Мичио Каку
Физика на невъзможното (11)

9. Междузвездни кораби

Тази глупава идея да се изстрелват летателни апарати към Луната е пример за абсурдната далечина, до която порочната специализация ще отведе учените… Твърдението изглежда невъзможно в основата си.

А. У. Бикъртън, 1926 г.

По всяка вероятност по-добрата част от човечеството никога няма да загине — тези хора ще се прехвърлят от едно слънце на друго, докато те угасват. И затова няма да има край на живота, на интелекта и на усъвършенстването на човешкия род. Неговият прогрес ще бъде вечен.

Константин Е. Циолковски, баща на ракетната техника

Един ден в далечното бъдеще ще преживеем нашия последен хубав ден на Земята. Накрая, след милиарди години, небето ще бъде в пламъци. Слънцето ще се издуе и ще се превърне в бушуващ пъкъл, който ще изпълни цялото небе, карайки всичко в небесата да изглежда микроскопично. Докато температурите на Земята се повишават, океаните ще кипнат и ще се изпарят, оставяйки след себе си обгорен и изсушен ландшафт. Накрая планините ще се стопят и ще се втечнят, създавайки потоци от лава там, където някога е имало изпълнени с живот градове.

Според законите на физиката този страшен сценарий е неизбежен. Накрая Земята ще загине в пламъци и ще бъде погълната от Слънцето.

Това бедствие ще настъпи през следващите пет милиарда години. При подобен мащаб на космическото време възходите и паденията на човешките цивилизации са само малки вълнички. Един ден ще се наложи или да напуснем Земята, или да загинем. Как ли ще постъпят нашите потомци, когато условията на Земята станат непоносими?

Веднъж математикът и философ Бъртранд Ръсел се оплакал, „че нито огънят, нито героизмът, нито силата на мисълта или чувството може да съхрани живота след смъртта; че въпреки всичките усилия на епохите, цялата отдаденост, цялото вдъхновение, целия блясък на човешкия гений, на всички тях е съдено да изчезнат при повсеместната гибел на Слънчевата система, а целият храм на постиженията на Човека, неизбежно заровен под отломките на една вселена в развалини…“^[1]

Според мен това е един от най-отрезвяващите откъси в англоезичната литература. Но Ръсел е написал този откъс в ера, в която ракетните кораби били смятани за невъзможни. Днес перспективата един ден да напуснем Земята не е толкова невероятна. Карл Сейгън казва, че ние трябва да станем „двупланетен вид“. Според него животът на Земята е толкова ценен, че трябва да го разпространим на поне още една обитаема планета в случай на катастрофа. Земята се движи по средата на „космическо стрелбище“ от астероиди, комети и други отломки, които блуждаят близо до орбитата на Земята, и сблъсъкът с някое от тези тела може да доведе до нашата гибел.

Предстоящи катастрофи

Поетът Робърт Фрост задал въпроса дали Земята ще приключи съществуването си в огън или лед. Използвайки законите на физиката, можем да направим едно логично предсказание за това как светът ще приключи съществуването си в случай на катастрофа по естествени причини.

В хилядолетен мащаб една опасност за човешката цивилизация е настъпването на нова ледникова епоха. Последната ледникова епоха е завършила преди 10 000 години. Когато настъпи следващата, а това ще стане в рамките на период, вариращ от 10 000 до 20 000 години, по-голямата част от Северна Америка може да бъде покрита с лед, дебел половин миля (около 900 м). Човешката цивилизация е процъфтявала в рамките на неотдавнашния съвсем малък междуледников период, когато Земята е била необичайно топла, но подобен цикъл не може да продължава вечно.

В течение на милиони години големи метеорити или комети, които се сблъскват със Земята, биха могли да имат опустошително въздействие. Последният голям сблъсък с небесно тяло е станал преди 65 милиона години, когато обект с диаметър около 6 мили (около 11,5 км) се блъснал в полуостров Юкатан, днешно Мексико, създавайки кратер с диаметър около 180 мили (около 324 км) и изтривайки от лицето на планетата динозаврите, които до този момент били доминиращата форма на живот на Земята. Според този времеви мащаб има вероятност да настъпи друг космически сблъсък.

След милиарди години Слънцето постепенно ще се уголеми и ще погълне Земята. Всъщност по нашите оценки Слънцето ще повиши температурата си с приблизително 10 процента през следващия милиард години, изгаряйки повърхността на Земята. То ще погълне напълно планетата след 5 милиарда години, когато ще се превърне в гигантска червена звезда. Земята наистина ще попадне в атмосферата на Слънцето.

