Космический экспресс: что ученые придумали для полетов на Марс

Апрель 2023-го года. Первый запуск космической системы "Старшип". По задумке главы SpaceX Илона Маска, именно такие сверхтяжелые ракеты-носители и многоразовые корабли помогут людям колонизировать Марс.

Правда, из первого запуска ничего хорошего не вышло. Система взорвалась через четыре минуты после старта. Но это не изменило настроя Маска. В его планах люди на Красной планете окажутся уже в этом десятилетии. О том, как это может произойти, рассказывает программа "Наука и техника" с Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.

Окно старта

“На современных ракетах с химическими двигателями можно долететь до Марса за 8–9 месяцев. Но я считаю, что время полета можно сократить, если доработать существующие космические корабли и максимально точно рассчитать траекторию и окно старта”, – говорит генеральный директор и главный инженер компании – производителя космических аппаратов Илон Маск. 

Окно старта – это период, в который Земля и Марс находятся максимально близко друг к другу. Происходит это раз в два года, и тогда расстояние составляет около 56 миллионов километров. Затем планеты расходятся на 400 миллионов километров. 

Корабль с ядерным двигателем, способный сократить время полета на Марс 

Как уверяет Маск, при идеальных расчетах и максимальной скорости перелет Земля – Марс продлится около пяти месяцев. Что, согласитесь, тоже не очень быстро. А можно ли это время еще сократить? Можно! Так уверяют специалисты американского космического агентства.

“Мы разрабатываем экспериментальный ядерно-тепловой двигатель. В нем ядерный реактор будет нагревать жидкое водородное топливо. Оно превратится в ионизированный газообразный водород, а тот создаст невероятную тягу”, – говорит главный технолог НАСА по двигательным установкам Рон Личфорд.

Корабль с ядерным двигателем на околоземную орбиту планируют отправить в начале 2026-го года. Если запуск пройдет удачно, корабли на ядерном топливе будут использовать для полетов на Марс. Планируется, что экспериментальный двигатель поможет достичь Красной планеты всего за два месяца. Вот только первый старт таких судов к Марсу состоится лет через 15, а то и 20. Вполне возможно, что за это время у нас появятся другие корабли, еще быстрее. 

Плазменный двигатель, способный доставить до Марса за 18 дней

Перед вами на видео – плазменный космический двигатель. Придумала его физик Фатима Ибрахими. Она заметила, что движение высокочастотных частиц плазмы похоже на движение выхлопных газов из трубы автомобиля, и этот принцип предложила использовать в космических ракетах.

 “99 процентов нашей видимой Вселенной состоит из плазмы. Солнце создает потоки плазмы, обладающие громадным запасом кинетической энергии. Моя ракета будет генерировать магнитные поля, которые с большим усилием будут выталкивать частицы плазмы в сторону, противоположную направлению полета”, – объясняет физик и исследователь Принстонской лаборатории физики плазмы Фатима Ибрахими. 

Плазменный двигатель сможет разгонять частицы до нескольких сотен километров в секунду. При этом ракета будет двигаться в десять раз быстрее, чем любой из существующих сейчас кораблей. И, знаете, за сколько она сможет достичь Марса? Всего за 18 дней. Это как съездить из Москвы во Владивосток на поезде три раза. Если попутчики хорошие попадутся – особо и не заметишь.

Полет на Марс через Венеру

Но давайте пока не будем паковать чемоданы, потому что есть возможность попасть на Красную планету еще быстрее. Только для этого надо будет отправиться не к Марсу, а к Венере.

“На данной анимации показана траектория движения нашего аппарата зеленой линии относительно Солнца, которое находится в центре. Фиолетовая, голубая и красная – это орбиты движения Венеры, Земли и Марса. Старт корабля происходит у Земли. Мы выдаем относительно Солнца тормозной импульс и летим к Венере. При подлете к Венере у нас происходит гравитационный маневр, и мы увеличиваем нашу скорость относительно Солнца, чтобы полететь к Марсу”, – рассказывает Максим Ваюта, студент МГТУ им. Н.Э. Баумана, руководитель команды баллистического обеспечения научной школы УН МКЦ МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Гравитационный маневр – это возможность изменить скорость и направление движения космического корабля при помощи планетного притяжения. Когда объект подлетает к небесному телу, то его притягивает, искривляет траекторию полета, а потом отталкивает. После такого волшебного пинка космолет движется быстрее в несколько раз, причем без дополнительного расхода топлива.

