О серьёзных проблемах полёта к звёздам. Полный разбор
Вот вам несколько каверзных вопросов...
Если очень понадобится заселить другую звездную систему, то сколько людей отправлять? Кого лучше посылать — колонистов, замороженных колонистов или эмбрионы и пусть их там на месте воспитывают благородные роботы?
И, наконец, насколько опасна в дороге космическая пыль и межзвездный газ и почему заморозка на тысячи лет не лучшая идея?
Насколько реально в обозримом будущем потоптать пыльные дорожки планет возле Проксима Центавра (ну, или Тау Кита)?
Будем говорить в основном о межзвездном ковчеге, то есть это не просто исследовательский полет, а именно колонизация другой звезды системы и обойдемся без особых фантастических технологий (к примеру, червоточины).
Первые межзвездные корабли человечества были запущены в 70-х годах и сегодня 5 космических аппаратов удаляются от Солнца по гиперболической траектории, то есть они больше не связаны гравитационно с Солнечной системой.
Дальше всех находится «Вояджер-1» - на расстоянии в сто пятьдесят две астрономических единиц от нас.
Срок службы вояджеров давно истёк, но они продолжают работу
Вместе с «Войаджером-2» и «Пионером-10» он является одним из трех аппаратов, вылетевших за пределы гелиопаузы, границы, где солнечный ветер тормозится межзвездным веществом.
Об освоении космоса, о космонавтике, о Роскосмосе, Илоне Маске и НАСА, о полётах на Луну, о современных и будущих космических проектах.
Будем считать, что любой пилотируемый полет начинается на Земле, а значит первый этап межзвездной миссии - преодоления гравитации родной планеты и вывод полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту.
Для этого необходимо развить первую космическую скорость в направлении перпендикулярном ускорению свободного падения.
В случае круговой орбиты ее величина чуть менее 8 километров в секунду.
Единственным на сегодняшний день рабочим способом вывода в космос остаются реактивные двигатели.
Принцип их работы описывается формулой Мещерского, уравнением движения материальной точки переменной массы.
Формула Циолковского может быть получена путем интегрирования уравнений Мещерского без учета внешних сил.
На начальных этапах полета приходится учитывать потери скорости из-за сопротивления воздуха в плотных слоях атмосферы, гравитационных потерь, пока угол между вектором тяги и вектором гравитации меньше 90 градусов и потерь на управление - они возникают когда ракета меняет направление движения и вектор тяги двигателя от него отклоняется.
Гравитационные потери
Больше всего потери из-за движения в гравитационном поле, они могут составлять более 1/10 от общего бюджета скорости.
Затраты при достижении целевой орбиты удобно выражать в изменении скорости ракеты, она обозначается как дельта v и называются характеристической скоростью орбитального манёвра.
В итоге полное изменение скорости будет больше первой космической и для орбиты высотой 300 километров чуть ниже минимальной высоты МКС составит 9,4 километра в секунду.
Можно ли достичь низкой околоземных орбит иными способами?
Есть масса рабочих вариантов сэкономить немного дельта v, ряд из которых предлагались не еще до начала космической эры.
Например группой авторов с участием Джеймса ван Аллена был предложен концепт подъема ракеты на аэростате, а первый запуск состоялся в июле сорок девятого года.
Ограничение очевидны - максимальная высота подъема аэростата около 40 километров и она тем ниже, чем больше массы груза.
Еще один вариант тоже родом из сороковых.
Ракета стартует с летательного аппарата уже находясь над плотными слоями атмосферы, что позволяет сэкономить на описанных нами потерях.
Ракетные двигатели при этом могут быть оптимизированы для низкого атмосферного давления.
Ограничение те же - даже с возможностями самолета-носителя удается запустить не более нескольких тонн грузов.
Практически все не ракетные способы достичь космического пространства также ограничены в массе полезной нагрузки и это приводит к идее сборки межзвездного космического корабля на орбите, по частям.
Высота при этом должна быть достаточно большой, чтобы за время сборки эродинамическое трение в верхних слоях атмосферы было незначительно.
За год потери в дельта V могут достигать 100 метров в секунду на высоте МКС, но близость атмосферы можно использовать для забора кислорода, воды и других веществ.
Именно это предлагалось делать на высоте 120 километров в проекте сборщика реактивного топлива.
Более новый проект предлагает собирать и тут же использовать частицы атмосферы на высоте уже 200 километров, так что длительная сборка на орбите может оказаться более выгодным решением, чем единовременный запуск составляющих корабля с Земли.
Следующие этапы выхода на межзвездную траекторию - преодоление гравитации Земли и Солнца, то есть набор второй и третьей космических скоростей.
При старте с Земли в направлении орбитального движения нашей планеты необходимо набрать более 16 с половиной километров в секунду и пока это удается сделать только благодаря гравитационным маневром около планет-гигантов, в первую очередь у Юпитера.