След десетки милиарди години и Слънцето, и Галактиката Млечен път ще загинат. Когато нашето Слънце изчерпи своето водородно/хелиево гориво, ще се свие във формата на съвсем малка звезда — бяло джудже, и постепенно ще се охлади, докато стане отломък от черни термоядрени отпадъци, който ще се носи безцелно в космическия вакуум. Накрая галактиката Млечен път ще се сблъска със съседната галактика Андромеда, която е много по-голяма от нашата. Спиралните ръкави на Млечния път ще се откъснат и е напълно възможно Слънцето да отлети дълбоко в Космоса. Черните дупки в центъра на двете галактики ще изпълнят танц на смъртта преди окончателния им сблъсък и сливане.

Като се има предвид обстоятелството, че един ден човечеството трябва да избяга от Слънчевата система на близките звезди, за да оцелее или да загине, въпросът, който стои пред нас, е как да стигнем до там. Най-близката звездна система — Алфа от Кентавър, се намира на разстояние от над 4 светлинни години. Конвенционалните ракети с химично задвижване — работните коне на сегашната космическа програма, едва достигат скорост 40 000 мили (около 72 000 км) в час. При тази скорост на тях ще им бъдат необходими 70 000 години само за да посетят най-близката звезда.

При анализа на днешната космическа програма можем да установим, че има огромна дупка между нашите жалки днешни възможности и изискванията, стоящи пред един истински междузвезден кораб, който би могъл да ни даде възможност да започнем да изследваме Вселената. От изследването на Луната в началото на 70-те години на XX в. нашата космическа програма за полети с екипаж е изпращала астронавти в орбита само на 300 мили (около 540 км) над Земята в Космическата совалка и Международната космическа станция. През 2010 г. обаче NASA планира да извади постепенно от употреба Космическата совалка и да проправи път за космическия кораб „Орион“, който най-сетне ще върне астронавтите на Луната през 2020 г., след петдесетгодишно прекъсване. Според плана трябва да бъде създадена постоянна база на Луната, обитавана от хора. След това може да бъде предприета мисия с екипаж до Марс.

Очевидно трябва да бъде измислен нов вид ракетно устройство, ако се налага да стигнем някога до звездите. Или трябва да повишим радикално тягата на нашите ракети, или трябва да увеличим времето на действието им. Една голяма химическа ракета например може да има тяга от няколко милиона фунта, но тя изгаря само за няколко минути. За разлика от нея други ракетни устройства като йонния двигател (описан в следващите параграфи), могат да имат слаба тяга, но да действат в продължение на години в открития космос. В случая с ракетната техника костенурката печели състезанието със заека.

Йонни и плазмени двигатели

За разлика от химическите ракети йонните двигатели не предизвикват внезапен драматичен взрив от свръхгорещи газове, които задвижват конвенционалните ракети. Всъщност тяхната тяга често се измерва в унции (десетки грамове). Ако бъдат поставени върху маса на Земята, те са прекалено слаби, за да помръднат. Но това, което им липсва в тягата, те наваксват напълно с трайността си, защото могат да действат в течение на години във вакуума на открития космос.

Типичният йонен двигател изглежда като вътрешността на телевизионна тръба. Една гореща жичка се нагорещява от електрически ток, който създава лъч от йонизирани атоми от рода на ксеноновите, който изскача от края на ракетата. Вместо да зависят от взрив на горещ експлозивен газ йонните двигатели зависят от тънка, но постоянна струя йони.

Йонният тласкач NSTAR на NASA бе тестван в открития космос на борда на успешната сонда „Дийп Спейс 1“, която бе изстреляна през 1998 година. Двигателят действа общо 678 дни, поставяйки нов рекорд в своя клас. Европейската космическа агенция също тества йонен двигател на своята сонда „Смарт 1“. Японската космическа сонда „Хаябуса“, която прелетя край един астероид, бе захранвана с енергия от четири ксенонови йонни двигатели. Въпреки че не е ефектен, йонният двигател ще бъде в състояние да изпълнява дългосрочни мисии (които не са спешни) между планетите. На практика един ден йонните двигатели могат да станат работният кон за междупланетния транспорт.

По-мощна версия на йонния двигател е плазменият двигател — например VASIMR (Изменяемата специфична импулсна магнитоплазмена ракета), която използва мощна струя от плазма, за да се задвижи в Космоса. Проектиран от астронавта инженер Франклин Чанг-Диас, двигателят използва радиовълни и магнитни полета, за да нагорещява водороден газ до температура един милион градуса по Целзий. Свръхгорещата плазма след това се изхвърля от края на ракетата, придавайки й значителна тяга. Прототипи на този двигател вече са били конструирани на Земята, въпреки че никога в Космоса не е бил изпращан някой от тях. Инженерите се надяват плазменият двигател да бъде използван за захранването с енергия на мисия до Марс, което ще намали значително времето за пътуване до тази планета, свеждайки го до няколко месеца. Някои устройства използват слънчева енергия, за да енергизират плазмата в двигателя, а други — делението на атома (което създава безпокойства за безопасността, тъй като включва разполагането на големи количества ядрени материали на кораби, които могат да претърпят инцидент в космоса).

