Текст книги "Приключения радиолуча"
Автор книги: Валерий Родиков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 23 (всего у книги 23 страниц)
К ЗВЕЗДАМ ПОД РАДИОПАРУСОМ
Герои фантастических произведений давно уже побывали на планетах у чужих солнц и познакомились с их обитателями. Крылья мечты оказались быстрее современных ракет. Да и с планетами в других мирах нет ясности: как показали расчеты специалистов, пока ни одним из существующих методов невозможно достоверно обнаружить планеты даже у соседних звезд. Правда, ученые не теряют оптимизма. Они уверены, что в будущем появятся технические средства, чтобы решить эту задачу. В частности, они связывают свои надежды с выводом в космос больших оптических телескопов.
А как обстоят дела с межзвездными перелетами? Сможем ли мы устремиться в погоню «за светом и пространством»? По прогнозу, сделанному в начале 80-х годов, темпы развития ракетной техники не исключают к 2000 году первых шагов к звездам. На рубеже веков, вероятно, появится возможность запустить космический аппарат, скорость которого относительно Солнца (то есть в момент, когда он покинет Солнечную систему) будет составлять около 100 километров в секунду, то есть почти в 13 раз быстрее искусственного спутника Земли. Однако даже при такой скорости полет до ближайшей звезды займет около 10 тысяч лет.
Для сравнения с сегодняшней реальностью приведем данные по летающей ныне американской станции «Вояджер-2», которая была запущена в августе 1977 года. В августе 1989 года станция достигнет планеты Нептун, которая находится от нас на расстоянии в 10 тысяч раз большем, чем Луна. Ну а ближайшая к Солнцу звезда проксима Центавра еще в 10 тысяч раз дальше: она удалена от нас на 40 триллионов километров или на 4,3 светового года. «Вояджер-2» покинет Солнечную систему со скоростью 58 тысяч километров в час. Чтобы долететь до ближайшей звезды, ему потребуется 80 тысяч лет…
Как превозмочь чудовищную бездну? Различные проекты фотонных ракет, суперкораблей со сменой поколений космонавтов оказываются при ближайшем рассмотрении практически неосуществимыми. И все же в более или менее отдаленном будущем возможно достигнуть звездных далей в приемлемый для жизни одного поколения людей срок. В основе утверждения лежит реальная в принципе идея, правда, в наши дни она еще может показаться фантастической.
Речь идет о межзвездной автоматической станции. И это естественно, ведь в космос, прежде чем стартовал человек, был запущен спутник. Наверняка и к ближайшей нам звезде проксима Центавра первым полетит автоматический корабль. Только устремит его к звезде-соседке не ракета, а парус. Да, забытый парус. Подобно каравеллам Колумба, пустившимся искать Новый Свет, к звездным далям, возможно, отправится космический парусник. Но вот попутный ветер будет для него необычным – радиоволны.
Со школьной скамьи мы знаем о том, что солнечный свет оказывает давление. В учебниках физики описывается выдающийся опыт русского физика А. Н. Лебедева, поставленный в 1899 году: солнечные лучи вращают лопасти вертушки созданного ученым прибора. Эксперимент был неотразим. У современников Лебедева сомнений больше не было: световое давление – не теоретическая иллюзия из уравнений Максвелла, оно действительно существует.
Доказательство существования светового давления послужило в свое время источником многих гипотез, в том числе модной и поныне идеи панспермии. Еще при жизни Лебедева шведский ученый Сванте Аррениус попытался объяснить возникновение жизни на Земле пришествием мельчайших зародышей и спор простейших организмов из других миров. Он доказал, что они могут выталкиваться за пределы планетных систем световым давлением. Расчеты были правильны, свет звезд и солнц действительно мог служить космическим транспортом для мельчайших частиц.
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. По мнению специалистов, уже до конца столетия поднимутся солнечные паруса космической каравеллы.