9 июля 79 года «Вояджер-2» сблизился с ним на расстоянии около 650 тысяч километров, что выразилось в скачке скорости чуть менее 18 километров в секунду.
Учитывая, что изменение скорости растянуто во времени членам экипажа пилотируемого полета не стоит опасаться каких-либо перегрузок даже если маневр придется проводить на гораздо меньшем расстоянии, а оно будет определяться параметрами орбиты выхода на целевую траекторию.
Скорее всего это будет орбита, ведущая к Сатурну, у которого будет сделан очередной гравитационный маневр.
Первый этап межзвездного полета предполагает старт с Земли, почти наверняка сборку на орбите а затем - гравитационные маневры около планет-гигантов.
Путь до Юпитера с известными технологиями вряд ли будет короче двух лет, но есть вариант прямого выхода на межзвездную траекторию.
Он уже потребует длительной или постоянной работы двигателей для которых понадобятся источники энергии и рабочего тела.
Расходуемая энергия будет определять удельный импульс двигателя, а рабочее тело - изменение массы корабля.
Без формулы Циалковского здесь скорости не наберешь.
Или нет?
Набор скорости может происходить непосредственно при передаче импульса от света звезды или другого источника, от частиц солнечного ветра или при отклонении заряженных частиц магнитным полем.
Соответственно можно говорить о солнечном, электрическом или магнитном парусе.
Солнечный парус использует давление света для ускорения, то есть он наиболее эффективен вблизи звезды или искусственного источника, например мощного лазера на Луне или другом теле солнечной системы.
Важной особенностью здесь является возможность маневрирования.
Все как у привычного нам паруса.
Электрический парус извлекает импульс из ионов солнечного ветра.
Он состоит из положительно заряженных тросов, которые отталкивают протоны и таким образом приобретают импульс, а также притягивают электроны, поэтому для компенсации возникающего тока используется электронная пушка.
Путем настройки потенциалов отдельных тросов можно контролировать результирующий вектор движения.
Наконец магнитный парус - при создании мощного магнитного поля создается сопротивление местному полю, через которое двигается космический аппарат.
Магнитный парус будет наиболее эффективным решением, когда придется тормозить в межзвездном и далее в межпланетном пространстве у конечной цели.
Описанные способы ускорения осуществимы с известными сегодня технологиями, но все они требуют источника энергии, а в случае с ракетными двигателями - и значительных масс рабочего тела.
Если вопрос с источником энергии можно решить при помощи ядерной или, в перспективе,
термоядерной установки, то запас топлива придется брать на самом старте.
При больших скоростях становится существенным набегающий поток встречных частиц и чисто теоретически их можно было бы улавливать воронкой километровых размеров, а затем использовать в качестве термоядерного топлива.
На этом основан прямоточный двигатель Бассарда, правда оригинальная концепция основывалась на завышенной оценке плотности межзвездной среды в окрестностях Солнца.
Да и оценки эффективности термоядерного синтеза тоже были нереалистичными. К тому же эффекты торможения от встречных атомов и пылинок могут оказаться сильнее выгоды использования собранных частиц.
В итоге межзвездный полет почти наверняка затянется на тысячи лет даже при выборе в качестве цели ближайшей звезды - Проксима Центавра.
Казалось бы - зачем начинать проект, завершения которого не увидишь ни ты и не твои дети?
А что по этому поводу думает научная фантастика?
В зависимости от цели миссии размеры и конструкция корабля будут кардинально отличаться, поэтому сегодня имеет смысл рассмотреть три основных типа межзвездных ковчегов:
В реальности проект может сочетать в себе признаки сразу нескольких типов, так что картина может быть несколько сложнее.
Но обо всем по порядку...
Фактически это космическое поселение, в задачу которого входит доставить колонистов в другую звездную систему в целости и сохранности.
При этом авторы идеи предполагают, что к моменту начала колонизации технический прогресс не позволит ни преодолеть космические расстояния за время жизни человека, не использовать технологии сна, заморозки, или увеличение продолжительности жизни.
Корабль поколений - это самый консервативный вариант колонизации другой звездной системы, но отнюдь не самый простой технический.
Обычно его описывают так:
Группа людей отправляется в путешествие на огромном корабле. На борту поддерживаются комфортные условия для полноценной жизни, то есть тяготение, температура и содержание кислорода.
Пассажирам придется выращивать пищу, ремонтировать оборудование, а за время полета что-то наверняка выйдет из строя.
Сколько космонавтов погибло в СССР? Был ли Гагарин первым космонавтом? Правда ли, что его ликвидировали?
Цели проекта могут быть разными - гигантский корабль и поколений встречаются в романах Роберта Хайнлайна, Клиффорда Саймака, Брайна Олдиса и Гарри Гаррисона.
В основном причина отправки - таков естественный ход вещей.