Но нито йонният, нито плазменият двигател VASIMR разполагат с достатъчно енергия, за да ни отведат до звездите. За тази цел ни трябва съвсем нов тип задвижващи устройства. Сериозна пречка пред проектирането на междузвезден кораб е изумителното количество гориво, което е необходимо за извършването на пътуване дори до най-близката звезда, както и продължителният период от време, преди корабът да стигне до своята далечна дестинация.

Слънчеви платна

Едно предложение, което може да реши тези проблеми, е слънчевото платно. То използва факта, че слънчевата светлина упражнява много слабо, но постоянно налягане, което е достатъчно за задвижването на огромно платно през Космоса. Идеята за слънчевото платно е била формулирана за първи път от големия астроном Йоханес Кеплер в трактата му от 1611 г. Somnium („Сън“).

Въпреки че физиката, на която се основава едно слънчево платно, е достатъчно проста, напредъкът в действителното създаване на слънчево платно, което може да бъде изпратено в Космоса, е непостоянен. През 2004 г. една японска ракета разгърна успешно две малки прототипни слънчеви платна в Космоса. През 2005 г. Планетарното общество, Космос Студиос и Руската академия на науките изстреляха космическото платно „Космос 1“ от подводница в Баренцово море, но неговата ракета-носител „Волна“ не постигна успех и платното не излезе в орбита. (Един предишен опит със суборбитално платно също се провали през 2001 година.) Но през февруари 2006 г. слънчево платно с дължина 15 метра беше изпратено успешно в орбита от японската ракета M-V, въпреки че платното не се разтвори напълно.

Напредъкът в технологията на слънчевите платна е мъчително бавен, но защитниците им имат още една идея, която може да ги отведе при звездите: изграждането на огромна батарея от лазери на Луната, която да изстрелва интензивни лъчи от лазерна светлина към слънчево платно, давайки му възможност да се отправи към най-близката звезда. Физиката на подобно междупланетарно слънчево платно е наистина обезсърчаваща. Самото платно би трябвало да има диаметър от стотици мили и да бъде конструирано изцяло в открития космос. Човек ще трябва да изгради хиляди мощни лазери на Луната, като всеки от тях трябва да бъде в състояние да изстрелва лъчи в продължение на периоди, вариращи от няколко години до десетилетия. (По една експертна оценка ще се наложи да бъдат изстрелвани лазерни лъчи, които надминават хиляда пъти сегашната обща енергийна мощност на планетата Земя.)

На хартия подобно мамутско светлинно платно би могло да бъде в състояние да се движи със скорост, наполовина по-малка от скоростта на светлината. На такова слънчево платно ще му трябват само осем години или горе-долу толкова време, за да стигне до близките звезди. Предимството на такава система за задвижване е, че тя може да използва готова технология. Не е необходимо да бъдат откривани нови закони на физиката, за да бъде създадено такова слънчево платно. Но главните проблеми са в областта на икономиката и техниката. Инженерните проблеми при създаването на платно с диаметър от стотици мили, което се енергизира от хиляди мощни лазери, разположени на Луната, са страшни, тъй като изискват технология, която ще бъде разработена най-рано след век. (Един проблем пред междупланетарното слънчево платно е завръщането. Човек ще трябва да изгради втора батарея от лазери на далечна луна, за да отправи летателния апарат към Земята. Или може би корабът ще може да се завърти бързо около една звезда, използвайки я като прашка, за да получи достатъчно ускорение за обратното пътуване. Тогава лазерите на Луната ще бъдат използвани, за да намалят скоростта на платното, за да може то да кацне на Земята.)

Посояннотоков въздушнореактивен двигател, използващ ядрен синтез

Предпочитаният от мен кандидат, който да ни отведе до звездите, е постояннотоковият въздушнореактивен синтезен двигател. Във Вселената има изобилие от водород, затова един постояннотоков въздушнореактивен двигател може да „загребва“ водород, докато се движи в открития космос, който на практика му предоставя неизчерпаем източник на ракетно гориво. Щом бъде натрупан достатъчно водород, той ще бъде нагорещен до температура от милиони градуси, достатъчно висока, за да фузира водородът, отделяйки енергията при термоядрена реакция.

Постояннотоковият въздушнореактивен двигател е предложен от физика Робърт У. Бусард през 1960 г. и по-късно е популяризиран от Карл Сейгън. Бусард изчислил, че един постояннотоков въздушнореактивен двигател с тегло около 1 000 тона теоретично може да поддържа постоянна тяга със сила 1 g, т.е. тяга, която може да се сравни с това да стоиш прав на Земята. Ако постояннотоковият въздушнореактивен двигател може да поддържа ускорение от 1 g за една година, той ще достигне 77 процента от скоростта на светлината, което ще бъде достатъчно, за да превърне в сериозна възможност пътуването между звездите.

