Юный техник, 2014 № 08

От звезды до звезды…

В 1958 году специалисты НАСА разрабатывали проект фотонного звездолета «Орион». Но прошло чуть более полувека, и теперь он практически забыт. Та же судьба постигла и проект «Дедал» Британского межпланетного общества, выдвинутый в 1970 году. Уж слишком много в них было обнаружено недостатков.

Идея летать на «взрыволете» была признана не самой безопасной. Тем более что до сих пор никто толком не знает, из какого материала должны быть изготовлены параболические зеркала, способные выдержать огонь термоядерных или аннигиляционных взрывов.

Кроме того, есть ведь и иные, более практичные конструкции для полетов по Солнечной системе и за ее пределы. Вот, например, какая идея была высказана фантастом Артуром Кларком в 60-е годы XX века.

«Снасти дрожали от натуги: межпланетный ветер уж наполнил круглый парус», — так начал он свое повествование о межпланетных гонках по трассе Земля — Луна — Земля на солнечных яхтах, то есть аппаратах, которые приводятся в движение давлением света.

Впрочем, сам Кларк лишь художественно обработал идею, выдвинутую еще в 20-е годы того же века одним из пионеров российского ракетостроения, Фридрихом Цандером. А тот, в свою очередь, опирался на опыты по измерению давления солнечного света, которые были проведены в 1900 году русским физиком Петром Лебедевым.

Далее Кларк писал, что парящему в невесомости командиру одной из яхт Джону Мертону не зря показалось, что «парус заполнил все небо» — 50 млн. квадратных футов было соединено с его капсулой чуть не сотней миль такелажа. «Если сшить вместе паруса всех клиперов, которые в прошлом белыми тучками летали над Индийским океаном, то и тогда бы они не сравнялись с парусом, в который «Диана» ловила солнечный ветер. А вещества в нем чуть больше, чем в мыльном пузыре; толщина алюминированного пластика — всего лишь несколько миллионных дюйма».

Работа над проектами солнечных яхт идет полным ходом. В нашей стране одна из первых прикидок, например, была осуществлена в рамках конкурса на лучший солнечный парусник, объявленного Конгрессом США.

В 1992 году должна была состояться международная космическая регата «Колумбус-500». В честь 500-летия открытия Нового Света экспедицией Колумба планировалось запустить как минимум три парусника, представляющих соответственно Америку, Европу и Азию.

Из европейцев в конкурсе участвовали итальянские специалисты, группа британских разработчиков, франкоиспанский альянс и два российских коллектива. И хотя по разным (прежде всего финансовым) причинам гонки не состоялись, подготовка к регате «Колумбус-500» вызвала небывалый всплеск идей. Причем справедливости ради надо отметить, что А. Кларк довольно точно описал возможные варианты космических летательных аппаратов с солнечными парусами (КЛАСП). Среди них вполне могут быть и парусники-«зонтики», и «баллоны», и «парашюты», и «роторы»… К последнему виду, например, относился наш «Витязь», разработанный командой конструкторов под руководством Александра Лавренева. Две пленочные бескаркасные лопасти, каждая диной в 845 м и шириной 7,1 м, должны были стабилизироваться за счет центробежных сил, неизбежно возникших бы при вращении лопастей вокруг центра.

А вот американцы из Университета имени Дж. Гопкинса отдали предпочтение зонтичной структуре, которая, подобно «Витязю», должна была развернуться из компактной упаковки уже в космосе. Совершив гравитационный маневр в поле тяготения Луны, КЛАСПы должны были полететь дальше, к Марсу, и затем — к окраинам Солнечной системы. Да вот не получилось…

Новый проект, который называется Starshade, разрабатывают специалисты лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (NASA Jet Propulsion Laboratory, JPL). Космический аппарат, немного похожий на огромный подсолнух, будет использоваться для расширения возможностей космических телескопов, которые благодаря этому смогут делать высококачественные изображения подобных Земле каменистых планет, вращающихся вокруг иных светил.

Работа известного космического телескопа Kepler позволила обнаружить сотни экзопланет, вращающихся вокруг удаленных звезд. Некоторые из них, напоминающие Землю размерами и составом, подходящие по климату, представляют наибольший интерес из-за того, что могут стать местами обитания людей в будущем.

Starshade в упакованном виде.