Человечество развивается и растет, нужна новая территория, поэтому тысячи людей отправляются в очередной Новый Свет на поиски лучшей доли для своих потомков.
Чтобы избежать потрясения в обществе за время полета проводятся социальные и даже генетические манипуляции, например в романе «Плененная вселенная» Гарри Гаррисона человечества на борту генетически разделили на две популяции так, чтобы при скрещивании внутри этой популяции рождались потомки с низким интеллектом.
Если же родители были из разных популяций, то потомок наоборот, должен был получиться чрезвычайно умным. Вот только это было запрещено местной религией. Такое общественное устройство должно было бы сохранить общество от внутренних потрясений на время полета, а по прибытии в пункт назначения восстановить интеллектуальный потенциал колонистов уже в первом поколении.
Ну а преднамеренное невежество неплохо описано в романе Клиффорда Саймака «Поколение, достигшее цели».
Те, кто планировал экспедицию решили, что представители промежуточных поколений будут несчастны, зная, что они всего лишь переносчики жизни.
Другая задача корабля поколений — это эвакуация.
В рассказе Артура Кларка «Спасательный отряд» случился катаклизма на Солнце и человечество бежало к другой звезде, построив множество кораблей поколений.
Здесь важно именно глобальная катастрофа, так как проблемы вроде изменения климата на Земле не требуют переселения настолько далеко.
Несколько нестандартной функцией такого корабля может быть тюрьма.
Именно такой вариант описан у Джона Рассела (Фирна), в «Тысячелетнем путешествии».
Там на корабле поколений группу людей отправляют в изгнание.
У полета есть пункт назначения, но лететь туда предстоит очень долго, так что изгнанников уже много раз успеют сменить потомки.
Название условное, но оно отражает суть.
Не нужно везти громоздкие системы жизнеобеспечения производства пищи и кислорода, если экипаж в отключке.
Глубокая ли это будет заморозка или просто крепкий здоровый сон при пониженных температурах - пока не так важно, ведь долгий путь пролетит для колонистов в одно мгновение.
Конечно, за долгие годы полета с кораблем может случиться всякое, поэтому если не хочется полностью доверять автоматике - можно применить вахтовый метод: одна группа специалистов просыпается, некоторое время работает (месяц, может быть годы), потом на смену ей просыпается другая и так далее, пока корабль не долетел.
Спящий корабль может оказаться куда дешевле корабля поколений, правда скорее всего он потребует более сложных технологий, ведь здесь нужен и продвинутый искусственный интеллект и оборудование для анабиоза и много чего.
Еще спящий корабль подойдет для исследовательской пилотируемой миссии в другую звездную систему.
Например, для такой, как в романах Станислава Лема «Осмотр на месте» или «Фиаско».
Можно вспомнить фильм «Пассажиры» и вот там завязка сюжета начинается как раз с поломки оборудования на спящим корабле.
С некоторой натяжкой спящим можно считать и «Эндуранс» из фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар».
Большую часть полета до «кротовой норы» команда провела в отключке, экономя ресурсы для экспедиции.
Еще можно вспомнить корабль из «Аватара» Джеймса Кэмерона и это как раз вахтовый спящий корабль: на борту присутствует пять команд по пять человек в каждой, одна команда работает по 14 месяцев а в оставшееся время пребывают состоянии заморозки.
Таким образом за чуть менее 7 лет полета до Альфа Центавра каждый член экипажа отработает куда меньше времени.
Он может вообще не вести людей, доставив на нужную планету эмбрионы.
Роботы их вырастят, воспитают, там появится новое общество.
Данный проект удобен еще и в том случае, если планета не совсем готова к заселению, допустим её нужно немного терраформировать, но в запасе есть время.
Заселяем туда микробов, потом растения, животных и только потом выращиваем будущих жителей.
Понятно, что это всё максимально упрощено, но в общих чертах проект может как-то так и выглядеть.
Опять же возможен комбинированный вариант, скажем корабль везет людей, но на борту на всякий случай есть запасные эмбрионы, дабы по прибытию к месту назначения расширить генетическое разнообразие.
Задачи могут быть опять же разными, хотя для космических исследований корабль-сеятель не очень подходит.
В «Интерсталларе» Доктор Амилия Бренд собиралась основать колонию на одной из планет вокруг черной дыры используя для этого привезенные с Земли эмбрионы.
В сериале «Воспитанные волками» андроиды пытаются создать человеческую популяцию на планете Кеплер-22B
Одна из проблем, с которыми придется столкнуться создателям полноценного корабля поколений - это поддержание искусственной силы тяжести, ведь все земные организмы развивались при условии, что тяготение постоянно присутствует и это повлияло не только на строение наших тел, костей, кровеносной системы, ну и на нашу биохимию.
Если вдруг тяготение отключить проблемы у пассажиров космического корабля начнутся практически сразу же!
Для начала это атрофия мышц в невесомости.