Изискванията към постояннотоковия въздушнореактивен синтезен двигател могат да се изчислят лесно. Първо, знаем средната плътност на водородния газ във Вселената. Можем и да пресметнем приблизително какво количество водороден газ трябва да бъде изгорено, за да се достигне ускорение от 1 g. Това изчисление на свой ред определя колко голямо трябва бъде „загребването“, за да бъде натрупан достатъчно водороден газ. С помощта на няколко разумни допускания може да се покаже, че ще ви трябва загребване, което достига диаметър от 160 километра. Въпреки че създаването на загребващо устройство с такъв размер би било възпиращо трудно на Земята, изграждането му в открития космос повдига по-малко проблеми заради безтегловността.

По принцип постояннотоковият въздушнореактивен двигател може да се задвижва безкрайно и да достига далечни звездни системи в Галактиката. Тъй като времето забавя ход в ракетата според Айнщайн, е възможно достигането на астрономически разстояния, без да се прибягва до поддържането на членовете на екипажа в състояние на летаргия. След като увеличава ускорението си с 1 g в продължение на единадесет години според часовниците в междузвездния кораб, космическият апарат ще стигне до звездния куп Плеядите, който се намира на разстояние 400 светлинни години. За двадесет и три години той ще стигне до Галактиката Андромеда, която се намира на 2 милиона светлинни години от Земята. На теория космическият кораб може да достигне границата на видимата вселена през живота на един член на екипажа (въпреки че на Земята ще са изминали милиарди години).

Главният повод за несигурност е реакцията на ядрен синтез. Синтезният реактор ITER, който по план трябва да бъде изграден в Южна Франция, комбинира две редки форми на водород (деутерий и тритий), за да добива енергия. В открития космос обаче най-често срещащата се форма на водорода се състои от един-единствен протон, обграден от един електрон. Затова постояннотоковият въздушнореактивен синтезен двигател трябва да използва реакцията на ядрен синтез от типа протон-протон. Въпреки че ядрено-синтезният процес, основан на деутерия и трития, е бил изследван в продължение на десетилетия от физиците, процесът на ядрен синтез от типа протон-протон не е изяснен напълно, по-труден е за осъществяване и води до произвеждането на далеч по-малко енергия. Затова овладяването на по-трудната реакция от типа протон-протон ще бъде техническо предизвикателство през следващите десетилетия. (Освен това някои инженери повдигат въпроса дали постояннотоковият въздушнореактивен двигател може да преодолее възпиращите ефекти, когато се приближава до скоростта на светлината.)

Докато изучаваме физиката и икономиката на ядрения синтез от типа протон-протон, е трудно да направим точни оценки на реализуемостта на постояннотоковия въздушнореактивен двигател. Но това устройство се намира в късия списък от възможни кандидати за всяка мисия към звездите, която обмисляме.

Ядрена електрическа ракета

През 1956 г. Американската комисия за атомна енергия (AEC) започва да проучва сериозно ядрените ракети в рамките на Проекта „Роувър“. На теория един реактор, в който се осъществява деление на атома, се използва, за да нагорещява газове като водорода до екстремни температури, а след това тези газове се изхвърлят от единия край на ракетата, създавайки по този начин тяга.

Заради опасността от експлозия в земната атмосфера с участието на токсично ядрено гориво, ранните версии на ядрените ракетни двигатели били поставяни хоризонтално на железопътни релси, където действието на ракетата било внимателно контролирано. Първият ядрен ракетен двигател, който бил тестван в рамките на Проекта „Роувър“, бил „Киви 1“ през 1959 г. (той уместно бил кръстен на тази тромава австралийска птица, която не може да лети). През 60-те години на XX в. NASA обедини усилията си с тези на AEC и създаде ядрения двигател за ракетни приложения (NERVA), който е първата ядрена ракета, тествана вертикално, а не хоризонтално. През 1968 г. тази ядрена ракета бе изстреляна по време на тест в долно положение.

Резултатите от изследването са противоречиви. Ракетите са много сложни и често правят засечки. Силните вибрации на ядрения двигател често спукват цистерните с гориво и кара кораба да се разцепва. Корозията, която настъпва заради изгарянето на водород при високи температури, също е постоянен проблем. Ядрената ракетна програма приключва през 1972 година.