Ученые-астрономы считают, что обнаружение почти абсолютных близнецов Земли является лишь вопросом времени. Но к этому моменту исследователи должны иметь возможность получать высококачественные изображения, знать с высокой точностью спектральные характеристики атмосферы и поверхности планеты для выяснения ее пригодности к будущей колонизации.

Космический аппарат Starshade разработан именно для выполнения этой задачи. Он будет запущен в паре с космическим телескопом. Прибыв в необходимую точку пространства, телескоп и аппарат Starshade разделятся, после чего аппарат Starshade распустит свои «лепестки» и заблокирует свет от звезды, мешающий наблюдениям за интересующей ученых планетой.

Проект Starshade разрабатывается командой, возглавляемой Джереми Кэсдином, профессором Принстонского университета. Кроме того, активное участие в этом проекте принимают исследователи из лаборатории JPL и специалисты американской оборонной компании Northrop Grumman.

Длина стороны паруса достигает почти 38 м, а изготовит его LGarde — компания, которая в конце XX века отправила экспериментальную «надувную» антенну на МКС. В этом году парусник должен быть одобрен экспертами НАСА, после чего специалисты приступят к наземным испытаниям. Предположительно он будет обитать на расстоянии около 3 млн. км от Земли.

Материалом для паруса послужит каптон — пленка, разработанная фирмой DuPont. Толщина полотна составляет всего лишь 5 микрон, поэтому общая масса паруса немного превысит 30 кг.

Астрофизики полагают, что такая технология принесет большую пользу при изучении астероидов и анализе космической погоды, а также для межзвездных полетов в будущем.

Starshade и в самом деле можно рассматривать как предпосылку к созданию более совершенных солнечных парусников, способных выполнять роль межорбитальных буксиров и даже разведчиков дальнего космоса.

Например, в журнале New Scientist несколько лет тому назад был опубликован проект создания космического корабля «Старвисп» — «Звездный пучок». Он будет представлять собой парус-сетку шестиугольной формы около 1 км в поперечнике и массой всего-навсего… 20 г! Сетка будет сплетена из множества шестиугольных ячеек, в пересечениях которых расположатся микросхемы, обладающие развитой логикой и образующие в целом суперкомпьютер. Кроме того, каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как фотоэлемент.

Двигать такой «зонтик» будет уже не Солнце — его свет слишком слаб за пределами Солнечной системы, а мощный мазер (лазер, излучающий в невидимой части электромагнитного спектра), который установят на околоземном спутнике. Луч, посылаемый таким генератором, будет дополнительно фокусировать и направлять на парус специальная система — линза Френеля, размером около 50 км в поперечнике.

Сфокусированный на парусе луч позволит развить ускорение в 155 раз больше земного. За неделю корабль достигнет скорости 60 тыс. км/с. Затем мазер будет выключен, и движение продолжится по инерции.

Когда корабль пройдет три четверти пути до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра (она находится на расстоянии 4,3 световых года от нас), центр управления включит мазер и переключит все 10 трлн. микросхем зонда в режим фотоприемников. Получится огромный «глаз», который увидит все, что происходит в окрестностях звезды.

По мере накопления информации парус выполнит еще одну функцию — передающей антенны — все сведения будут переправлены на Землю. Если полученные данные окажутся интересными, а сам проект — успешным, вслед за «Старвиспом» в путь отправятся другие парусники, в том числе и с экипажем на борту. Людей, конечно, придется возвращать назад, но авторы проекта рассчитали все до мелочей. В конце пути от «зонтика» отделится его внешняя кольцевая часть; она-то и послужит зеркалом-ретранслятором, которое развернет излучение на 180 градусов и сфокусирует его, чтобы можно было сначала затормозить центральную часть «зонта», где будет расположена кабина экипажа, а потом разогнать в обратном направлении.

При подлете к Земле мазер сработает еще один раз и притормозит корабль. Авторы проекта утверждают, что полет к ближайшей звезде, а также возвращение домой может занять не так уж много времени — 51 год по земному летоисчислению. Причем вследствие того, что корабль будет двигаться с околосветовыми скоростями, члены экипажа, согласно теории Эйнштейна, состарятся за это время на 46 лет.

Идет процесс создания очередного солнечного парусника.

Солнечный парус на аппарате «Космос-1».

