Чарльз Стросс: Недостижимый звёздный рубеж

Я зарабатываю на жизнь научной фантастикой. Возможно, именно поэтому люди думают, что я должен быть ярым поборником исследования и освоения космоса. Исследование космоса? Да, признаю, грешен – я обеими руками за науку и прогресс. Но освоение космоса – это совсем другое дело, так что особо чувствительным (или излишне оптимистично настроенным) людям, возможно, не стоит читать эту статью. Примем за данность, что идея космической колонизации вам знакома – города под куполами на Марсе, цилиндрические орбитальные поселения в стиле Дж. Д. Бернала или Джерарда О’Нила и всё в таком духе. Корабли поколений, которые сотни лет несут колонистов к другим звёздным системам, где, как теперь выясняется, хватает планет для исследования.

Мне не хотелось бы тратить время на рассуждения о негласной идеологической подоплёке желания человека колонизировать космос. Достаточно заметить, что она есть и что необходимость колонизации космоса, как правило, обосновывают не столько экономическими, сколько псевдорелигиозными причинами. "Нельзя ставить всё на одну карту" – это не столько довод, сколько попытка давить на жалость. В случае гипотетической катастрофы, которая уничтожит нашу планету, мы (то есть те, кто в данный момент населяет Землю) всё равно погибнем. Исчезновение человеческого вида безразлично тем, кто уже мёртв. Строго говоря, оно не должно нас беспокоить.

Пересечь океан, чтобы заняться возделыванием сельскохозяйственных угодий на землях так кстати вымерших от какой-нибудь болезни местных жителей? В прошлом это было выгодно. Однако космические масштабы всё меняют.

Вот подходящая метафора: давайте примем одну астрономическую единицу – расстояние между Землёй и Солнцем, равное примерно 150 миллионам километров или 600 расстояниям от Земли до Луны – за один сантиметр.

1 АЕ = 1 см.

Солнечная система относительно невелика. Нептун, самая удалённая от Солнца планета, обращается вокруг нашего светила на расстоянии примерно 30 АЕ – или примерно в 30 "сантиметрах". Планета-гигант Юпитер находится на удалении 5,46 АЕ от Солнца (чуть больше пяти "сантиметров").

Мы отправляли к Юпитеру автоматические межпланетные станции. Если послать их по траектории Гоманна, путь займёт два с половиной года, но, в принципе, туда можно добраться и немного быстрее, если с умом применять астродинамику. Нептун пока что предел – только один аппарат, "Вояджер-2", забрался так далеко. Путешествие заняло двенадцать лет, и на Плутоне он не остановился. Пару лет назад "Вояджер-2" преодолел гелиопаузу и теперь направляется в межзвёздное пространство.

Пояс Койпера, ледяные владения блуждающих карликовых планет вроде Плутона и Эриды, простираются ещё на 30 АЕ, прежде чем слиться с намного более пустынным облаком Хиллса и облаком Оорта, владениями слабосвязанных комет с большим периодом обращения.

А теперь первый шок: согласно нашей удобной метафоре, диаметр пояса Койпера составляет примерно метр. Радиус облака Оорта, для сравнения, составляет 50000 АЕ – его внешний край находится в полукилометре от Солнца. Улавливаете? Если радиус нашей планетной системы равен 30 сантиметрам, то для того, чтобы добраться до края облака Оорта, придётся пройти полкилометра.

Теперь прогуляемся к Проксиме Центавра, ближайшей к нам звезде. (Возможно, в холодной бездне, расположенной за пределами облака Оорта, блуждают незамеченными один или два коричневых карлика, но если их и обнаружили, я об этом не слышал.) Проксима Центавра находится в 4,22 световых годах от нас. Один световой год составляет 63,2 х 103 АЕ, или 9,46 х 1012 км. Так что эта звезда находится на удалении 267000 АЕ или, если использовать наш масштаб, 2,3 километра.