(Тези атомни ракети са изправени пред още един проблем: опасността от неконтролируема ядрена реакция, каквато протича в малка бомба. Въпреки че комерсиалните атомни електростанции днес минават на разредено ядрено гориво и не могат да избухнат като бомбата, хвърлена над Хирошима, тези атомни ракети, за да създадат възможно най-голяма тяга, се задействат от високообогатен уран и вследствие на това могат да експлодират във верижна реакция, предизвиквайки малък атомен взрив. Когато ядрената ракетна програма е пред приключване, учените решават да проведат последен тест, като взривят една ракета подобно на малка атомна бомба. Махат контролните пръти (които контролирали ядрената реакция). Реакторът достига суперкритична точка и избухва във формата на огнена топка. Тази зрелищна смърт на ядрената ракетна програма дори е заснета на филм. Руснаците веднага реагират и причисляват опита за нарушение на Договора за частична забрана на опитите с ядрено оръжие, който ограничава надземните детонации на атомни бомби.)

През годините военните периодично подновяват заниманията си с ядрените ракети. Един секретен проект е наречен „Ядрената ракета Тимбъруинд“ и е част от военния проект „Звездни войни“ през 80-те години на XX век. (Той е спрян, след като подробности за неговото съществуване са оповестени от Федерацията на американските учени.)

Главният повод за безпокойство, свързано с ядрената ракета, използваща делението на атома, е безопасността. Дори след като са изминали петдесет години от космическата епоха, химическите ракети носители получават катастрофални повреди през около 1 процент от времето на съществуването си. (Двете повреди на космическите совалки „Чалънджър“ и „Колумбия“, които предизвикаха трагичната гибел на четиринадесет астронавти, потвърдиха допълнително този процент на авариите.)

Независимо от това, през последните няколко години NASA поднови изследването на ядрените ракети за първи път след програмата NERVA през 60-те години на XX век. През 2003 г. NASA кръсти своя нов проект „Прометей“ на името на древногръцкия бог, дал огъня на човечеството. През 2005 г. „Прометей“ беше финансиран с 430 милиона долара, въпреки че през 2006 г. това финансиране беше намалено значително и спадна на 100 милиона долара. Бъдещето на проекта е неясно.

Ядрените импулсни ракети

Друга далечна възможност е използването на серия от миниатомни бомби за задвижването на един междузвезден кораб. В проекта „Орион“ миниатомните бомби трябва да бъдат изхвърлени последователно от задната част на ракетата, така че космическият кораб да „яхне“ шоковите вълни, създадени от тези миниводородни бомби. На хартия подобна конструкция би могла да приближи един космически кораб до скоростта на светлината. След като хрумнала първоначално на Станислав Улам през 1947 г., който спомогнал за проектирането на първите водородни бомби, идеята била развита допълнително от Тед Тайлър (един от главните проектанти на ядрени бойни глави за американските военни) и от физика Фрийман Дайсън от Института за напреднали изследвания в Принстън.

През 50-те и 60-те години на XX в. бяха направени сложни изчисления за тази междузвездна ракета. Беше изчислено, че такъв междузвезден кораб ще може да стигне до Плутон и да се върне за една година, като максималната му скорост ще достигне 10 процента от скоростта на светлината. Но дори при тази скорост на него биха му трябвали около четиридесет и четири години, за да стигне до най-близката звезда. Учените изказват предположението, че космически ковчег, захранван с енергия от такава ракета, ще трябва да пътува столетия с екипаж, който ще създаде много нови поколения, чието потомство ще се роди и ще прекара целия си живот в космическия ковчег, за да успеят да се доберат техните наследници до близките звезди.

През 1959 г. „Дженерал Атомикс“ публикува доклад, в който се изчислява големината на един космически кораб „Орион“. Най-голямата версия, наречена „Супер Орион“, тежи 8 милиона тона, има диаметър от 400 метра и се енергизира с над 1 000 водородни бомби.

Но значителен проблем пред проекта е опасността от замърсяване с ядрени отпадъци, отделяни по време на изстрелването. Дайсън изчислил, че ядрените странични продукти от всяко изстрелване биха могли да предизвикат ракови заболявания с фатален изход при десет души. Освен това електромагнитният импулс (ЕМР) за подобно изстрелване е толкова силен, че ще предизвика масови къси съединения в съседните електрически системи.

Подписването на Договора за частична забрана на ядрените опити през 1963 г. оповестява края на проекта. Накрая се отказва и конструкторът на атомни бомби Тед Тайлър — главната движеща сила на проекта. (Веднъж той ми довери, че се разочаровал от проекта, когато осъзнал, че физиката, на която се основават миниатомните бомби, може да се използва и от терористи за създаването на преносими атомни бомби. Въпреки че проектът бе прекратен, тъй като бе сметнат за прекалено опасен, неговият съименник продължава да съществува — космическият кораб „Орион“ бе избран от NASA да замести Космическата совалка през 2010 година.)