Но на солнечном ветре к звездам не улетишь. Чем дальше от Солнца, тем слабее его лучи, то есть применение парусников ограничивается пределами Солнечной системы. А нельзя ли создать искусственно мощный источник света и надуть им паруса звездной каравеллы? Такой прибор есть – лазер. Правда, лазер должен быть довольно мощным. В США в настоящее время ведутся работы по созданию лазеров с большой мощностью излучения, но, к сожалению, они предназначаются для «звездных войн». А ведь их энергией можно было наполнить звездные паруса…
Для первого знакомства с миром соседней звезды больше подойдет не луч лазера, а микроволновый радиолуч. Да, радиоволны, как и свет, тоже «давят», ведь 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.
Так вот, энергия кванта тем больше, чем меньше длина волны, или иначе, чем выше частота колебаний. Даже в самой «мощной» части микроволнового диапазона– у субмиллиметровых волн – энергия кванта в сотни, тысячи раз слабее, чем у кванта света. Но, несмотря на это, именно радиоволны прочат на роль космического ветра для первого звездного парусника.
Дело в том, что для «радиоветра» парус можно сделать «дырявым» – из тонкой сетки, а следовательно, и более легким. Для света же такой парус был бы прозрачным, ему нужен сплошной листовой материал.
Идею использовать микроволновое излучение в качестве движущей силы межзвездного корабля высказал американский физик Фримэн Дайсон. Сфера, названная его именем, – традиционный пример астроинженерной деятельности. В 1984 году Роберт Форвард привнес в идею Дайсона наиболее передовые достижения компьютерной техники. В результате такого объединения 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 ячеек расположены микроэлектронные схемы (маленькие ЭВМ), которые образуют в целом сверхмощную ЭВМ параллельного действия. Кроме того, 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 создает 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. Вплотную подошел к созданию квантовых усилителей-генераторов советский ученый В. А. Фабрикант. Еще в 1940 году он провел теоретические исследования и сделал, правда, неудачные, экспериментальные попытки усилить СВЧ-колебания в парах цезия. Сейчас кажется даже удивительным, что науке пришлось совершить 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 «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 и в США – группа ученых под руководством Ч. Таунса), в галактических туманностях был открыт естественный мазер. Представим, что лабораторный мазер не был бы создан в 1954 году. Все равно он был бы неизбежно открыт позже благодаря радиоастрономическим наблюдениям.
Разместить мазер предполагается на спутнике на околоземной орбите, а энергию дадут ему солнечные батареи, находящиеся тут же, на орбите. Чтобы радиоволны «толкали» парус, мощность излучения мазера должна составлять 20 гигаватт (миллионов киловатт), немного меньше мощности пяти Братских ГЭС.
Радиолуч направляется и фокусируется на космическом парусе специальным устройством в виде линзы Френеля, названной так по имени создателя ее оптического варианта выдающегося французского ученого Жана Френеля. Он опробовал свою систему линз в 1823 году на маяке Кордуан в устье Жиронды, одном из самых древних в мире действующих маяков. Время его рождения уходит в эпоху Карла Великого. Кстати, оптические линзы Френеля применяют до сих пор на многих маяках, а также в маячковых и сигнальных фонарях.
Размер космической линзы огромен – около 50 тысяч километров (четыре земных диаметра!). Состоит линза 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 «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.
И понесется подгоняемая радиофотонами космическая каравелла. Всего за неделю разгонится она до одной пятой скорости света. Такое стремительное ускорение, в 155 раз превышающее ускорение свободного падения, сообщит ей радиолуч. Через неделю работы мазер выключится.
Через 17 лет аппарат преодолеет три четверти расстояния до проксимы Центавра. Тогда центр управления полетом включит мазер и направит радиолуч на парус. Радиоволны достигнут аппарата примерно через четыре года, и хотя за столь длинное путешествие луч порастеряет свою энергию, ее все-таки будет достаточно, чтобы переключить все 10 триллионов микросхем в режим фотоприемников. Парус превратится в огромный искусственный «глаз», который сможет наблюдать неизвестный мир нашей звездной соседки.