Впрочем, Проксима Центавра – не самый лучший выбор, если мы ищем мирок, пригодный для заселения. Несмотря на то, что экзопланеты, похоже, чрезвычайно распространены, планеты земного типа найти сложно. Первой такой планетой была Глизе 581 c, которая находится в 20,4 световых годах или, используя нашу метафору, примерно в шестнадцати километрах от нас.

Попробуйте вообразить: для того, чтобы преодолеть путь длиной пять "сантиметров", нам требуется от двух до пяти лет. Однако сторонники межзвёздных путешествий говорят о пути, длина которого составляет шестнадцать километров.

Вот первое, на что я хотел бы обратить внимание: если расстояния, которые придётся преодолеть при межпланетном перелёте, настолько чудовищны, а время, проводимое в пути, соперничает с продолжительностью путешествия первых поселенцев до Австралии, то расстояние и время, с которыми приходится иметь дело, когда речь идёт о межзвёздных путешествиях, просто-напросто трудновообразимы.

Это не значит, что межзвёздные путешествия невозможны – как раз наоборот. Но для того, чтобы заниматься ими эффективно, понадобится либо вопиюще большое количество дешёвой энергии, либо эффективнейшие автоматические зонды, либо волшебная палочка. Без волшебной палочки вести с той стороны придут не быстрее, чем за десять лет. Даже если возможно получить источник дешёвой энергии или послать самовоспроизводящихся роботов к иным звёздным системам, чтобы превратить их в промышленные ульи, а затем (что ещё более умозрительно) найти какой-нибудь способ переправить туда людей, для нас итоговый экономический эффект этих усилий будет нулевым (не считая того, что на отправку экспедиции всё же потребуются деньги).

Что я подразумеваю под вопиюще большим количеством дешёвой энергии?

Допустим, что в будущем станет возможным взмахнуть волшебной палочкой и создать походный набор, содержащий все технологии и информацию, необходимую для восстановления человеческой цивилизации, способной однажды послать межзвёздные колонизационные экспедиции: кучку самореплицирующихся, самовосстанавливающихся робомашин и скачиваемую копию актуального архива человеческих знаний. Будем великодушными и добавим туда же замкнутую систему жизнеобеспечения, способную поддерживать жизнь человека много лет подряд без сбоев и потерь и способную при необходимости оказать медицинскую помощь. Добавим астронавтов-добровольцев (глупцов!) и запечатаем их в получившейся конструкции. Там будет скучновато, но я думаю, что мы можем вообразить минимальный пилотируемый межзвёздный аппарат, по размеру и весу сравнимый с первым американским космическим кораблём "Меркьюри". Наверное, не промахнусь, если скажу, что общий вес не превысит двух тысяч килограммов.

(Конечно, можно и смухлевать, но я уже задействовал самореплицирующихся роботов и замкнутые системы жизнеобеспечения, а это не так уж сильно отличается от волшебной палочки. Я буду умышленно игнорировать ещё более фантастические технологии вроде межзвёздных виспов (крохотные корабли, которые куда проще разогнать до сверхвысоких скоростей – прим. пер.), передачи разума, или искусственного интеллекта, способного действовать самостоятельно – хоть я сам бесстыдно использовал их в собственном романе Accelerando. Сейчас у меня другая задача: я пытаюсь придумать подходящую метафору для реалистичного энергетического бюджета, необходимого для межзвёздного перелёта).

Если зонд, весящий одну-две тонны с астронавтом в придачу, не совсем правдоподобен, то автоматический зонд в пару тонн весом представить куда проще. Такой аппарат способен перенести достаточное количество роботизированных инструментов для полезных исследований, включая достаточно мощный лазер, подходящий, чтобы послать домой сигнал, и, возможно, даже пресловутый самораспаковывающийся "военно-промышленный комплекс", который позволит построить что-нибудь дельное на том конце. Более миниатюрные зонды, скорее всего, даже не смогут сообщить нам о своих находках – по крайней мере, если не будет открыт совершенно новый вид связи.