Концепцията за ракета, задвижвана с ядрена енергия, бе възкресена отново за кратко време от Британското междупланетарно общество между 1975 и 1978 г. с проекта „Дедал“ — предварително проучване, което да установи дали може да бъде конструиран междузвезден кораб без екипаж, който да стигне до звездата на Барнард, която се намира на 5,9 светлинни години от Земята. (Звездата на Барнард е избрана, защото било изказано предположението, че тя може да има планета. Астрономите Джил Тартър и Маргарет Търнбул съставят списък от 17 129 близки звезди, които биха могли да имат планети, поддържащи някаква форма на живот. Най-обещаващият кандидат е Епсилон Инди А, който се намира на разстояние от 11,8 светлинни години.)

Ракетният кораб, планиран за проекта „Дедал“, е толкова огромен, че се налага да бъде конструиран в открития космос. Той ще тежи 54 000 тона, като почти цялото му тегло ще се състои от ракетно гориво и ще може да достига скорост 7,1 процента от скоростта на светлината с 450 тона полезен товар. За разлика от проекта „Орион“, който използва съвсем малки бомби, в които се осъществява деление на атома, проектът „Дедал“ ще използва миниводородни бомби със смес от деутерий и хелий–3, която ще бъде възпламенявана от електронни лъчи. Заради страшните технически проблеми, пред които бе изправен, както и заради безпокойствата от системата за ядрено задвижване, проектът „Дедал“ също бе изоставен за неопределено време.

Специфичен импулс и коефициент на полезно действие на двигателя

Понякога инженерите говорят за „специфичен импулс“, който дава възможност да класифицираме коефициента на полезно действие на различни двигателни устройства. Специфичният импулс се определя като промяната в кинетичната енергия на единица маса на пропеланта^[2]. Вследствие на това колкото по-ефективен е двигателят, толкова по-малко гориво е необходимо за издигането на една ракета в Космоса. Кинетичната енергия на свой ред е резултатът от силата, която действа в течение на определен период от време. Въпреки че имат много голяма тяга, химическите ракети действат в продължение само на няколко минути и вследствие на това имат много нисък специфичен импулс. Тъй като йонните двигатели могат да действат в продължение на години, те имат висок специфичен импулс с много ниска тяга.

Специфичният импулс се измерва в секунди. Една типична химическа ракета може да има специфичен импулс от 400–500 секунди. Специфичният импулс на двигателя на Космическата совалка е 453 секунди. (Най-високият специфичен импулс, достиган някога от химическа ракета, е 542 секунди, като тя използва пропелантна смес от водород, литий и флуор.) Тласкачът на йонния двигател на „Смарт 1“ има специфичен импулс от 1 640 секунди. А ядрената ракета достига специфични импулси от 850 секунди.

Възможно най-големият специфичен импулс би бил притежаван от ракета, която достига скоростта на светлината. Тя би имала специфичен импулс от около 30 милиона секунди. Таблицата, която следва, показва специфичните импулси на различни видове ракетни двигатели.

Тип на ракетния двигател	Специфичен импулс
Ракета с твърдо гориво	250
Ракета с течно гориво	450
Йонен двигател	3 000
Плазмен двигател VASIMR	от 1 000 до 30 000
Ракета, в която се осъществява деление на атома	от 800 до 1 000
Ракета, в която се осъществява ядрен синтез	от 2 500 до 200 000
Ядрена импулсна ракета	от 10 000 до 1 милион
Антиматерийна ракета	от 1 милион до 10 милиона

(По принцип, тъй като лазерните платна и постояннотоковите въздушнореактивни двигатели не използват никакъв пропелант, имат безкраен специфичен импулс, въпреки че се натъкват на свои собствени проблеми.)

Космически асансьори

Възражението срещу много от тези ракетни устройства е, че са толкова грамадни и тежки, че никога не биха могли да бъдат изградени на Земята. Ето защо някои учени предлагат да бъдат изградени в открития космос, където безтегловността би направила възможно повдигането с лекота на невероятно тежки предмети от астронавтите. Но критиците изтъкват възпиращо високите цени на монтажа в открития космос. Международната космическа станция например ще изисква повече от сто изстрелвания на совалки за пълния монтаж и цената й е скочила на 100 милиарда долара. Това е най-скъпият научен проект в историята. Изграждането на междузвездно космическо платно или на постояннотоков въздушнореактивен двигател, използващ загребване, ще струва в пъти повече.

Но както обичал да казва научният фантаст Робърт Хайнлайн: „Ако успеете да стигнете на разстояние 160 километра над Земята, вие сте на половината път до всяка точка в Слънчевата система.“ Ето защо първите 160 километра от всяко изстрелване, когато ракетата се мъчи да избяга от гравитационното притегляне на Земята, струват най-скъпо. След това един ракетен кораб може едва ли не да се придвижва без усилие към Плутон и отвъд него.