…Некоторые из перечисленных идей показались специалистам настолько интересными, что НАСА и Ассоциация университетских космических программ ныне финансируют проект «Аполлон Лайткрафт», в рамках которого изучаются возможности вывода в космос различных аппаратов, работающих на солнечной энергии.

Насколько реалистичными окажутся эти проекты, покажет время. Возможно, наши потомки будут ими гордиться. Не исключено, впрочем, что спустя полвека они лишь снисходительно улыбнутся, наткнувшись в архиве на описание очередного звездного «Ноева ковчега». Их в то время будут занимать совсем другие проекты и заботы…

Как упасть снизу вверх?

Столетиями ученые и философы размышляли над вопросом, как противодействовать гравитации — той самой фундаментальной силе, которая не только всех нас надежно удерживает на поверхности Земли, но также Луну и все планеты Солнечной системы на их орбитах.

Великий Ньютон сформулировал свой знаменитый закон всемирного тяготения, однако он, как и его современники, ничего не знал о сути этой силы, о том, как ее преодолеть. Методом проб и ошибок инженеры создали самолеты и ракеты, которые преодолевают гравитацию. Однако обходится это весьма недешево. Кроме того, от рева ракетных и авиационных двигателей дрожит земля, а выхлопными газами загрязняется атмосфера. А знай мы секрет антигравитации, смогли бы перемещать самые массивные грузы тихо и без видимых усилий. Да и сами бы парили в воздухе.

В декабре 2013 года группа исследователей из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) объявила, что намерена проверить на практике теорию существования антигравитации. Согласно этой самой теории, суть антигравитации заключается в том, что антиматерия генерирует собственное силовое поле, которое, в отличие от известных нам сил гравитации, не притягивает взаимно массы, а напротив, отталкивает их друг от друга.

Существование антиматерии во Вселенной остается одной из главных тайн физики, поскольку в первый момент Большого взрыва, как считается, количество частиц и античастиц было одинаковым. При встрече атом и антиатом мгновенно аннигилируют, то есть взаимно уничтожаются. Но поскольку мы с вами живем во Вселенной, состоящей из материи, значит, ее было больше? Или где-то еще существуют области, сплошь состоящие из антиматерии?

Выяснить это пока не удалось. А потому ученые Европейского центра ядерных исследований получают антиматерию искусственно. Для этого они в специальной магнитной ловушке соединяют позитроны и антипротоны, создавая атомы антиводорода. Причем антипротоны, прежде чем попасть в ловушку, как бы замораживаются, замедляются специальным замедлителем антипротонов. Таким образом удается не только получать античастицы, но и удерживать их в ловушке до 1 000 секунд, прежде чем они доберутся до стенок камеры и аннигилируют. Однако точное измерение свойств антиводорода, пока он находится в магнитной ловушке, невозможно — мешают неоднородности магнитных полей, которые резко меняют спектральные характеристики антиатомов. Поэтому для ученых важно вывести антиводород из ловушки, да еще так, чтобы он по-прежнему не контактировал с нормальной материей.

Ученые нашли выход — с помощью своей установки они создают в ловушке атомы, которые уже изначально движутся преимущественно в одном направлении, так что, родившись, они там не задерживаются и вылетают направленным пучком.

И вот первый значимый результат — 80 атомов антиводорода удалось отогнать от ловушки почти на 3 м — туда, где влияние ее магнитных полей уже не сказывается. В перспективе это позволит ученым провести исследования сверхтонкой структуры антиводорода. Для атомов водорода она изучена очень хорошо, так что можно будет их сравнивать и искать различия.

Кроме того, исследователи обнаружили, что и нашу Землю окружает устойчивый слой антиматерии, удерживаемой магнитным полем планеты. Таковы результаты анализа данных научного аппарата PAMELA, установленного на российском спутнике «Ресурс-ДК». «Речь здесь может идти о миллиардах частиц антивещества, постоянно курсирующего в нижнем радиационном поясе, — полагают ученые. — Это делает его самой производительной фабрикой и самым объемным резервуаром антиматерии, расположенным в непосредственной близости от Земли».