Теперь давайте представим, что мы хотим доставить наших приматов в "жестяной банке" к Проксиме Центавра за время их жизни. Мы отправляем их в один конец, так что время полёта в 42 года представляется вполне обоснованным. (Их задача – приглядывать за разворачивающейся машинерией, взращивающей колонистов в искусственных матках. Ага?). Это значит, что кораблю нужно достичь крейсерской скорости в 10% от скорости света, а затем притормозить на том конце. На десяти процентах скорости света релятивистский эффект невелик – время растянется, не более чем на несколько часов или дней за 42 года путешествия.

Нам надо ускорить наших астронавтов до 30 миллионов метров в секунду, а затем приостановить. Мухлюя и используя ньютоновскую динамику, получим, что кинетическая энергия, потребляемая ускорением составит 9 x 1017 Джоулей, то есть, если округлить, 2 x 1018 на всё путешествие. NB: Подразумевается, что используемый двигатель конвертирует энергию в движущую силу со стопроцентной эффективностью, и силовая установка находится снаружи, так что нет необходимости брать в дорогу рабочее тело. Выходит, что это нижний предел энергетической стоимости транспортировки нашей экспедиции величиной со старинный космический корабль к Проксиме Центавра за время меньшее, чем продолжительность жизни.

Для сравнения добавлю, что полное преобразование одного килограмма массы в энергию даёт 9 x 1016 Джоулей (что, согласно одному из моих источников, равно 21,6 мегатонн в термоядерном эквиваленте). Так что нам понадобится энергетический эквивалент 400 мегатонн ядерного армагеддона, чтобы передвинуть к Проксиме Центавра за время меньшее продолжительности жизни человека капсулу, которая весит как нагруженный автомобиль Volvo V70. Столько энергии дадут все имеющиеся американские межконтинентальные баллистические ракеты "Минитмен III".

Вот менее взрывчатый ориентир: вся наша планетарная экономика, которая потребляет примерно 4 тераватта электричества (4 x 1012 Ватт). Так что нужно всё наше мировое энергоснабжение за примерно полмиллиона секунд – около пяти дней – чтобы обеспечить необходимый "ж-жах".

Чтобы с треском вернуть вас с небес на землю, позвольте напомнить, что этот зонд настолько невероятно эффективен, что сам по себе попадает на территорию "волшебных палочек". Кроме того, я обошёл стороной стопроцентно эффективные передатчики энергии, способные действовать на межзвёздных расстояниях с поразительной точностью и без потерь. Если бы они существовали, они позволили бы космическому кораблю на том конце конвертировать энергию напрямую в движущую силу, но пока никто не сумел построить ничего подобного.

Когда речь идёт о единственном астронавте и 10% скорости света, результат не так уж сильно отличается от беспилотных полётов. А как быть с более долгосрочными экспедициями?

Корабли поколений – старинный штамп научной фантастики. Они очень медлительные (вероятно, менее 1% скорости света) и несут на себе самодостаточные города-государства. Команда, отправляющаяся на нём, не доживёт до конца полёта (путь до Проксимы Центавра со скоростью 1% скорости света потребует около 420 лет), но есть надежда, что доживут их потомки.

Если даже не задумываться о том, что ни у кого нет опыта создания социальных институтов, сохраняющих стабильность на периодах времени, значительно превышающих продолжительность человеческой жизни, корабли поколений, скорее всего, всё равно не помогут нам решить проблему энергетического бюджета.

Человеческое общество, судя по всему, требует больше места и сырья для жизни, чем можно взять с собой в полёт. К тому же если запечатать одинокого путешественника в консервную банку на сорок с чем-то лет – всего лишь жестоко и странно, то если поступить так с целым городом на несколько столетий, то это, наверное, правильнее всего квалифицировать как преступление против человечности.