В бъдеще понижаването на цените ще стане с разработването на космически асансьор. Идеята за изкачване по въже до небето е стара. Тя е развита например във вълшебната приказка „Джак и бобеното стъбло“, но може да се превърне в реалност, ако въжето бъде изпратено далеч в Космоса. В такъв случай центробежната сила на земното въртене ще бъде достатъчна за неутрализирането на силата на гравитационното притегляне, затова въжето няма да падне никога. То ще се издига като по магия вертикално във въздуха и ще изчезва в облаците. (Представете си топче, което се върти върху струна. Топчето като че ли не се поддава на гравитационното притегляне, защото центробежната сила го изблъсква от центъра на въртене. По същия начин едно много дълго въже ще виси във въздуха заради въртеливото движение на Земята.) Няма да бъде необходимо нищо, което да крепи въжето, освен въртеливото движение на Земята. Теоретично един човек може да се покатери по въжето и да се издигне в Космоса. Понякога даваме на студентите, които посещават курсовете по физика в Градския университет в Ню Йорк, задачата да изчислят напрежението, което ще се оказва върху подобно въже. Лесно е да се покаже, че напрежението върху въжето ще бъде достатъчно за счупването дори на стоманен кабел, ето защо конструирането на космически асансьор отдавна е било смятано за невъзможно.

Първият учен, който проучва сериозно идеята за космически асансьор, е руският визионер в науката Константин Циолковски. През 1895 г., вдъхновен от Айфеловата кула, той си представил кула, която се издигала в Космоса, свързвайки Земята с „небесен замък“ в Космоса. Тя щяла да бъде изградена отдолу нагоре, започвайки на Земята, и инженерите бавно щели да издигнат космическия асансьор в небесата.

През 1957 г. руският учен Юрий Арцутанов предлага ново решение: космическият асансьор да бъде изграден в обратен ред, отгоре-надолу, започвайки от открития космос. Той си представил спътник в геостационарна орбита на 36 000 мили (около 65 000 км) в Космоса, където щял да изглежда неподвижен, и от който хората щели да спуснат кабел към Земята. След това кабелът щял да бъде прикрепен за земята. Но въжето за космическия асансьор трябвало да бъде в състояние да издържи приблизително напрежение от 60–100 гигапаскала (Gpa). Стоманата се троши при около 2 Gpa, което прави идеята неосъществима.

Идеята за космически асансьор стига до много по-широка публика с публикуването на романа на Артър Ч. Кларк от 1979 г. „Фонтаните на рая“ и романа на Робърт Хайнлайн от 1982 г. „Фрайди“. Но без да е постигнат някакъв допълнителен напредък, идеята угасва.

Положението се променя значително, когато химиците разработват въглеродните нанотръби. Изведнъж интересът е разпален от работата на Сумио Ииджима от „Нипон Илектрик“ през 1991 г. (въпреки че данните за въглеродните нанотръби в действителност датират от 50-те години на XX в. — факт, пренебрегнат навремето.) Забележително е, че нанотръбите са много по-здрави от стоманените кабели, а също и много по-леки. Всъщност те притежават якост, превишаваща тази, която е необходима за поддържането на един космически асансьор. Учените смятат, че нишка от въглеродни нанотръби може да издържи налягане от 120 Gpa, което е доста над точката на максималното напрежение. Това откритие съживява опитите за създаване на космически асансьор.

През 1999 г. в изследване на NASA се разглежда въпросът за космическия асансьор. В него изследователите си представят тясна ивица, широка около 1 метър и дълга около 47 000 километра, която е в състояние да транспортира около 15 тона полезен товар в земната орбита. Такъв космически асансьор би могъл да промени икономиката на космическите пътувания за една нощ. Цената може да бъде намалена десет хиляди пъти, което би било революционна промяна.

Понастоящем са необходими 10 000 долара или още по-голяма сума, за да бъде изпратен един фунт (0,453 кг) материал в орбита около Земята (което е горе-долу колкото цената на златото, ако ги сравняваме унция за унция). Всяка мисия на Космическата совалка например струва цели 700 милиона долара. Един космически асансьор може да намали цената на доставката на един долар за фунт. Подобно радикално понижаване на цената на космическата програма може да революционизира начина, по който гледаме на пътуванията в Космоса. С едно обикновено натискане на копчето на асансьора човек би могъл по принцип да се отправи на разходка с асансьор в открития космос на цената на един билет за самолет.

Но преди да изградим космически асансьор, с който можем да изминем определен път в небето, трябва да бъдат преодолени огромни практически трудности. Понастоящем чистите нишки от въглеродни нанотръби, създадени в лабораторни условия, са дълги не повече от 15 милиметра. За да направим космически асансьор, ще трябва да създадем кабели от въглеродни нанотръби, дълги хиляди мили. Въпреки че от научна гледна точка това е само технически проблем, той трябва да бъде решен на практика, ако искаме да направим космически асансьор. Все пак много учени смятат, че за няколко десетилетия ще бъдем в състояние да овладеем технологията за създаване на дълги кабели от въглеродни нанотръби.

Второ, микроскопичните примеси във въглеродните нанотръби биха могли да направят проблематичен един дълъг кабел. По изчисления на Никола Пуньо от Политехниката в Торино, Италия, ако в една въглеродна нанотръба има дори един атом, който е подреден неправилно, нейната якост може да бъде намалена с 30 процента. Дефекти с големината на атом ще намалят здравината на кабел от нанотръби с цели 70 процента, смъквайки я под минимума гигапаскали на якостта, която е необходима за поддържането на космически асансьор.

За да стимулира предприемчивия интерес към космическия асансьор, NASA финансира две отделни награди. (Наградите се дават по модела на носещата десет милиона долара Х-награда на Ансари, която стимулира успешно инициативните изобретатели да създадат комерсиални ракети, които да бъдат в състояние да превозват пътници до границата с Космоса. Х-наградата беше спечелена от Космически кораб Едно през 2004 година.) Наградите, които предлага NASA, се наричат Лъчево-енергийното предизвикателство и Въженото предизвикателство. В Лъчево-енергийното предизвикателство екипите трябва да изпратят механично устройство, тежащо поне 25 килограма, по въже (увиснало от кран) със скорост от 1 метър в секунда на разстояние 50 метра. Това може да изглежда лесно, но уловката се крие в обстоятелството, че устройството не може да използва гориво, батерии или електрически шнур. Вместо това роботното устройство се захранва с енергия от слънчеви модули, подредени в редици, от слънчеви отражатели, лазери или източници на микровълнова енергия, които са по-подходящи за употреба в открития космос.

Във Въженото предизвикателство екипите трябва да произведат въжета, дълги 2 метра, които да не тежат повече от 2 грама и да пренасят 50 процента повече тегло от най-качественото въже от предишната година. Предизвикателството цели да стимулира изследванията в областта на разработването на материали с ниско тегло, които са достатъчно здрави, за да издържат напрежение по протежение на 100 000 километра в Космоса. Има награди на стойност 150 000 долара, 40 000 долара и 10 000 долара. (За да се подчертае трудността при справянето с това предизвикателство, през 2005 г. — първата година на състезанието, никой не спечели награда.)

Въпреки че един сполучлив космически асансьор може да революционизира космическата програма, подобни машини крият свои собствени рискове. Например, траекторията на летящите близо до Земята спътници се променя постоянно, докато те се движат в орбита около Земята (това се дължи на факта, че Земята се върти под тях). Това означава, че рано или късно спътниците ще се сблъскат с космическия асансьор със скорост от 18 000 мили (около 32 000 км) в час, което е достатъчно за скъсването на въжето. За да се предотврати такава катастрофа, в бъдеще или спътниците ще трябва да бъдат проектирани да включват малки ракети, така че да могат да извършат маневра около космическия асансьор; или пък въжето на асансьора може би трябва да бъде оборудвано с малки ракети за избягване на преминаващите покрай него спътници.

Сблъсъците с микрометеорити също са проблем, тъй като космическият асансьор ще бъде разположен доста над земната атмосфера, а обикновено тя ни пази от метеорите. Тъй като сблъсъците с микрометеори са непредсказуеми, космическият асансьор трябва да бъде изграден с добавена защитна система и може би дори с резервни системи, които да предупреждават за повреди. Проблеми могат да изникнат и от ефектите на турбулентните метеорологично-времеви модели на Земята като ураганите, приливните вълни и бурите.

Ефектът на прашката

Друг непознат досега способ за задвижването на един обект със скорост, близка до тази на светлината, е използването на ефекта на „прашката“. Когато изпраща космически сонди към външните планети, понякога NASA ги завърта около някоя съседна планета. Така тя използва ефекта на прашката, за да повиши тяхната скорост. По този начин NASA пести ценно ракетно гориво. Именно така космическият кораб „Вояджър“ успя да стигне до Нептун, който е разположен почти до самия край на Слънчевата система.

Принстънският физик Фрийман Дайсън предлага в далечното бъдеще да открием две неутронни звезди, които се въртят една около друга с голяма скорост. Като застанем съвсем близо до едната от тези неутронни звезди, можем да профучим около нея, след което ще бъдем запратени в Космоса със скорост, близка до една трета от скоростта на светлината. Фактически ще използваме гравитационното притегляне, за да ни придаде допълнителен тласък, така че почти да достигнем скоростта на светлината. На хартия това би могло да свърши работа.

Други предлагат да профучим около нашето собствено слънце, за да увеличим скоростта си до такава степен, че тя да се приближи до скоростта на светлината. Всъщност този метод е използван в „Стар Трек IV: Завръщане на Земята“, където екипажът на „Ентърпрайс“ отвлича един клингонски кораб и след това долита близо до Слънцето, за да преодолее светлинната бариера и да се върне назад във времето. