Родиков Валерий
К звездам под радиопарусом
НЕВЕДОМОЕ: БОРЬБА И ПОИСК
ВАЛЕРИЙ РОДИКОВ
К звездам под радиопарусом
Фантасты давно побывали на планетах у чужих солнц и познакомились с их обитателями. Но на самом деле с планетами в других мирах нет ясности: существующими методами пока невозможно достоверно обнаружить планеты даже у ближайших к нам звезд.
Однако ученые уверены, что планеты вращаются вокруг многих звезд, только лететь туда очень далеко. Сможем ли мы устремиться к ним?
По прогнозу, сделанному в начале 80-х годов, ракетная техника к 2000 году позволит запустить космический аппарат, скорость которого в момент, когда он покинет Солнечную систему, будет составлять около 100 километров в секунду. Но даже при такой скорости полет до ближайшей звезды займет около 10 тысяч лет.
Летящая ныне американская станция "Вояджер-2", запущенная в августе 1977 года, достигнет планеты Нептун, которая находится от нас на расстоянии в 10 тысяч раз дальше, чем Луна, в августе 1989 года. Ну а до ближайшей к Солнцу звезды проксима Центавра еще в 10 тысяч раз дальше: она удалена от нас на 40 триллионов километров или на 4,3 световых года. Когда "Вояджер-2" выйдет из Солнечной системы, его скорость будет равна 16 километрам в секунду, и, чтобы долететь до ближайшей звезды, ему потребуется 80 тысяч лет...
Как превозмочь эту даль? Проекты фотонных ракет, суперкораблей со сменой поколений космонавтов практически неосуществимы.
Но возникли новые идеи. По всей вероятности, к ближайшей нам звезде проксиме Центавра первым полетит автоматический корабль под парусом. Попутным ветром для него будут сверхвысокочастотные (сокращенно СВЧ) радиоволны, или иначе - микроволновое излучение.
Со школьной скамьи мы знаем, что солнечный свет оказывает давление. Выдающийся опыт русского физика П. Н. Лебедева, поставленный в 1899 году, показал, что солнечные лучи вращают лопасти вертушки созданного ученым прибора. Сомнений больше не было: световое давление - не теоретическая иллюзия из уравнений Максвелла, оно действительно существует.
Это послужило в свое время источником многих гипотез, в том числе модной и поныне идеи панспермии. Шведский ученый Сванте Аррениус попытался объяснить возникновение жизни на Земле пришествием мельчайших зародышей и спор простейших организмов с других миров. Он полагал, что они могут выталкиваться за пределы планетных систем световым давлением.
Были и совсем курьезные идеи. Одна французская газета писала, что давление солнечных лучей оказывает наилучшее массирующее действие на человеческое тело, и чем южнее, тем массаж эффективнее. Сам Лебедев, узнав об этой газетной заметке, шутя заметил, что истинная популярность научного открытия начинается тогда, когда слава о нем распространяется за круги специалистов и дебатируется в среде профанов.
В 1920-х годах К. Э. Циолковский и Ф. А. Цандер высказали идею космического паруса, движимого солнечным светом. Потом эта мысль перекочевала на страницы научно-фантастических книг, а затем и в технические проекты инженеров.
Как же выглядит солнечный парус? По одному из проектов, в космосе на расстоянии ста тысяч километров от Земли развертываются 12 пластиковых лепестков общей площадью 600 тысяч квадратных метров наподобие гигантского цветка подсолнуха, вращающегося вокруг своей оси. Огромные лепестки сделаны из алюминизированного пластика толщиной 2,5 микрона. Они образуют что-то вроде двух шестилопастных винтов, надетых на одну ось.
Длина каждой лопасти-лепестка 6250 метров, а ширина 8 метров.
Гигантская поверхность, обращенная к Солнцу, служит двигателем космолета. Солнечный парус наиболее эффективен при полетах в направлении от Солнца, но как и морской парусник, он может плыть и против "ветра", навстречу Солнцу. Такой корабль сможет привести на Землю образцы марсианских пород, по всей видимости, до конца столетия.
Но на солнечном ветре к звездам не уедешь. Чем дальше от Солнца, тем слабее его лучи. Это ограничивает применение парусников пределами Солнечной системы. А нельзя ли создать мощный источник света и надуть им паруса межзвездной каравеллы? И такой прибор для излучения света есть - это лазер.
В США ведутся работы по созданию лазеров с большой мощностью излучения, но, к сожалению, они предназначаются для "звездных войн". А ведь их энергией можно бы наполнить паруса космического корабля.