Выходит, что нам нужно ослабить требования к массе. Если предположить, что у нас будут те же сверхэффективные системы жизнеобеспечения, что и в примере с единственным путешественником, мы можем постулировать, что на каждого колониста требуется десять тонн жилых сооружений (примерно как в жилом трейлере, только на всю жизнь). Урежем пиковое ускорение на порядок и на порядок увеличим груз на одного пассажира – и нам потребуется достаточное количество пассажиров, чтобы получилось стабильное общество. Предполагаю, что разумным нижним пределом можно считать 200 человек – размер стада доисторических приматов. Судя по всему, наш минимальный корабль поколений потребует существенно больше энергии, чем единственный скоростной путешественник.

И не забывайте, что пока речь идёт только о пути до Проксимы Центавра, нашего ближайшего соседа. Экзопланета Глизе 581 впятеро дальше. Планеты, которые уже годятся для жизни, обращаются в обитаемых зонах вокруг своих звёзд, содержат в атмосфере свободный кислород и имеют подходящую массу, силу тяжести и вторую космическую скорость, вероятно, встречаются куда реже. (Между прочим, присутствие свободного кислорода в атмосфере свидетельствует о кое-чём ещё – о наличии на планете жизни, ведущей фотосинтез, геохимического цикла углерода и множества других вещей, которые могут представлять опасность для неподготовленной иммунной системы человека. Вопрос о том, как мы будем взаимодействовать с инопланетными биологиями, на порядок сложнее, чем вопрос о том, как мы до них доберёмся – на первый взгляд перспективы такого взаимодействия выглядят довольно сомнительно).

Cуть того, что я пытаюсь сказать, проста. Пока у нас нет неотличимой от волшебства технологии, позволяющей делать то, что сейчас кажется непозволительно вольным обращением с законами физики, межзвёздные путешествия представляются совершенно неосуществимыми. И хотя нельзя заранее отвергать возможность того, что когда-нибудь такая почти волшебная технология появится, как фантаст я могу сделать вывод, что даже если межзвёздные путешествия случатся, они будут совершенно не похожи на колонизации прошлого, за которыми следовали потоки переселенцев и развёртывание торговли между колониями и метрополией.

 

А что насчёт Солнечной системы?

Солнечная система после обсуждения огромности межзвёздного пространства кажется утешительно легкодоступной. Во всяком случае, на первый взгляд. Исследование собственной звёздной системы представляется почти очевидным занятием. Оно нам по силам, и мы уже начали его. Межпланетные полёты в будущих учебниках истории, вероятно, будут считаться одним из величайших научных достижений конца 20 – начала 21 веков.

Однако достаточно повнимательнее присмотреться к перспективам межпланетной колонизации, чтобы понять: с ней дела обстоят не менее мрачно.

Грубо говоря, ракеты нам тут не помогут.

Согласно оптимистичным прогнозам, разрабатываемые сейчас недорогие ракетоносители позволят поддерживать присутствие на Луне с транспортными расходами в пределах 15 тысяч долларов за килограмм. Это сделает межпланетные полёты доступными. По более дерзким оценкам выходит, что если расходы удастся урезать до суммы, превышающей стоимость топлива и окислителя лишь втрое (а это значит, что обсуждаемый космический аппарат должен быть многоразовым и одновременно очень дешёвым), то нижний предел снизится до 165 долларов за килограмм груза, доставленного на Луну. При таких ценах отправка космонавта на базу "Луна-1" обойдётся не дороже, чем авиаполёт из Великобритании в Новую Зеландию первым классом. Проблема только в том, что все эти вычисления – полная чушь.

У нас, приматов, есть определённые технические ограничения. Не стоит недооценивать нашу склонность безнадёжно выходить из строя при столкновении с предельными значениями температуры, давления и парциального давления кислорода. Хотя количество кислорода, воды и пищи, которые человек потребляет в течение дня, не кажутся такими уж серьёзными (скорее всего, если экономить и перерабатывать всё, что только возможно, выйдет не больше десяти килограммов), паразитный вес, необходимый для того, чтобы наша обезьяна-космонавт не "взорвалась", исчисляется тоннами.