Человек гораздо менее активен, не нужно постоянно поддерживать положение тела, ноги вообще никак не используются.
В результате мышечная масса снижается, по-разному для разных групп мышц, в некоторых случаях это снижение достигает 20 процентов за первые 11 дней в невесомости!
Этот процесс можно заменить постоянными физическими упражнениями но проблема в том, что в условиях гравитации мы фактически упражняемся постоянно, просто совершая обычные повседневные дела а вот космос такой роскоши не представляет.
Другая известная проблема - это нарушение обмена веществ в костных тканях.
Масса костной ткани уменьшается в среднем на полтора процента каждый месяц, кости становятся хрупкими и пористыми, что приводит в итоге к симптомам, похожим на остеопороз.
Эти негативные изменения можно замедлить пищевыми добавками и упражненниями, но это полумеры.
Также невесомость, ну или как говорят, микрогравитация, воздействует на мозг и нервную систему.
Вспомните, как выглядят космонавты в невесомости?
Красные, опухшие лица, словно из запоя не выходят.
Это называется «эффект Чарли Брауна», есть такой персонаж комиксов.
Эффект возникает из-за перераспределения жидкости в организме, кровь, плазма, спинномозговая жидкость смещаются голове и вызывают отёк и повышение внутричерепного давления.
Сам мозг как бы всплывает и давит на верхнюю часть черепа, из за этого происходит сужение борозд и извилин на поверхности коры и как результат - целый ворох проблем со здоровьем.
Исследования мозга астронавта с помощью МРТ показало, что изменение наблюдались у 94 процентов, причем больше всего оказались затронуты лобные и теменная доли, контролирующие движение тела, отвечающие за ориентацию в пространстве, исполнительные функции и социальное поведение.
А исследование крыс, проведенные ученым из Новосибирского института цитологии и генетики показало, что пребывание в невесомости может разрушить дофаминовую систему и вызвать заболевания, сходные по симптомам с болезнью Паркинсона.
Дофамин это не только гормон удовольствие но и нейромедиатор, необходимый для передачи сигналов между нервными клетками.
В невесомости активно меньшее количество мышц, соответственно к ним поступает меньше стимулов. Дофамин вырабатывается тоже меньше и в итоге тремор, нарушения координации и прочие проблемы.
Значит на борту корабля поколений искусственная гравитация необходима и создать ее можно двумя основными способами.
Это движение с постоянным ускорением, то есть корабль разгоняется все быстрее и быстрее, а на борту ощущаются ускорение и если к примеру половину пути к цели разгоняться а другую тормозить, то почти весь полет, теоретически, можно провести в комфортных условиях.
И кстати всего лишь год полета с ускорением один G позволит достичь скоростей близких к световым, а с ускорением одну тысячную G позволяет долететь до Проксимы за 128 лет.
Только проблема в том, что обеспечить даже такое незначительное ускорение в течение этого времени крайне сложно, так что для корабля поколений данный вариант не подходит.
Это центробежные силы.
Фантастические фильмы и сериалы часто демонстрируют вращающиеся детали космических кораблей или орбитальных поселений, чаще всего кольцо, цилиндр или более замысловатые конструкции.
Скорее всего для межзвездного рейса будет выбран именно цилиндр, так как при одинаковом диаметре с тором он обеспечивает бОльший внутренний объем.
А диаметр важен, поскольку кроме жилых помещений придется тащить с собой и экран, защищающий от межзвездной среды и чем его диаметр меньше тем меньше будет масса, что важно но об этом чуть позже.
Одним из первых проектов орбитального поселения в форме цилиндра стал цилиндр О'Нила, предложенный в 1976 году американским физиком Джерардом О'Нилом.
Это были два цилиндра диаметром 8 и длиной 32 километра.
Они вращались в противоположных направлениях, обеспечивая тем самым искусственную силу тяжести внутри.
Цилиндры имеют прозрачные внутренние окна для доступа света и внешние орбитальные фермы для ведения сельского хозяйства.
Со временем конструкция и размер цилиндром менялись.
На сегодняшний день одной из самых известных киношных цилиндрических космических поселений - это станция «Вавилон 5» из одноименного сериала, правда ее размеры уже скромнее - 8 километров в длину и 1.6 в ширину.
Хотелось бы конечно сделать межзвездный корабль как можно меньших размеров, меньше потратим энергии на разгон, торможение, жизнеобеспечение и так далее...
Но если говорить про искусственную гравитацию, то существуют ограничения меньше которых вращающиеся секции лучше не делать.
Проблем тут сразу ДВЕ.
Если радиус вращающейся области будет небольшим, то ускорение действующее на
голову и ноги астронавта будет заметно отличаться просто потому, что фактически голова движется по меньшему радиусу, чем ноги.
Находиться в таком модули будет некомфортно, особенно если предстоит долгое путешествие.
Вторая проблема связана с силой Кориолиса.