Для первого знакомства с миром соседней звезды лучше подойдет не луч лазера, а сверхвысокочастотный радиолуч. Радиоволны, как и свет, тоже "давят", они со светом из одной "породы" - электромагнитных излучений. По теории, давление электромагнитных волн пропорционально энергии их кванта, то есть энергии тех элементарных доз излучения, из которых складывается электромагнитный поток.
Энергия кванта тем больше, чем меньше длина волны, или иначе, чем выше частота колебаний. Даже в самой "мощной" части СВЧ диапазона - у субмиллиметровых волн - энергия кванта в сотни-тысячи раз слабее, чем у кванта света. И все-таки радиоволны лучше всего подходят на роль космического ветра для межзвездного парусника.
Дело в том, что для "радиоветра" парус можно сделать "дырявым", из тонкой сетки, а следовательно, очень легким. Для света такой парус был бы негоден. Ему нужно сплошное зеркало.
Интересно, что способность радиоволн непосредственно приводить в движение материальный объект была продемонстрирована еще 20 ноября 1894 года будущим изобретателем радио А. С. Поповым на заседании Русского физико-химического общества. Александр Степанович собственноручно изготовил занимательный прибор. Он взял стеклянный баллон высотою около 15 сантиметров и диаметром около 3 сантиметров. Внутри баллона на особом подвесе, впаянном в его верхнюю часть, была укреплена свободно вращающаяся легкая крестовина, а к ее концам подвешены четыре платиновых листочка. Из баллона был выкачан воздух.
Как только Попов включал находящийся в другом конце комнаты искровой разрядник, служивший источником радиоволн, "карусель" внутри баллона начинала вращаться. Стоило выключить разрядник, и вращение прекращалось. "Карусель" служила исследователю обнаружителем радиоволн, правда, действие его ограничивалось пределами комнаты.
Использовать микроволновое излучение в качестве движущей силы межзвездного корабля предложил американский физик Фримэн Дайсон. Сфера его имени стала традиционным примером астроинженерней деятельности. В 1984 году Роберт Форвард привнес в эту идею достижения компьютерной техники. В результате родился проект межзвездного аппарата "Старуисп". Он мало похож на сегодняшние космические корабли. Это просто парус, имеющий километр в поперечнике, а весящий всего 20 граммов!
Парус соткан из тончайшей проволоки в виде множества шестиугольных ячеек. В 10 триллионах пересечений этих ячеек расположены микроэлектронные схемы (маленькие ЭВМ), которые образуют в целом сверхмощную ЭВМ параллельного действия. Каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как крошечная телекамера.
Ввиду своей хрупкости парусник будет монтироваться в космосе, например, за орбитой Марса. А космический ветер для паруса создаст мазер молекулярный или иначе - квантовый генератор СВЧ радиоволн. Мазер работает по тому же принципу, что и лазер, только диапазон излучения другой микроволновый.
Хотя устройство мазера много сложнее, чем лазера, но открыли его раньше. Сейчас кажется даже удивительным, что науке пришлось сделать такой зигзаг на пути к оптическому мазеру - лазеру.
Его и назвали-то по аналогии с мазером, заменив лишь первую букву "м" (начальная буква английского написания слова "микроволновый") на "л" (начальная буква английского написания слова "лайт" - "свет").
Интересно, что через десять лет после того, как заработал лабораторный мазер (а его создали независимо в СССР - группа ученых под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, в США - группа ученых под руководством Ч. Таунса), в галактических туманностях был открыт естественный мазер. Если бы мазер не был бы создан в лаборатории (а это было сделано в 1954 году), то его неизбежно открыли бы позже благодаря радиоастрономическим наблюдениям.
Разместить мазер предполагается на спутнике околоземной орбиты, энергию дадут ему солнечные батареи, находящиеся тут же на орбите. Чтобы радиоволны "толкали" парус, мощность излучения мазера должна составлять 20 гигаватт (миллионов киловатт) . Это несколько меньше мощности пяти Братских ГЭС. Проекты таких солнечных электростанций в космосе уже предложены.
Радиолуч направляется и фокусируется на космическом парусе специальным устройством в виде так называемой линзы Френеля (оптические линзы Френеля применяют в маячковых и сигнальных фонарях). Размер линзы огромен - около 50 тысяч километров (четыре земных диаметра!). Линза состоит из чередующегося набора концентрических колец из проволочной сетки и пустых кольцевых зон. Радиусы колец подобраны так, чтобы радиоволны, проходящие через пустые кольца, собирались воедино на парусе космического аппарата "Старуиспа". Помогут и микросхемы, расположенные в узлах пересечения проволочных ячеек паруса. Они будут так управлять электропроводимостью сетчатого полотна, чтобы радиолуч давил на него с максимально возможной силой.