Российский скафандр "Орлан-М" (который, как считают некоторые, лучше всех аналогов, которые придумали в NASA) весит 112 килограммов. Это задаёт нижний предел нашим инфраструктурным требованиям. Настоящий обитаемый блок потребует куда больше. Даже при 165 долларах за килограмм к цене того воображаемого авиабилета первого класса придётся добавить весьма существенные расходы на доставку багажа. Даже сами авторы статьи, из которой я взял эту цифру, соглашаются, что 2000 долларов за килограмм выглядят разумнее.

Как ни старайся, отправка единственного туриста на Луну обойдётся самое малое в 50 тысяч долларов, а более реалистичная цифра ближе к миллиону долларов. И это без учёта того, что нам ещё придётся везти его обратно на Землю.

Луна находится в 1,3 световых секундах от нас. Правильнее посылать туда не людей, а дистанционно управляемых роботов. Расстояние не так велико, чтобы мы не могли контролировать роботов напрямую, но недостаточно мало, чтобы стоимость доставки еды и прочих плотских радостей для людей-исследователей не достигала астрономических величин.

Возможно, место для людей и найдётся на лунной базе, но только до того момента, пока наша робототехника не сделает шаг вперёд по сравнению с тем, что мы имеем сейчас. Работа Центра управления полётами станет куда проще, если ему придётся иметь дело только с парой механических рук и камерой высокого разрешения, которые не разговаривают и которым не нужно ходить в туалет или спать.

Если посмотреть на остальную Солнечную систему, то картина становится ещё грустнее. Марс… как бы это сказать… в голову приходит фраза "туристический курорт" и немедленно направляется в тот же угол, где находится "пустыня Гоби". "Я поверю в людей, заселяющих Марс, не раньше, чем люди начнут заселять пустыню Гоби, – верно заметил Брюс Стерлинг. – Гоби в тысячи раз приветливее Марса, а добраться до неё в пятьсот раз дешевле и проще. Никто не пишет романтическую фантастику про Гоби, потому что не существует ни одной причины ехать и жить там – и это абсолютно очевидно для каждого. Она уродлива и негостеприимна, а у поездки туда нет ни одного шанса окупиться. С Марсом – то же самое. Мы просто идеализируем Марс, потому что туда труднее попасть".

Исследовать Марс – прекрасно и замечательно. Собственно говоря, наших роботов там и так уже полно. Но в качестве потенциального места жительства у него есть некоторые недостатки: лёгкая нехватка пригодного для дыхания воздуха, антарктические морозы по ночам, пылевые бури, скорость ветра во время которых составляет 170 м/с – и так далее по пунктам.

Впрочем, одна хорошая причина для того, чтобы посылать людей на Марс, всё же есть – расстояние. Свету требуется целых 30 минут, чтобы добраться до этой планеты, а это значит, что управлять роботами на её поверхности с Земли крайне неудобно. Либо нам нужны автономные станции, способные принимать решения и следить за их выполнением без надзора человека, либо космонавты на орбите или поверхности планеты, чтобы командовать бригадами роботов.

С другой стороны, Марс расположен намного дальше Луны, и его сила тяжести существенно больше. Это повышает стоимость каждого килограмма, доставленного на поверхность планеты. Возможно, какой-нибудь FedEx сумеет снизить её до 20000 долларов за килограмм, но я бы загадывать не стал.

Позвольте повториться: ракеты нам не помогут. По крайней мере, на обычных – и хотя ядерная реактивная тяга может сыграть свою роль в дальнем космосе, чаще придётся идти на сделку между тягой и эффективностью. Чем эффективнее ваш мотор, тем слабее его тяга. Некоторые технологии, такие как электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом, показывают неплохую гибкость, но они не годятся для того, чтобы оторвать корабль от Земли и вывести его на орбиту. Они могут полезны только при старте с низкой орбиты.