Это сила инерции, возникающая во вращающейся системе отсчета при некоторых движениях тела.
Если конкретно - это должно быть движение, которое меняет расстояние между телом и центром вращения.
Именно сила Кориолиса поворачивает маятник Фуко, отвечает за направление циклонов и
антициклонов в разных полушариях а также делает берега рек разными по высоте.
Если радиус жилой зоны будет небольшой, то для достижения ускорения около 1 G ей придется быстро вращаться, это приведет к тому, что эффекты силы Кориолиса будут особенно заметны.
Например предметы не будут падать вертикально вниз или мяч, брошенный в баскетбольную корзину, полетит совсем не так, как ожидаешь.
Даже человек, нагнувшись за лежащим на полу предметом, рискует потерять равновесие и упасть в сторону от него!
Существует много работ исследующих минимальной габариты жилой зоны, позволяющие избежать описанных трудностей, а обычно их оценки лежат в пределах 50 - 200 метров для диаметра вращающиеся зоны.
Есть и более скромной оценка - всего 18 метров, после долгих тренировок, но для межзвездных путешествий она точно не подойдет.
Также колонистам нужно что-то кушать.
Если к новой планете полетят спящие космонавты - проблем не будет, главное упаковать их компактно, защитить от радиации и вперед.
С банком эмбрионов примерно тоже самое, а вот пассажирам корабля поколений придется самим обеспечивать себя всем, что нужно в полете.
Не очень удобно но некоторые, учёные считают что при нашем уровне технологий этот путь самый реалистичный.
Они уже посчитали, сколько ресурсов уйдет, чтобы комфортно жить на таком корабле... но для начала выясним, сколько людей нужно отправить в полет.
Например французские ученые выбрали в качестве потенциальной цели Проксима B.
Они предположили, что при современных технологиях дорога займет шесть тысяч триста лет.
Популяция на борту будет замкнутой, а значит есть опасность постепенного вырождения из-за возможных связей между близкими родственниками.
Чтобы этого избежать в полет должны отправиться не менее 98 человек, женщин и мужчин поровну.
Становиться родителями им рекомендуют в возрасте от 32 до 40 лет, так получится удержать баланс по количеству детей, взрослых и стариков на борту, избежав и перенаселения и нехватки людей.
Даже если на корабле случится эпидемия, у такого экипажа есть шансы ее пережить и если все пройдет хорошо, на Проксима B высадится около 400 вполне здоровых колонистов.
Но долететь до новой планеты мало...
В пути нужно будет обеспечивать себя всем необходимым. Речь о самых простых вещах,
например о еде сегодня.
Почти всю пищу на МКС отправляют с Земли, на орбите выращивают в основном зелень, причём только в качестве эксперимента.
Но корабль поколений на консервах не выживет.
Во-первых просто представьте, сколько места уйдет на космическую тушенку для сотен людей!
13 февраля 2019 года в НАСА предприняли последнюю попытку связаться с марсоходом Opportunity, который замолчал в разгар мощной пылевой бури на Марсе. Очередная неудача зас
Во вторых ни одна доступная нам технология не сохраняет в еде все нужны для здоровья питательные вещества.
Значит все придется выращивать самим. Те же французские исследователи посчитали сколько места потребуется команде корабля поколений.
Они учитывали биологические характеристики организма, зависящие от возраста роста, веса, уровня физической активности, вероятность беременности и риска серьезной травмы.
Чтобы прокормить команду корабля потребуется сорок пять сотых квадратного километра, то есть 45 гектаров искусственной земли.
Не так уж много а ведь читали с запасом на случай если к концу полета на корабле окажется 500 человек и все активные и с хорошим аппетитом.
На этой площади можно будет выращивать фрукты, овощи, злаки и масличные культуры.
Кстати это не значит, что в космос полетят только веганы, уже сейчас есть культивируемое мясо, которые выращивают в лабораторных условиях из стволовых клеток, выделенных из образца мышцы нужного животного.
Держать на борту коров и свиней не придется, достаточно био-банка клеток, откуда можно будет брать образцы.
Самая большая проблема такого мяса - это дорогое производство, в том числе высокие цены на питательные среды для роста клеток, но сейчас есть большой спрос на технологии искусственного мяса, поэтому ученые активно работают над тем, чтобы сделать производство дешевле и доступнее.
Возможно, к моменту старта корабля поколений искусственное мясо станет рядовым продуктом и космонавты будут ужинать вкусными дешёвыми стейками.
А еще пассажирам, если они не спят, понадобится биосфера.
Она будет обеспечивать их воздухом и пищей.
Пока здесь, правда, успехи не очень...
В начале 90-х прошел, пожалуй, самый известный эксперимент по созданию закрытой системы «Биосфера 2».
Это был целый комплекс из нескольких зданий и оранжерей на площади около полутора гектаров. Внутри смоделировали несколько природных зон, тропические заросли, саванна мангровые, леса и даже океан.
