Электрические ионные двигатели с мощностями в киловатты уже существуют, а усовершенствование их до мощностей в несколько мегаватт, необходимых для систем транспортировки на основе ядерных электрических ракет (ЯЭР), – задача вполне решаемая. Реальная проблема при разработке двигательных систем с ЯЭР на сегодняшний день состоит в том, чтобы получить государственную поддержку и средства, необходимые для разработки многомегаваттного космического ядерного реактора для питания ЯЭР. В этом контексте следует отметить, что утверждения некоторых ярых сторонников электрических двигателей, таких как группа VASIMR во главе с бывшим астронавтом Франклином Чанг-Диазом, что их технология плазменного двигателя позволит совершать быстрые (около 40 дней) полеты на Марс при наличии 200-мегаваттного ядерного реактора, просто смешны. Даже если оптимистично предположить, что отношение массы к энергии для систем космических реакторов конца XXI века восьмикратно уменьшится по сравнению с прогнозами, сделанными на основе современных технологий (от сегодняшних 40 тонн на мегаватт до будущей производительности в 5 тонн на мегаватт), 200-мегаваттный реактор будет иметь массу в 1000 тонн и перевесит свою полезную нагрузку на порядок. Но, так как реактору потребуется толкать не только относительно небольшую полезную нагрузку, но еще и себя, независимо от размеров, он никогда не сможет ускорить космический корабль до скорости, необходимой для быстрого полета к Марсу. Таким образом, заявления группы VASIMR о том, что они обладают прорывной двигательной системой, необоснованны, и это довольно печально, так как к группе примыкают те, кто выступает против отправки человека на Марс до тех пор, пока такие фантастические космические двигатели не станут доступными.
Однако, если отбросить иллюзорную цель использовать ЭРД для быстрого полета на Марс, размер системы ядерного реактора по отношению к полезному грузу может быть небольшим и тем самым снизить массу ракеты при запуске, а значит, и уменьшить расходы на будущую межпланетную торговлю.
Солнечные паруса
Должны быть созданы корабли и паруса, подходящие для небесных бризов…
Иоганн Кеплер, 1609
Почти четыреста лет назад наш старый друг Кеплер сделал наблюдение, что независимо от того, движется ли комета в сторону Солнца или от него, ее хвост всегда направлен прочь от светила. Это заставило его предположить, что свет, исходящий от Солнца, развивает силу, которая отталкивает хвост кометы от него. Он был прав, хотя тот факт, что свет оказывает давление, был доказан только в 1901 году.
Что ж, если солнечный свет может оттолкнуть хвосты комет, почему мы не можем использовать его, чтобы заставить передвигаться космические корабли? Почему мы не можем просто развернуть большие зеркала на нашем космическом аппарате, солнечные паруса, если угодно, и использовать солнечный свет, который будет оказывать на них давление, чтобы создать движущую силу? Ответ таков: мы можем, но понадобится чрезвычайно много солнечного света, чтобы сдвинуть корабль под его действием хоть чуть-чуть. Например, на 1 астрономической единице, расстоянии от Земли до Солнца, солнечный парус размером в квадратный километр получит силу 10 ньютон, действующую на него со стороны Солнца. Итак, чтобы солнечный парус стал практичной двигательной системой, нужно изготовить его из очень тонкого материала и сделать огромным. Скажем, мы изготовили парус площадью в 1 квадратный километр и толщиной в 0,01 миллиметра, или 10 микрон – это приблизительно одна четверть толщины кухонного мусорного мешка. В этом случае парус будет весить 10 тонн и сможет разогнать себя до 32 километров в секунду всего примерно за год. Конечно же, если бы парус тащил полезную нагрузку, равную его собственному весу, это замедлило бы его в два раза. Тем не менее солнечный парус толщиной в 10 микрон, чтобы стать эффективным средством перевозок между Землей и Марсом, должен быть размером с бейсбольный стадион. А если бы удалось создать парус толщиной в один микрон, тогда мы бы действительно полетели…
Никто еще никогда не запускал миссию на солнечных парусах, но в 1970-е годы в ЛРД НАСА провели очень серьезное исследование по использованию этой технологии, чтобы отправить зонд к комете Галлея во время ее появления в 1986 году. К сожалению, предложение не получило поддержки, то есть Конгресс отказался финансировать миссию. Любительские группы, такие как Всемирный космический фонд Роберта Штеле и французский Союз в защиту фотонных двигателей, создали солнечные паруса. Они надеялись провести регату на солнечных парусах к Луне в 1992 году, в честь юбилея открытия Колумбом Америки, но не нашли ракет-носителей, с которыми могли бы доставить их творения в космос.
Существуют некоторые реальные технические проблемы, связанные с упаковкой, распаковкой и развертыванием без повреждений огромных космических структур, изготовленных из очень тонкого материала, а также с управлением. Тем не менее следует сказать, что демонстрации солнечного паруса помешали в первую очередь не технические препятствия, а отказ мировых космических агентств выделить хотя бы сколь-нибудь значительные средства на их разработку и тестирование. Давайте надеяться, что марсиане поступят лучше.
Магнитные паруса
Солнечный свет – это не единственная значительная сила, исходящая от Солнца. Существует еще одна, и имя ей солнечный ветер.
Солнечный ветер представляет собой поток плазмы, протонов и электронов, который постоянно истекает с Солнца во всех направлениях со скоростью около 500 километров в секунду. Мы никогда не сталкиваемся с ним здесь, на Земле, потому что защищены от него магнитосферой нашей планеты.
Если магнитосфера Земли блокирует солнечный ветер, она должна создавать противодействие. Почему бы на космическом корабле не создать искусственную магнитосферу, чтобы использовать тот же эффект для работы двигателей? Эта идея посетила инженера «Боинг» Дана Эндрюса и меня в 1988 году. Она оказалась своевременной. В 1987 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники. Они необходимы, чтобы магнитный двигатель действительно смог работать, так как низкотемпературные сверхпроводники требуют слишком много тяжелого охлаждающего оборудования, а обычные проводники – слишком много энергии. Величина силы на квадратный километр солнечного ветра значительно меньше силы, создаваемой солнечным светом, но площадь, противодействующая магнитному полю, может быть намного больше, чем у любого созданного на практике жесткого солнечного паруса. Работая в сотрудничестве, Дан и я вывели уравнения и запустили компьютерное моделирование солнечного ветра, который воздействует на космический аппарат, генерирующий большое магнитное поле. Наши результаты таковы: если можно изготовить практичный высокотемпературный сверхпроводящий кабель, который будет проводить электрический ток той же плотности, что современные низкотемпературные сверхпроводники, такие как сплав ниобия и титана (NbTi), – около 1 миллиона ампер на квадратный сантиметр, – то можно будет создать магнитные паруса, которые будут иметь отношение тяги к весу в сто раз лучше, чем у солнечного паруса 10-микронной толщины [45]. Более того, в отличие от ультратонкого солнечного паруса, магнитный парус будет нетрудно развернуть. Он будет сделан не из тонкой пластиковой пленки, а из прочного кабеля, который за счет магнитных сил сможет автоматически «надувать» себя до формы жесткого обруча, как только начнется подача электрического тока. Потребуется энергия, чтобы заставить ток течь через кабель, но, поскольку сверхпроводящий провод не имеет электрического сопротивления, как только ток потечет по кабелю, дальнейшие затраты энергии на его поддержание не потребуются. В дополнение магнитный парус полностью ограждал бы корабль от солнечных вспышек.