На скорости 60 тысяч километров в секунду «Старуисп» промчится мимо проксимы Центавра всего лишь за 40 часов. За это время он пройдет около девяти миллиардов километров – расстояние, равное диаметру орбиты Нептуна. Каждую секунду в сорокачасовом сеансе будет фиксироваться 25 изображений с высокой разрешающей способностью. С такой же скоростью происходит передача изображений в телевидении.
Затем по командам синхронизирующих сигналов, содержащихся в радиолуче, парус станет работать как антенна, которая направит радиоволны с закодированными в них изображениями на Землю.
Через четыре года после пролета соседней звезды парус будет находиться от нее на расстоянии почти в один световой год. А сигналы от «Старуиспа» только-только достигнут Земли, где ЭВМ превратят импульсы в изображения мира проксимы Центавра. Это произойдет четверть века спустя после запуска радиопаруса.
Если у нашей звездной соседки «Старуисп» обнаружит интересные объекты, то следующим шагом может стать посылка более тяжелой межзвездной автоматической станции, начиненной исследовательской аппаратурой и оснащенной совершенной оптической системой. Ее назвали «Старлайтом». Межзвездный аппарат тоже с парусом, но приводится в движение лучом лазера. Парус его диаметром 3,6 километра предполагается изготовить из алюминиевой пленки толщиной всего 16 миллиардных долей метра. Масса паруса вместе с космическим аппаратом – около тонны. Поддувать парус будет лазер мощностью 65 гигаватт.
Его поместят либо на околоземную орбиту, либо на орбиту поближе к Солнцу. Там энергии побольше, и для «накачки» лазера можно будет использовать непосредственно солнечный свет. Лазерный луч будет фокусироваться на парусе линзой Френеля, помещенной между орбитами Сатурна и Урана. Диаметр линзы – тысяча километров. Лазер сообщит «Старлайту» ускорение 0,04 g. После трех лет непрерывного лазерного поддува межзвездная станция приобретет скорость, равную 11 процентам от скорости света, и удалится от Солнца на 0,17 светового года. В этот момент диаметр ускоряющего луча разойдется до 3,8 километра, и лазер выключится.
Через сорок лет станция достигнет окрестностей проксимы Центавра и начнет исследования. Как мы видим, «Старлайту» потребуется в два раза больше времени, чем его «радиопарусному» собрату, хотя мощность лазера в три раза превышает мощность мазера. Но ведь несоизмеримо различие и в массах самих аппаратов – 20 граммов и одна тонна.
Для полета человека к более далеким звездам, например, к эпсилон Эридана, находящейся на расстоянии 10,8 светового года, предлагается проект еще более тяжелого парусного космического корабля, названного «Суперстарлайтом». Масса его – 75,8 тысячи тонн, а размеры паруса и фокусирующей луч лазера линзы Френеля – 1000 километров.
Звезда эпсилон Эридана – ближайшая к нам звезда «солнечного» типа, и первый звездный маршрут с человеком на борту, вероятно, будет проложен именно к ней. Кстати, на орбите вокруг этой звезды, согласно предварительным данным, полученным канадскими астрономами, находится планета, в два-пять раз тяжелее Юпитера. Чтобы экипаж мог достигнуть звезды и вернуться обратно в течение человеческой жизни, корабль должен лететь со скоростью, сопоставимой со скоростью света.
Группа лазеров, испускающих луч чудовищной силы мощностью 43 тысячи тераватт (тераватт – миллиард киловатт), за 1,6 года разгонит корабль до крейсерской скорости – 150 тысяч километров в секунду – половины скорости света. Чтобы обеспечить постоянное ускорение, мощность лазеров в конце этапа набора крейсерской скорости должна увеличиться чуть ли не вдвое, до 75 тысяч тераватт. Что и говорить, дешево до звезд человеку не добраться. На такой чудовищной скорости начнут сказываться релятивистские эффекты: масса корабля увеличится на 13 процентов, а для звездолетчиков время потечет медленнее.