В «Биосфере 2» обитало около трех тысяч видов растений и животных.
В команду проекта вошли восемь человек, поровну мужчин и женщин.
Они поддерживали работу техники, обеспечивающей циркуляцию воды и воздуха, занимались натуральным хозяйством и проводили различные опыты.
За год колонисты смогли наладить производство продуктов, хотя в первые месяцы люди постоянно ощущали голод.
Позже они адаптировались к новому рациону (скорее, им просто подбросили еды) и многие показатели здоровья участников этого эксперимента улучшились, например снизилось давление.
Но самой большой проблемой стало падение уровня кислорода.
Считается что он начал падать либо из-за слишком активного размножения микроорганизмов и насекомых, либо из-за бетона, из которого были сооружены все конструкции.
Решить эту проблему так и не удалось и в итоге эксперимент был признан неудачным.
Следующая проблема длительного полета к звездам - это воздействия межзвездной среды и космической радиации.
Увы, но космос не такой пустой, как кажется на первый взгляд.
Радиацию могут давать как космические, лучи так и излучение самого корабля!
Например, двигателя или реактора.
Под воздействием радиации на человека чаще всего вспоминают локальные лучевые поражения - лучевую болезнь, опухоли или же всякие генные мутации или хромосомные аберрации.
Всё это так, но в космическом полете может проявиться еще одно негативное свойства радиации - её воздействие на мозг.
Эксперименты на крысах показывают, что воздействие радиации угнетает функции гиппокампа и миндалевидного тела. Также ухудшается обучаемость памяти и появляются признаки стрессово поведения.
Исследования показывают, что без защиты от радиации астронавты, отправленные в длительный полет даже в пределах солнечной системы, рискуют вернуться домой сильно отупевшими.
С межзвездным полетом все еще хуже.
Если мы летим со скоростью относительно близкой к световой, то фактически весь безобидный межзвездный газ превращается во встречный поток высокоэнергетических частиц.
Тут стоит учесть, что сейчас Солнце движется в галактике по региону с низкой плотностью газа и пыли он называется «местный пузырь».
Эта область неправильной формы, которая простирается на несколько сотен световых лет от нас в разных направлениях.
Энергия атома водорода, основного компонента межзвёздной среды, на скорости корабля в половину световой, превысит 100 мега электрон-вольт и несмотря на то что Солнце находится в этой области пониженной плотности даже двигаясь на скорости 0,3 световой незащищенный корпусом корабля астронавт за секунду получил бы эквивалентную дозу радиации в 4000 Бэр.
Насколько это много?
0.1 Бэр в год - это обычный радиационный фон.
У работников атомных станций считается нормой 5 Бэр в год
Если разом схватить сто Бэр, то начнется лучевая болезнь пусть и в легкой форме
Эффекта Джанибекова - странное поведение гайки-барашка, которая, вращаясь в невесомости, внезапно разворачивается на 180 градусов без каких-либо внешних воздействи
А вот 600-700 Бэр - это уже смертельная доза.
Выходит астронавт наберет её менее чем за секунду!
Ситуация осложняется тем, что межзвездный газ может быть как ионизированным, так и нейтральным, поэтому просто окружить корабль магнитным полем для защиты не выйдет.
Комбинированные защита работает так — спереди, на некотором удалении от корабля, устанавливается тонкий экран. Он будет почти прозрачен для массивных ионов, но нейтральному атому при столкновении с ним почти наверняка оторвет электрон, а то и парочку. После прохождения экрана уже заряженные частицы (им оторвали электроны) попадают на создаваемые сверхпроводниками магнитное поле в 10 тесла, после чего они отклоняются в специальные резервуары, где теряют энергию.
Однако кроме вышеупомянутых проблем с радиацией остаются космические лучи.
Это частицы, энергия которых могут превосходить 1 гига электрон вольт. Это также потребует дополнительной защиты жилых помещений и приборных отсеков корабля.
Хотя в случае огромного цилиндра о'Нила защитой могут послужить его толстый корпус, а также слой воды и атмосферы внутри.
Еще одна проблема может быть связана с электронами, образовавшимися в результате столкновения космических лучей с корпусом и защитным экраном корабля. Их накопление может пагубно отразится на электронике, так что инженером будущего предстоит как-то эту проблему решать.
Межзвездная среда представлена молекулами и ионами вещества, а также космическим пылинками, масса которых лежит в пределах от 10 в минус 17 до 10 минус 20 килограмм, а размер их варьируется от долей микрона до 10 микрон.
Плотность межзвездной среды в окрестности солнечной системы оценивается в 10 минус 8 частиц на кубометр и если корабль выйдет за пределы нашего местного пузыря, то плотность пылинок может возрасти на порядок, а в особо плотных регионах - и на пару порядков.