Впрочем, как и в случае с межзвёздными полётами, есть и другие варианты. Космические лифты, если мы их построим, устранят множество упомянутых мной проблем. Анализ энергетических затрат космических лифтов позволяет предположить, что стоимость вывода одного килограмма груза на геосинхронную орбиту может составлять вполне приемлемые 350 долларов, причём без всяких волшебных палочек (хотя, конечно, они бы не помешали при конструировании и выборе материалов для самого лифта). Так что мы вполне можем начинать готовиться к отпускам на орбите в условиях невесомости – небесплатным, конечно, но всё же.

Космический лифт очень привлекателен, поскольку это масштабируемая технология. Можно использовать один для доставки на орбиту материалов для постройки других. В перспективе, космические лифты могут дать нам относительно разумно стоящий способ выхода в космос, и позволить поездки на Луну, стоящие дешевле 100 тысяч долларов по нынешнему курсу. Здесь-то колонизация могла бы начать выглядеть привлекательно с экономической точки зрения, но…

Мы – люди. В результате эволюции вышло так, что для процветания нам нужна строго определённая среда, которую можно найти, вероятно, лишь на одной десятой площади нашей планеты (70% Земли покрывают океаны, и, хотя мы способны выжить с помощью специальных приспособлений в чрезвычайно неприветливой обстановке, будь то Арктика, пустыня или горы, мы плохо приспособлены к такой среде).

Космос – крайне плохая среда для жизни. Простое падение давления способно убить команду космического корабля за минуты. И это не единственная угроза. Космическая радиация представляет собой серьёзный риск для долговременных межпланетных экспедиций и, в отличие от солнечной радиации и радиации от корональных выбросов массы, от её высокоэнергетических частиц защитить космонавтов чрезвычайно сложно. И, наконец, время в пути. Два с половиной года до системы Юпитера, шесть месяцев до Марса.

Подойти к решению этих проблем можно по-разному. Возможен и медицинский подход. Долговременное радиационное воздействие ведёт к раку, но если мы разработает продвинутую методику лечения рака, не вызывающую побочных эффектов, это будет не так уж важно. Ещё лучше, если сероводородный анабиоз окажется практически применим; тогда мы просто могли бы проспать всё путешествие.

Но даже в этом случае, если уж на то пошло, не предвидится ни единой экономически оправданной деятельности, для которой понадобилось бы заселять другую планету или астероид и жить на них до самой смерти. Когда нужные нам ресурсы находятся во враждебной среде, для их добычи мы строим специальную инфраструктуру (например, нефтяные платформы). Переезжать в эту среду вместе с семьями никто не спешит. Работу, как правило, организуют вахтовым методом: когда вахта заканчивается, рабочие отправляются домой. За пределами нефтяной платформы всё равно ничего нет – только воющие ветра североатлантических заливов и ледяная вода, которая убьёт вас за пять минут, если вы в ней окажетесь. И это, по-моему, лучшая метафора для освоения космоса.

Большая часть трудоёмких работ за миллионы километров от Земли будет выполняться роботами под присмотром людей-операторов, изнемогающих от желания вернуться, наконец, домой и потратить тяжёлым трудом заработанные деньги. А ближе к дому коммерциализация космоса будет постепенной и медленной. Её будет подталкивать наша растущая зависимость от навигационных и метеорологических спутников, спутников связи и космического туризма. Купольным городам на Марсе придётся подождать волшебной палочки или даже двух – они нужны, чтобы сделать что-то с климатом или произвести человека, способного существовать в неприветливой безвоздушной среде.

Осваивайте пустыню Гоби или Северную Атлантику зимой, а уж потом поговорим о Солнечной системе.


Автор: Чарльз Стросс
Публикуется с разрешения автора. Оригинал.

0 ответы

Ответить

Хотите присоединиться к дискуссии?
Приглашаем поучаствовать!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code class="" title="" data-url=""> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong> <pre class="" title="" data-url=""> <span class="" title="" data-url="">