. При колоссальной скорости полета фотонной ракеты с ней будет сталкиваться не так уж мало подобных частиц, в особенности если снабдить ракету специальной ловушкой для этого «бродячего топлива».

*) Raketenteehnik und Raumfahrtforschung, III, 1963, № 3.

) Electr. Des., 16. III. 1964, № 6.

) Technology Week, 10. IV. 1967.

) «Природа», IX, 1964, № 9.

) New Scientist, 11. III. 1963.

) Успехи физических наук, X, 1962, т. 78, вып. 2; «Природа», VIII, 1964, № 8 и ДР.

Огромный, площадью в добрый квадратный километр (в космосе места много!) заборник — «пасть» фотонной ракеты — будет «заглатывать» все встреченные частицы вещества и «переваривать» их в фотоны для создания «световой» реактивной тяги. Существуют в космосе и огромные газопылевые туманности, где плотность материи намного выше. Может быть, будут обнаружены и подобные туманности из «антивещества»? Конечно, пока все это не более чем догадки и предположения, но первый полет квантовой ракеты состоится не завтра, до того времени многое тайное сделается явным...



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм