Чарльз Уолфорт - За пределами Земли: В поисках нового дома в Солнечной системе

Современные химические ракеты хороши для непродолжительного производства огромной тяги, но они неэффективны, а подходящее им топливо слишком тяжело для долгого путешествия. Макдональд проводит аналогию с Диким Западом. Если бы лошади поселенцев, пересекающих прерии, не могли пастись по пути, то каждому из них понадобился бы длинный обоз с заготовленным кормом. Никто не смог бы позволить себе такое путешествие.

Гарольд Уайт, известный как Сонни, работает у Макдональда. Он думает о том, какой необходим фундаментальный прорыв для того, чтобы построить космический аппарат, не требующий всего этого груза и поддержки. Он — простой и симпатичный парень, чья скромность не вяжется с той потрясающей работой, которую он делает. С помощью понятной немногим физики он изобретает реальные машины, обретая в процессе новое понимание свойств Вселенной. Но о своей работе на переднем крае теории он говорит с тем же обыденным энтузиазмом, с каким показывает картинки в своем телефоне. После фотографии ядерного двигателя 1960-х гг. в пустыне, сделанной во время семейной поездки, он признается: «Я такой “ботаник”!»

Но он «ботаник», только если вы готовы назвать так человека на зарплате у NASA, разрабатывающего штуки, впервые придуманные в сериале «Звездный путь». Как мы увидим в главе 12, Сонни работает над двигателем будущего. Он супергерой среди «ботаников».

Обычным смертным вроде нас трудно понять то, о чем говорит Сонни. Приведем пример.

Ракеты, самолеты и суда ускоряются согласно третьему закону Ньютона. Для каждого действия существует равное по силе, но противоположно направленное противодействие. Мотор лодки крутит винт, который толкает воду назад; противодействием этому является движение массы лодки вперед. Двигатель самолета разгоняется за счет массы воздуха, пропускаемого через турбину или пропеллер. Летящая сквозь космос ракета не опирается ни на воздух, ни на воду и не может использовать их в качестве рабочего тела. Поступательное движение является противодействием выбросу реактивной массы. Независимо от того, какой используется источник энергии и какова скорость выброса, поступательное движение обычной ракеты ограничивается, согласно третьему закону Ньютона, массой рабочего тела у нее на борту. Если это ограничение применить к лодкам и самолетам, они могли бы совершать лишь очень краткие рейсы.

Делу может помочь улучшенный источник энергии и более эффективный двигатель. Во внутренней части Солнечной системы солнечные батареи способны вырабатывать достаточно электричества для питания двигателя. Электрические космические аппараты в качестве рабочего тела используют ксенон. Ксенон — негорючий инертный газ; он лишь рабочее тело, а не топливо. В таких двигателях, называемых ионными, электричество, вырабатываемое солнечными батареями, ионизирует атомы ксенона, унося с них электроны и создавая положительно заряженные ионы, которые можно разогнать магнитным полем. Ионы ксенона разгоняются и выталкиваются через хвостовую часть ракеты, чем и обеспечивается ее поступательное движение. Во внешней Солнечной системе, где лучи Солнца слабее, ионный двигатель может получать электричество от реактора ядерного деления вместо солнечных батарей. Реакторы существуют уже давно: например, один из них был установлен в старой ракете, фотография которой была у Сонни в телефоне [69] Речь идет о ядерном ракетном двигателе с реактором Kiwi, созданном по программе NERVA. Она была закрыта в 1972 г. на этапе наземных испытаний двигателя. — Прим. науч. ред. .

Электрическая двигательная установка успешно работала на аппарате NASA под названием «Рассвет» (Dawn), запущенном в 2007 г.; используя солнечную энергию, он добрался до пояса астероидов и вышел сначала на орбиту вокруг астероида Веста, а затем — вокруг карликовой планеты Церера. Заряженные до 1000 В решетки в задней части двигателя выталкивали ионы ксенона со скоростью 145 000 км/ч. При очень экономном расходе ксенона эта система создавала тягу, равную весу листа бумаги на Земле, и ускоряла «Рассвет» настолько постепенно, что от 0 до 100 км/ч он разгонялся лишь за четыре дня. Но суммарно за 10 лет аппарат набрал 39 000 км/ч. Ионный двигатель толкал его так быстро при такой малой мощности отчасти благодаря высокой эффективности, десятикратно превышающей эффективность обычной ракеты.

Но, как и ракета на химическом топливе, ионный двигатель в конце концов истратит рабочее тело. Когда ксенон заканчивается, двигатель перестает работать. Вот почему Q-двигатель, над которым работает Сонни, — такая привлекательная идея. Он черпает рабочее тело из пространства, поэтому оно никогда не заканчивается.

Для того чтобы понять эту идею, нужно совершить экскурс в квантовую механику, которую почти никто не понимает (может статься, что и вовсе никто). Квантовая механика — это странная физика вопросов вроде «Из чего состоит свет — из волн или частиц?» и «А где именно находится этот электрон и какова его скорость?». В обоих случаях физики говорят, что ответ не определен и неопределим в каждом конкретном случае. Точное положение и импульс субатомной частицы имеют принципиально вероятностную природу, они не являются строго определенными фактами. И все мы состоим из этих частиц.

Вселенная — собрание вероятностей. Крохотные вероятности складываются в крупные объекты, которые мы воспринимаем как реальные и интуитивно ощущаем вещи существующими в определенном месте и времени, движущимися с определенным импульсом, но в основе своей они не такие. Из-за того, что наш взгляд на мир вступает в противоречие с квантовой механикой, многие прогнозы на основе этой теории кажутся невероятными: например, способность материи появляться из ниоткуда и исчезать в никуда без видимой причины. Но реальность этих кажущихся невозможными явлений была экспериментально подтверждена.

Возникновение материи из ничего называется квантовой флуктуацией вакуума. В нашей вероятностной Вселенной виртуальные частицы постоянно появляются и исчезают даже в полном вакууме, просто потому что существует малый шанс того, что это произойдет. Q-двигатель Уайта будет использовать эти частицы в качестве рабочего тела вместо ксенона. Энергию для двигателя будет по-прежнему производить ядерный реактор или солнечные батареи, но рабочее тело, выбрасываемое назад, будет даровым, поступающим прямо из пространства. Виртуальные частицы из вакуума, присутствующие в камере двигателя, будут ускоряться электрическим полем. Q-двигатель использует то, что уже есть (или потенциально может присутствовать) в камере так, как моторная лодка использует воду, а реактивный самолет — воздух.