Насколько быстрым и безопасным может быть космический полет для людей?

Мы, люди, одержимы скоростью. Не так давно появились новости о том, что студенты в Германии побили рекорд самого быстрого электромобиля и ВВС США планирует разработку гиперзвукового самолета, который сможет двигаться в пять раз быстрее скорости звука — быстрее 6100 км/ч. Эти самолеты будут перевозить не людей — но не потому, что люди не могут путешествовать с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже двигались со скоростью, превышающей 5 махов. Существует ли какой-нибудь предел, за которым наше тело уже не сможет выдержать нагрузку скорости? Текущий рекорд скорости держится уже 46 лет. Когда он будет побит?



Нынешний рекорд скорости, с которой двигался человек, принадлежит тройке космонавтов миссии «Аполлон-10». Возвращаясь на Землю после облета Луны в 1969 году, капсула астронавтов разогналась до 24 790 км/ч относительно планеты Земля. «Думаю, сто лет назад мы и представить себе не могли, что человек может двигаться в космосе со скоростью почти в 40 000 км/ч», — говорит Джим Брей из аэрокосмической компании Lockheed Martin.

Но этот рекорд мы можем побить относительно скоро. Брей является директором экипажа проекта модуля «Орион» для американского космического агентства NASA. Космический аппарат «Орион» предназначен для перевозки астронавтов на низкую орбиту Земли и имеет хорошие шансы побить 46-летний рекорд самого быстрого путешествия.

Space Launch System (SLS), новая ракета, которая будет перевозить аппарат «Орион», совершит первые миссии с экипажем в 2012 году — облет астероида, захваченного на лунной орбите — с прицелом на многомесячную миссию на Марс в ближайшем будущем. В настоящее время дизайнеры представляют типичную максимальную скорость для «Ориона» в 32 000 км/ч. Но рекорд скорости «Аполлона-10» может быть превзойден, даже если придерживаться базовой конфигурации «Ориона».

«Орион» предназначен для самых разных целей, его скорость может быть намного выше, чем мы планируем сейчас».

И все же даже «Орион» не сможет представить наш полный скоростной потенциал. «Нет никакого практического предела скорости нашего путешествия, разве только скорости света», — говорит Брей. Свет движется со скоростью в миллиард километров в час. Сможем ли мы безопасно преодолеть разрыв от 40 000 км/ч до такой скорости?





К нашему удивлению, скорость — то есть быстрота перемещения — сама по себе не является для нас физической проблемой, пока остается относительно постоянной в одном направлении. В теории люди могут — только могут и только в теории — путешествовать со скоростью чуть ниже вселенского ограничения скорости: скорости света.

Если допустить, что мы сможем преодолеть известные технологическе ограничения и построить быстрые космические аппараты, нашим хрупким водянистым телам придется иметь дело с новыми опасностями, которые вытекают из таких высокоскоростных путешествий. Возможные опасности могут появиться, если люди освоят путешествия быстрее скорости света, совершив потрясающую парадигму открытия или найдя лазейки в текущем физическом стане.

Борьба с перегрузками

Если мы разгоняемся до 40 000 км/ч, ускорение должно происходить постепенно. Быстрое ускорение и торможение могут быть смертельными для человеческого организма: телесные травмы во время дорожных катастроф появляются в процессе мгновенного падения скорости с десятков километров в час до нуля за доли секунды. Какова причина? Свойство Вселенной, известное как инерция, в результате которой объект с массой сопротивляется изменению состояния движения. Эта идея была выражена еще в первом законе движения Ньютона так: объект в состоянии покоя остается в состоянии покоя, и объект в движении пребывает в движении с той же скоростью и в том же направлении, пока на него не воздействуют внешние силы.

«Для человеческого тела постоянство — это хорошо, — объясняет Брей. — Переживать стоит только об ускорении».

Примерно век назад изобретение самолета, который может маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали сообщать о странных симптомах, сопровождающих изменения скорости и направления. Они включали временную потерю зрени и ощущения невесомости или дезориентации. Причиной были G-силы, гравитационные силы, G. Одна G равна притяжению земной гравитации к центру планеты, примерно 9,8 метра в секунду в квадрате (на уровне моря).

G-силы оказывают влияние вертикально, с головы до пят, или наоборот, и это может быть очень неудобно для пилотов и пассажиров. Кровь в ногах, которая испытывает влияние гравитационной силы, приливает к голове, когда мы делам вертикальную стойку. Глаза и веки наливаются кровью и пытаются вывалиться из орбит. И наоборот, когда ускорение свободного падения отрицательное, глаза и мозг испытывают нехватку кислорода, поскольку кровь собирается в нижних конечностях. Зрение затуманивается, становится серым, после чего может наступить полная потеря зрения, «затемнение». Высокая перегрузка может привести к обмороку, потере сознания, вызванной перегрузкой. Очень много пилотов погибло из-за невозможности видеть и последующего падения.