Итак, антиматерию, будем считать, добыли. А для того, чтобы подтвердить существование антигравитации, научная группа ЦЕРНа во главе с профессором Джеффри Хэнгстом создала специальный электромагнитный цилиндр. Он способен удерживать в практически неподвижном состоянии атомы антиводорода. В зависимости от их движения в этом цилиндре и будет подтверждена или опровергнута теория о существовании антигравитации, отмечают специалисты.

Большинство физиков ожидает, что атомы и антиатомы в гравитационном поле будут вести себя одинаково.

Схема ловушки антиматерии. Ниже приведена карта напряженности магнитного поля внутри ловушки.

_{Цифрами обозначено: 1 — вакуумная трубка, 2 — зеркальные кольца, 3 — сверхпроводящие обмотки, 4 — микроволновый излучатель, 5 — электроды, 6 — детектор аннигиляции, 7 — минимум поля.}

Однако существует все же и вероятность того, что по скорости падения антивещество может отличаться от обычного, вплоть до того, что станет «падать вверх».

Для готовящейся проверки в ЦЕРНе будет использоваться антиводородная лазерная физическая установка ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus). В эксперименте антипротоны соединятся с антиэлектронами, образуя атомы антиводорода, кратковременно удерживаемые в магнитном поле. Когда поле уберут, атомы начнут падать под действием гравитации, пока не столкнутся со стенками установки. Когда это случится, в результате аннигиляции возникнут вспышки света.

Следя за этими вспышками, ученые надеются понять, как именно падают атомы. «Мы ожидаем, что антивещество будет падать вниз, но все же не исключаем и сюрпризы», — говорит член научной группы профессор Джоэл Фаянс из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Однако чтобы от эксперимента был толк, надо модернизировать церновское оборудование. К середине нынешнего года установка ALPHA-2 будет оснащена лазерной системой охлаждения, уменьшающей энергию антиатомов настолько, чтобы их скорости и положения можно было точно определить. Если ALPHA-2 покажет, что атомы вещества и антивещества падают с разной скоростью, придется переписывать учебники.

Экспериментальная установка ALPHA-2.

Наряду с подготовкой наземных экспериментов исследователи ведут поиски и в более отдаленных пространствах. Так, астрономы обнаружили галактики на краю наблюдаемой Вселенной, которые ведут себя очень странно. Согласно здравому смыслу, окраинные галактики, оказавшиеся дальше всех от центра Вселенной после Большого взрыва, должны постепенно замедлять свое движение. Их, по идее, притормаживает притяжение масс небесных тел, оставшихся позади. Ведь материя, заполняющая нашу расширяющуюся Вселенную, порождает взаимное притяжение.

Однако когда в конце 90-х годов XX века астрономы замерили скорость их движения, то обнаружили невероятное. Расширение Вселенной со временем не замедлилось! Напротив, самые дальние галактики удаляются с самым большим ускорением. В поисках объяснения этого парадокса исследователи пришли к заключению: «Всему причиной некая антигравитационная материя. Это она заставляет галактики отдаляться друг от друга».

Эту неведомую субстанцию назвали темной энергией. И вспомнили, что еще в 1917 году выкладки Альберта Эйнштейна в рамках общей теории относительности показали, что конструкция Вселенной получается неустойчивой. Со временем она коллапсирует под действием собственной гравитации. Чтобы решить проблему, Эйнштейн добавил в уравнения некую космологическую постоянную — лямбда-член. Но объяснить ее физический смысл не смог. Лишь когда в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, стало понятно, что лямбда-член из уравнений должен символизировать некую силу, которая растаскивает небесные тела в разные стороны. Источником этой силы и является темная энергия.

Чтобы окончательно убедиться в ее существовании, осенью 2013 года британские астрономы объявили о начале работы над новым проектом Dark Energy Survey (DES), цель которого — картографировать распределение темной энергии в пространстве и определить, как это распределение менялось в процессе эволюции Вселенной.

Хотя темная энергия невидима, астрономы могут узнать о ее присутствии по антигравитационному воздействию, которое она оказывает на далекие галактики и испускаемый ими свет. За 5 лет DES пронаблюдает 300 млн. галактик в области, занимающей примерно одну восьмую часть всего ночного неба.