"Для того, чтобы полететь к Марсу, как это ни странно, нам выгоднее лететь через Венеру. Также это позволяет еще расширить окно запусков. То есть, например, если лететь к Марсу с Земли, то можно запускаться каждые два года. То есть окно запуска раз в два года. А лететь к Марсу через Венеру мы можем каждые девять месяцев”, – поясняет Максим Ваюта.

По расчетам студентов Бауманки, путь через Венеру может сократить продолжительность полета к Марсу почти в два раза. А теперь представьте, что на ракете будет установлен плазменный двигатель? Получается всего десять дней пути, и вы на Красной планете. Но это еще не предел.

Скорость космолета с солнечным парусом

Всего три минуты – именно столько нужно лучу света, чтобы добраться от Земли до Марса. И люди уже придумали, как разогнать космический корабль до одной пятой скорости света.

“Позади меня двигательная установка нового типа, называемая солнечным парусом. Этот конкретный парус очень большой. Около четырех тысяч квадратных футов. И это лишь четвертая часть. Когда он развернется в космосе, его площадь составит семнадцать тысяч квадратных футов”, – говорит Лес Джонсон, технический советник по передовым концепциям НАСА в Центре космических полетов им. Джорджа Маршалла.

Обычный парус движет судно под давлением ветра, а солнечный – под действием фотонов света. При этом топливо нужно лишь, чтобы вывести корабль на орбиту и развернуть конструкцию. Дальше работает наша звезда. Космолет с солнечным парусом может разогнаться до шести тысяч километров в час.

Разгон солнечного паруса с помощью лазера

Но ведь свет за это же время преодолевает больше миллиарда километров. Где же обещанная невероятная скорость? Этот секрет – в разработке канадских ученых.

“Разогнать солнечный парус до 20 процентов скорости света можно при помощи лазера. Достаточно установить на Земле мощную лазерную решетку и направить луч на парус. Мы рассчитали, что для разгона сверхлегкого спутника понадобится лазер мощностью не меньше гигаватта. О разгоне тяжелого транспортного корабля с людьми и грузом – пока речь не идет”, – говорит профессор инженерного факультета Университета Макгилла Эндрю Хиггинс. 

Работа варп-двигателей и солитонов

Получается, о космическом экспрессе нам пока рано мечтать? На самом деле мечтать не рано. Еще в прошлом веке фантасты придумали варп-двигатель. Подобно швее, которая собирает ткань на булавку, чтобы продеть резинку, он собирает темную материю перед кораблем и распускает сзади.

В итоге космолет словно прокалывает пространство. Вот только современные ученые о темной материи слишком мало знают. Поэтому немецкий астрофизик Эрик Ленц придумал, как создать варп-двигатель без загадочного вещества. В этом деле людям помогут солитоны. Но что же это такое?

Хлопок, с которым самолет преодолевает звуковой барьер, щелчок кнута – это звуковые солитоны. Цунами, что катится по океану до того, как обрушится на берег, – водяной солитон. Все это – одинокие волны, которые выбиваются из общей картины. Они не рассеиваются, сохраняют скорость и форму.

“Я обнаружил новые конфигурации пузырей пространства-времени. Они принимают форму солитонов и проходят через саму ткань пространства-времени. Если поместить внутрь такого солитона космический корабль, то он будет двигаться с невероятной скоростью. И достигнет Проксимы Центавра всего за четыре года. А ведь это сорок триллионов километров”, – отмечает астрофизик и доктор Геттингенского университета Эрик Ленц.

Передвижение внутри Солнечной системы на поездах

Вот только для создания нужного солитона понадобится энергии больше, чем могут выработать все АЭС мира вместе взятые. Есть и еще одна проблема – на такой скорости немудрено и проскочить мимо Марса. Поэтому варп-двигатели ученые предлагают оставить для межзвездных перелетов, а внутри Солнечной системы передвигаться на поездах. 

“Поскольку идея жизни в космосе становится все более реалистичной, нам нужно продумать, как собрать Землю, Луну и Марс в единую транспортную систему. Высокоскоростные поезда с ракетными двигателями – идеальное решение”, – уверяет директор Центра пространственных исследований человека НИЦ Киотского университета Ёсукэ Ямасики. 

По задумке японских изобретателей, между Землей, Луной и Марсом протянется сеть гравитационных спутников. Поезда будут курсировать от одного к другому и получать ускорение при маневре. Жаль, что прокатиться на таких космических экспрессах мы сможем примерно через полвека.

О самых невероятных достижениях прогресса, открытиях ученых, инновациях, способных изменить будущее человечества, смотрите в программе "Наука и техника" с ведущим Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.