В такой центрифуге готовят пилотов к полетам

Среднестатистический человек может выдержать высокую перегрузку в 5 G с головы до пят, после чего отрубится. Пилоты, носящие специальные костюмы и натренированные напрягать мышцы торса так, чтобы кровь не утекала из головы слишком быстро, могут управлять самолетом при 9 G. «В течение коротких периодов тело человека может переносить нагрузки выше 9 G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Аэрокосмической медицинской ассоциации в Александрии, Вирджиния. — Но выдерживать их в течение долгого времени могут далеко не все».

Если на совсем уж короткие моменты, мы, люди, можем перетерпеть перегрузку намного выше, особо не пострадав. Рекорд мгновенной перегрузки принадлежит Элаю Бидингу-младшему, капитану американских ВВС. Он ехал задом наперед на санях с ракетных двигателем в 1958 году и принял на грудь (буквально) нагрузку в 82,6 G, когда сани разогнались до 55 км/ч за одну десятую секунды. Бидинг вырубился, но отделался лишь синяками на спине, продемонстрировав невероятные возможности организма.

Прямо в космос

В зависимости от транспорта, астронавты также переживали довольно высокие перегрузки — от 3 до 8 во время взлета и входа в атмосферу соответственно. Эти перегрузки, как правило, представлены давлением силы тяжести спереди назад, благодаря разумной практике привязывания космических путешественников к сиденьям, лицом ориентированным в направлении движения. Как только аппарат набирает скорость в 26 000 км/ч на орбите, астронавты ощущают свою скорость не больше, чем пассажиры коммерческого авиалайнера.





И если G-силы не будут особой проблемой для длительных миссий «Ориона», небольшие космические камешки — микрометеориты — вполне могут быть. Эти камешки размером с зерно движутся с невероятной разрушительной скоростью в 300 000 км/ч. Чтобы защитить судно и экипаж, «Орион» обладает защитным внешним слоем толщиной в 18-30 сантиметров в зависимости от места, а также другим экранированием и умным оборудованием. «Нам лишь нужно иметь в виду, под каким углом могут попасть микрометеориты», — говорит Брей.

Микрометеориты будут не единственной помехой для будущих космических миссий, когда люди разгонятся до высоких скоростей. В процессе марсианской миссии придется решать другие практические вопросы, включая вопрос питания экипажа и увеличения продолжительности жизней его членов вследствие радиационного воздействия. Сокращение времени путешествия, впрочем, может смягчить эти проблемы, чем быстрее, тем лучше.

Космические путешествия нового поколения

Жажда скорости приведет нас к новым препятствиям. Новейшие судна NASA, которые могут побить рекорд скорости «Аполлона-10», по-прежнему будут полагаться на проверенные временем двигательные системы химических ракет, используемые со времен первых космических миссий. Но у таких систем есть существенные ограничения скорости из-за низкого количества энергии, которую они выпускают на единицу топлива.

Итак, чтобы достичь более высоких скоростей для отправки людей на Марс и за его пределы, ученые ищут новые подходы. «Системы, которые у нас сейчас имеются, достаточно хороши, чтобы доставить нас туда, — говорит Брей. — Но хотелось бы увидеть революцию в сфере реактивного движения».

Эрик Дэвис, старший научный сотрудник Института перспективных исследований в Остине, описывает три наиболее перспективных способа — с применением традиционной физики — которые помогут человечеству достичь приличных межпланетных скоростей. Если коротко, это три явления с выходом энергии: распад, синтез и аннигиляция антивещества.

Первый метод заключается в расщеплении атомов, как это делается в коммерческих ядерных реакторах. Второй, синтез, соединяет атомы в более тяжелые атомы — эта реакция питает Солнце и наши надежды на появление устройств термоядерного синтеза, которые «всегда в 50 годах от нас».

«Это продвинутые технологии, — говорит Дэвис, — но используют традиционную физику и хорошо зарекомендовали себя с рассвета атомного века». Разнообразные двигательные системы на базе синтеза и распада атомов могут в теории разогнать аппарат до 10% скорости света — а это, извините, 100 000 000 км/ч.