Сталкиваясь с кораблем космическая пыль будет повреждать его корпус а также техническое оборудование и даже если полет проходит не на околосветовых скоростях - проблемы никуда не уходят.
Например одно из объяснений странной формы межзвездного стероида Оумуамуа состоит в том, что его просто сточило при долгом межзвездном перелете как пескоструйкой.
В качестве защиты от пылинок а также от многоатомных молекул типа полиароматических углеводородов или фуллеренов ученые снова предлагают использовать защитный лобовой экран.
Его параметры зависят от скорости корабля, но чтобы выдержать постоянные столкновения с пылью на скоростях десятки или сотни километров в секунду экран должен быть толстым и массивным. За годы полета он будет неминуемо деградировать, ведь каждое столкновение будет выбивать немного вещества самого щита, поэтому экран должна иметь возможность восстанавливаться.
Например это может быть лед намерзающий на специальный сет из тонких трубок.
Возможно кораблю потребуется два экрана:
Как видно проблемы есть и они довольно серьезные, но ничего принципиально неустранимого здесь нет.
С радиацией связана еще одна трудность, которая может жёстко отразиться на экипажи спящего корабля. Дело в том что в наших телах тоже присутствует радиоактивные изотопы.
Это очень хорошо иллюстрирует так называемый «банановый эквивалент дозы».
Суть его в том, что в среднем в 150 гр. банане содержится примерно 500 миллиграмм калия.
Это не самая калийная пища, просто пример. В какой-нибудь брюссельской капусте или авокадо его больше.
Но кроме стабильного калия 39 в очень небольшой доле (одна сотая процента) в нем присутствует и радиоактивный изотоп калий 40, он распадается на кальций 40 или Аргон 40 с выделением бета-частицы или гамма фотона.
В одном грамме природного калия происходит 32 распада калия 40 в секунду.
В наших телах в среднем 175 гр. калия что дает 5400 распадов в секунду.
Это гораздо меньше естественного радиационного фона, но когда человека замораживают, чтобы он тысячи лет провел в анабиозе все процессы в организме останавливаются.
Кроме радиоактивного распада, которому нет разницы на окружаюшую температуру.
По оценкам 400 Бэр астронавт массой 70 килограмм наберет за 11000 лет полета.
И это только за счет распада калия 40!
Если учесть радиацию ок углерода 14, радия и всего такого то после нескольких тысяч лет полета лучше вообще не просыпаться.
С одной стороны можно периодически выводить экипаж из спячки, чтобы организм своими силами восстановил поврежденный ДНК, но это ограничивает возможное время полета, так как при таком сценарии экипаж будет стареть, хотя и медленнее.
И регулярные разморозки и заморозки могут оказаться для организма еще опаснее, чем собственная радиоактивность, так что все эти красивые истории о кораблях, путешествующих сотни тысяч лет среди звезд представляются несколько утопичными.
Наверняка в будущем эту проблему можно будет обойти выращивая «специальных» ГМО- астронавтов, более устойчивых к радиации, но для этого нужно обойти эпические запреты на эксперименты над людьми.
Говорить об этом пока рано, не все так однозначно и со спящим кораблем.
Кстати, спать можно по-разному.
Некоторые фантастические произведения предлагают действительно заморозить экипаж до состояния ледышки, а по прибытию аккуратно оттаять.
При исследовании темы глубокой заморозки создается впечатление, что она широко применяется для хранения органов, предназначенных для трансплантации, но нет!
Органы после разморозки для этого не годятся, используют только отдельные части тканей.
То же относится к заморозке крови спермы и преимплатационных эмбрионов.
Ребенок, родившийся из замороженного эмбриона - это стало реальностью с 1983 года и на сегодняшний день из замороженных эмбрионов родилось более трех сотен тысяч людей.
Но замороженный эмбрион - это всего 8 или чуть более клеток.
Криоконсервация стала реальностью, но только на клеточном уровне.
Все остальное, увы, пока фантастика...
Однако довольно часто фантастические произведения описывают не полную заморозку, а гибернацию. Это замедление метаболизма нервной деятельности да и вообще всех процессов в организме.
На Земле подобным способом сэкономить ресурсы организма, например в условиях засухи или зимы, используют многие животные и даже млекопитающие, те же грызуны, некоторые насекомоядные и сумчатые.
Причем некоторые животные делают это даже без существенного понижения температуры.
Но для межзвездного полета, продолжительностью тысячи лет, такой сон короток, да и расход ресурсов на жизнедеятельность значительно сэкономить не выйдет.
Хотя для полетов внутри солнечной системы - почему нет?
Правда и для этого придется несколько изменить астронавтов генетически.
Ну и еще одна важная проблема, которую часто игнорируют авторы фантастики...
Взгляните на это изображение космических кораблей из разных произведений - им всем не хватает чего-то очень важного.
Чего не хватает этим кораблям?
Речь идет о радиаторах для отвода тепла.