Примерно за 10,4 года до подлета к звезде лазеры вновь включат. Но теперь энергия светового луча пойдет на торможение. Чтобы остановиться у звезды и прилететь обратно, парус должен быть особым – из трех концентрических сегментов. Внешнее кольцо диаметром 1000 километров предназначено для торможения, промежуточное диаметром 320 километров и внутреннее диаметром 100 километров – для возвращения экипажа. На внутреннем парусе находится и модуль экипажа.
Когда космический парусник подойдет к звезде на расстояние 0,4 светового года, от него отделится внешнее тормозное кольцо и, обгоняя корабль, устремится вперед. Оставшаяся часть паруса повернется так, чтобы его отражающая поверхность была обращена к отделившемуся тормозному парусу. Лазерный луч, отразившись от паруса торможения, ударит в парус корабля.
Звездолетчикам будет казаться, что это с эпсилон Эридана бьет световой поток. Тормозиться корабль до полной остановки будет столько же времени, сколько он разгонялся, – 1,6 года. По земному времени полет продлится 23,2 года, а по бортовому времени звездолета – 20,5 года.
Научные исследования нового для землян мира займут несколько лет. А когда придет время лететь домой, парус вновь уменьшится в размере. От него отделится промежуточная ступень диаметром 320 километров. Она будет сориентирована так, чтобы ее отражающая поверхность была повернута к Солнечной системе. Третий «выстрел» лазера длительностью 1,6 года, отправленный землянами 10,8 года назад, теперь достигнет окрестностей эпсилон Эридана и, направленный промежуточной ступенью, наполнит попутным лазерным ветром стокилометровый парус возвращения. «Суперстарлайт» двинется в обратный путь.
Через 20 лет звездолет приблизится к Солнечной системе со скоростью, равной половине скорости света. Его остановит последняя вспышка лазера. Все путешествие продлится примерно 51 год, а по звездолетному исчислению – 46 лет.
Один из авторов проекта, Р. Форвард, так оценивает его возможности: «Межзвездное путешествие под «световым парусом», ускоряемым лазером, пока еще невозможно. Но оно не противоречит никаким физическим законам и может быть осуществлено. Развитие технологии получения тонких пленок, генерации и передачи энергии с помощью лазеров дает такую уверенность. И этот метод имеет определенные преимущества перед другими планами межзвездных путешествий. «Двигатель» остается «дома», в Солнечной системе, где его относительно легко содержать в рабочем состоянии, ремонтировать или совершенствовать в случае необходимости».
Конечно, есть огромные технические проблемы. Строительство гигантских легких конструкций, разработка систем наведения и сопровождения, использование кольцевого «светового паруса» в качестве фокусирующей линзы и, естественно, создание мазеров и лазеров, которые могут генерировать энергию на уровне нескольких гигаватт и тераватт в течение месяцев и даже лет – все это очень сложные задачи.
Тем не менее «световой парус», направляемый лазером, возможно, явится тем средством, которое однажды сможет доставить нас к звездам и обратно в течение человеческой жизни. Кто знает, может, наши потомки на самом деле взлетят по звездной трассе на «крыльях света».
БЕЗГРАНИЧНЫЙ РАДИОКОСМОС
Радиоэлектроника, словно ветвистое дерево, разрослась на много локальных областей, порой отдаленных друг от друга, порой тесно связанных.
В рекламном проспекте одной иностранной выставки в Москве была такая фраза: «Электронная вселенная тоже расширяется». Метафора недалека от истины. Судите сами.
Возьмем для иллюстрации такой важный показатель радиоэлектронных систем, как минимальная мощность принимаемого радиосигнала. Для разных радиоприемных устройств его величина простирается от 10 —22ватта до единиц ватт и более. Действительно, разница вселенского масштаба. Вспомним, что отличие диаметра земного шара от размера атома гораздо менее значительно: «всего» в 10 17раз.