Лучшим способом разогнать космический аппарат будет антиматерия, доппельгангер обычной материи. Когда два этих вида вещества вступают в контакт, они уничтожают друг друга с выходом чистой энергии. Сегодня уже существуют технологии для производства и хранения (хотя и в мизерных объемах) антиматерии. Но производство антиматерии в разумных объемах потребуют дорогостоящих заводов следующего поколения, а проектирование двигателя на антивеществе будет еще дороже. Впрочем, ученые не сидят без дела, и, как говорит Дэвис, на чертежной доске есть немало хороших проектов.





С двигателями на топливе из антивещества космический аппарат можно разгонять за месяцы или годы до очень высоких процентов скорости света, сохраняя G на приемлемом уровне для пассажиров. Но эти фантастические скорости рождают новые опасности для человеческого организма.

Энергичный град

При скорости в несколько сотен миллионов километров в час каждая пылинка в космосе, от атомов водорода до микрометеоритов, становится мощной пулей, которая устремляется в корпус аппарата. «Когда вы движетесь с высокой скоростью, с такой же высокой скоростью движется и частица по отношению к вам», — говорит Артур Эдельштейн, занимающийся эффектами влияния атомов космического водорода на сверхбыстрые космические путешествия.

Хотя на один кубический сантиметр в космосе присутствует примерно один атом, космический водород превратится в бомбардировку интенсивной радиации. Этот водород вольется в субатомные частицы, которые будут проходить сквозь корабль, облучая экипаж и оборудование. При скорости в 95% световой, облучение почти мгновенно станет смертельным. Корабль раскалится до температуры плавления любого мыслимого материала, а вода в телах членов экипажа моментально вскипит. «Это довольно неприятные проблемы», — едко замечает Эдельштейн.

Вместе с отцом он подсчитал, что в отсутствие гипотетического магнитного экрана, который будет отражать весь смертельный водород, звездный корабль сможет двигаться лишь в половину скорости света, не подвергая опасности членов экипажа.





Марк Миллис, физик двигательных систем и бывший глава программы прорывной физики реактивного движения NASA, предупреждает, что такой потенциальный предел скорости движения человека остается весьма отдаленной проблемой. «Если основываться на уже проверенной физике, скорости выше 10% световой будет очень сложно достичь, — говорит он. — Пока мы в безопасности. С таким успехом мы должны переживать о возможности утонуть, когда даже до воды еще не добрались».

Быстрее света

Допустим, мы научились плавать, продолжая аналогию, сможем ли мы когда-нибудь покорить волны пространства-времени и начать путешествовать со сверхсветовой скоростью?

Устойчивая популярность сверхсветового движения, которая хотя и остается сугубо спекулятивной, не обходится без вспышек в темноте. Один из любопытных сценариев сверхсветового движения включает «варп-двигатель» вроде того, что был в сериале «Звездный путь». Так называемый двигатель Алькубьерре сжимает обычное пространства-времени, описанное эйнштейновской физикой, перед космическим кораблем, расширяя его позади. В результате судно остается в куске пространства-времени — варп-пузыре, пузыре деформации — который движется быстрее скорости света. При этом судно пребывает в состоянии покоя в обычном пространстве-времени, никак не нарушая фундаментальный предел световой скорости.

В чем подвох? Этот концепт требует экзотической формы материи, обладающей отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время. «Физика не запрещает отрицательную массу, — говорит Дэвис. — Но не знает таковых примеров и никогда не встречала ее в природе». Еще один подвох: работа ученых Сиднейского университета за 2012 год показала, что варп-пузырь будет собирать высокоэнергетические космические частицы, неизбежно взаимодействуя с содержимым Вселенной. Некоторые частицы могут проникнуть в сам пузырь, облучив корабль радиацией.

Обреченные бежать за светом

Неужели мы навсегда застряли на субсветовой скорости из-за нашей хрупкой биологии? От этого ответа зависит не только возможность установления нового человеческого (или галактического) рекорда скорости, но и перспективы нашего становления межзвездным сообществом. При скорости в половину световой, которой нас ограничил Эдельштейн, путешествие к ближайшей звезде займет 16 лет.

Но Миллис дает надежду. Глядя на то, как люди изобрели костюмы для того, чтобы справиться с высокой нагрузкой гравитации, и микрометеоритное экранирование для безопасного путешествия на потрясающей скорости, можно предположить, что мы разработаем способы преодоления скоростных барьеров одного за другим.

«Если уж технологии позволят развить доселе невиданные скорости, если будущая физика обнаружит такую технологию возможной, — говорит Миллис, — все это даст нам новые, невероятные возможности защиты экипажей».

опубликовано 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

Источник: hi-news.ru/space/naskolko-bystrym-i-bezopasnym-mozhet-byt-kosmicheskij-polet-dlya-lyudej.html