Обычно принято говорить, что в космосе очень холодно, но это не совсем так.
В отличие от Земли, где охлаждение происходит за счет теплообмена, в космосе нет среды, с которой можно было бы обмениваться. Космический вакуум - это почти идеальный термос и единственный способ охладить космический аппарат - тепловое излучение, а значит космическому кораблю или станции необходимы радиаторы.
Например, на МКС они присутствуют.
Выделены радиаторы для сброса излишков тепла
С их помощью она сбрасывает излишки тепла, которых из-за нагрева от Солнца, работы приборов и деятельности экипажа вырабатывается довольно много.
Чем крупнее корабль, чем быстрее он разгоняется и летит и чем мощнее его энергетическая установка - тем больше нужны радиаторы.
Однако тепло излучается поверхностью, которая пропорциональна квадрату радиуса радиатора, а его масса растет при этом как радиус в кубе.
Это значит, что масса радиатора растёт быстрее, чем его способность охладить космический аппарат и в какой-то момент радиатор может оказаться едва ли не крупнее, чем сам корабль!
Частично проблему может решить система капельного охлаждения.
Суть её в том, что корабль распыляет в космосе неиспаряющийся в вакууме теплоноситель в виде очень маленьких капель (в некоторых работах их размер был порядка одной десятой миллиметра).
В невесомости капля примет форму сферы и если посчитать суммарную площадь получившегося радиатора, то она будет просто огромной по сравнению с плоской панелью а весить будет меньше.
Излучив тепло уже холодная капля улавливается приемником для дальнейшего охлаждения систем корабля и весь цикл повторяется снова.
Чтобы минимизировать потери капелькам можно придать небольшой заряд и управлять их поведением с помощью магнитных полей.
В 2014 году как раз для проверки работоспособности капельного контура на МКС проводился эксперимент «Капля-2».
Прошел он, увы, неудачно но это скорее проблема инженерного характера.
В будущем, если необходимо достичь в космосе высоких скоростей - это единственный шанс.
Длительный пилотируемый полет всегда будет требовать многократно больших затрат средств, нежели роботизированная миссия.
Уже на этапе разработки необходимо учитывать стоимость систем жизнеобеспечения и их тестовой эксплуатации. Даже в сценариях спасительного ковчега, когда межзвездный корабль сооружается в спешке, должны быть проведены эксперименты, обосновывающие выбор конкретных решений.
Оценку стоимости проекта поможет оценить опыт МКС. Первый её модуль «Заря» был запущен в ноябре 1998 года, а первая долговременная экспедиция начала работу двумя годами позже.
В 2010 году полная стоимость МКС оценивалась в 160 миллиардов долларов, включая траты США, России, Европы, Японии и Канады.
Ежегодные траты НАСА на МКС при этом составляют от 3 до 4 миллиардов.
Ещё одна оценка стоимости - пилотируемая миссия на Марс.
По приблизительным оценкам, представленным на конференции «Люди на марс» она обойдется в 100 миллиардов долларов за 20 лет подготовки.
Для того, чтобы снизить затраты на производство и запуск ковчегов, потребуется уже готовые решения в ближнем космосе.
Скорее всего сборка на орбите будет осуществляться на базе имеющихся космических станций. Стоимость сопровождения миссии начинает расти уже на этапе строительства. Потребуется создание новой инфраструктуры, сверхдальней связи, начиная с наземных станций и заканчивая возможными ретрансляторами космического базирования.
Тут может пригодиться уже имеющийся на момент строительства база, наверняка у строителей ковчега будет опыт создания и функционирования лунных станций.
Проект межзвездной миссии неизбежно столкнется с проблемами, которые будут решаться впервые, а значит стоимость разработки значительно увеличат высокие риски неудачных решений.
Особую группу рисков составляют этические проблемы, сопровождающие любой пилотируемый полет.
Межзвездная миссия - путь в один конец, а это практически как отправлять людей на верную смерть.
Почти наверняка это встретит огромное сопротивление в обществе и проект окажется на грани срыва.
В случае корабля-сеятеля решающими могут стать этические проблемы искусственно рожденных людей и клонирования, хотя этика множественных родителей и искусственно созданного генотипа может со временем стать нормой.
Так происходит в серии книг и сериале «Пространство».
Главный герой - единственный ребенок восьми родителей, что является прямым следствием реалий юрисдикции в произведении. Примеров, когда этические проблемы приводят к закрытию проекта является фильм «Луна 2112» или просто «Луна» в оригинале.
Как клонирование так и запрограммированные генетически свойства организма с большой вероятностью возникнут в проекте межзвездного корабля сеятеля или корабля поколений с небольшой популяцией.
Разрешить этические проблемы может либо безвыходная ситуация, когда ковчег становится последней надеждой, либо сверхсекретная обстановка, в которой создается и реализуется проект.
И, тем не менее, принципиальных ограничений для такой миссии нет...