Разительно и многообразие радиоэлектронных устройств. Есть приборы, в которых всего лишь несколько десятков элементов и в то же время есть устройства, где их десятки-сотни миллионов, и с каждым часом растет многоликость электронного мира.
Открытия следуют непрерывно одно за другим, как из рога изобилия. То промелькнет сообщение о разработке нейрокомпьютера – ЭВМ шестого поколения, функционирующей как человеческий мозг, – первого прототипа биокомпьютера. То вдруг огорошит сенсация о фантастическом быстродействии электронного устройства на переключателях, использующих эффект Джозефсона. (Будучи еще студентом, английский физик Джозефсон, работая с материалами при сверхнизких температурах, обнаружил, что два сверхпроводника, разделенные тончайшим диэлектриком, могут выполнять роль переключателя.)
Кстати, открытая недавно высокотемпературная сверхпроводимость может направить развитие радиоэлектроники по новому руслу. Как остроумно заметил один американский исследователь, сейчас сверхпроводники женятся на полупроводниках. Так что долгосрочный прогноз – дело не очень верное. Тем-то и интересно наше время – впереди много неизведанного, непочатый край работы для молодых умов. И чем дальше мы движемся, тем больше дорог. Да, расширяется «радиоэлектронная вселенная». Ей уже тесно на Земле.
Лет пять назад в серьезном американском научном журнале ученые обсуждали проект космического радара для обследования и картографирования планет в других звездных мирах. Передающие антенны такого радара предполагалось разместить внутри орбиты Меркурия, а приемные – за пределами орбиты Юпитера. Энергию для передатчика радара даст Солнце. Используя принцип синтезированной апертуры и сложные сигналы, звездный радар различит на планете, удаленной от Земли на 25 световых лет, детали рельефа, отстоящие друг от друга на расстояние 62 километра.
Пока проект представляется научной фантастикой, но лет через сто, как считают некоторые специалисты, можно будет приступить к его осуществлению. Современный уровень знаний дает твердую уверенность в том, что предложенная система будет работоспособной.
Вполне вероятно, что радиолуч и послужит той нитью Ариадны, следуя которой человечество расселится во Вселенной. Сначала оно освоит найденные космическим радаром пригодные для жизни планеты у ближайших к нам звезд. И так со скоростью в несколько световых лет за столетие человечество будет проникать в глубины Галактики.
Кто знает, может быть, благодаря радиолучу и сбудутся грезы великого Циолковского, мечтавшего о человечестве, шагающем по Млечному Пути.
Возможен и другой вариант: радиосигналы с Земли послужат той путеводной нитью, которая приведет инопланетян, если они, конечно, существуют, на нашу планету. Ведь уже сейчас Земля выглядит со стороны как радиозвезда.
Мы еще молодая техническая цивилизация. Всего 40—50 лет назад на планете заработали мощные радиостанции и телецентры. Земные телевизионные программы могут быть приняты разумными существами в соседних с нами звездных системах. Располагая необходимым оборудованием, они смогли бы улавливать наши телесигналы на расстоянии чуть меньше 25 световых лет. Любая из 15 тысяч телевизионных станций, разбросанных по всему земному шару, вполне способна указать инопланетянам на наличие разумной жизни на Земле. Чтобы смотреть земные телепередачи, инопланетянам необходима антенна с коэффициентом усиления в 20 тысяч раз большим, чем телевизионные антенны, установленные на крышах наших домов.
Сейчас на расстоянии 40—50 световых лет от нас в межзвездном эфире несется новость о возникновении новой технической цивилизации землян. Возможно, наши телесигналы уже приняты разумными существами. Если это так и межзвездные полеты для них дело обычное, то через какое-то время можно ожидать визита их посланцев…