Ныне считается, что своим существованием мы отчасти обязаны темной энергии, которая в короткое время после Большого взрыва растащила сгустки образовавшейся материи и антиматерии в разные стороны, не дав им соединиться и уничтожить зарождавшуюся Вселенную. «Вселенные с меньшим количеством темной энергии схлопываются столь быстро, что галактики сформироваться не успевают, — подчеркнул профессор Брайан Грин из Колумбийского университета (США). — А без галактик не было бы ни звезд, ни планет, ни шансов на возникновение жизни».

Однако, согласитесь, действие антигравитации в далеком космосе, на окраинах Вселенной, не так интересно, как, скажем, антигравитационный двигатель, которым можно пользоваться. И попытки создать его делаются.

Например, мы уже писали (см. «ЮТ» № 7 за 2010 г.) о так называемом «эффекте Казимира», названном в честь физика Хендрика Казимира, предсказавшего его в 1948 году. Между двумя металлическими пластина

ми, помещенными в вакуум и отстоящими друг от друга на миллиардные доли метра, возникает отрицательное давление, заставляющее их сближаться.

Это происходит потому, что пустое пространство на самом деле не совсем пусто. Оно буквально кипит от множества частиц, постоянно возникающих и исчезающих в очень короткие масштабы времени. Согласно квантовой теории, частицы можно также рассматривать и как волны. Между пластинами эти волны начинают напоминать колеблющиеся струны: возможны лишь такие колебания, половина длины волны которых целое число раз укладывается на струне. Между пластинами энергии меньше, чем снаружи. Если снаружи вакуум находится в нулевом энергетическом состоянии, то между пластинами должна быть отрицательная энергия. Она и создает «антигравитацию».

«Эффект Казимира» был подтвержден экспериментально в 1997 году сотрудниками Лос-Аламосской национальной лаборатории США. Но пока создаваемая сила очень мала. Она может стать подспорьем лишь в наноинженерии. Однако «антиказимиров эффект» не имеет никакого отношения к изменению самой гравитации и потому не является антигравитацией.

Еще один интересный эффект подметил российский физик Евгений Подклетнов. В статье 1996 года он сообщал, что объекты, помещенные над вращающимся сверхпроводящим диском, теряют 2 % своего веса. Подклетнов и его группа наткнулись на антигравитационный эффект неожиданно, работая со сверхпроводниками — материалами, теряющими все сопротивление электромагнетизму при сверхнизких температурах.

Группа проводила испытания, пользуясь быстро вращающимся диском из сверхпроводящей керамики, подвешенным в магнитном поле трех электрических катушек. Вся установка помещалась в низкотемпературный сосуд, называемый криостатом. «Один из моих друзей закурил трубку, — рассказывал сам Подклетнов. — Он пускал дым на криостат, и мы заметили, что дым все время поднимается к потолку. Это было забавно, причем мы не могли найти объяснение данному эффекту». Испытания выявили небольшое падение веса объектов, помещенных над установкой, как будто происходило экранирование объекта от влияния гравитации. Исследователи обнаружили, что даже давление воздуха над прибором слегка падает.

Схема установки Казимира.

Тем не менее, многие считают, что с опытами группы Подклетнова не все гладко. За прошедшие с публикации статьи почти 20 лет никто не смог воспроизвести описанные результаты, хотя такие попытки предпринимали исследователи из международных университетов и таких организаций, как Boeing, BAE Systems и даже NASA. Никто не достиг успеха в своих попытках.

Впрочем, даже если эффект в самом деле существует, он может не иметь прямого отношения к сверхпроводящему диску. На самом деле этот эффект создается магнитными силами, которые фокусируются и проводятся диском при вращении. На рисунке можно видеть, что три соленоидных магнита образуют сверхпроводящее кольцо, позволяя ему слегка подниматься. А магнитная левитация известна уже давно, даже практически используется в поездах на магнитной подушке.

…И все же работы, касающиеся феномена антигравитации, продолжаются. Со времен Исаака Ньютона известно, что яблоки падают вниз, а не вверх. Возможно, подходит время что-то в этом извечном законе подправить. И тогда произойдет переворот в транспорте, энергетике, даже в управлении погодой.

Профессор Майкл Доузер из ЦЕРНа говорит: «Принцип эквивалентности гласит, что все предметы падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением. Это мы и будем проверять в своих экспериментах. И если падение антивещества будет отличаться от падения обычной материи в гравитационном поле Земли, произойдет революция в физике».

3. СЕВЕРЦОВ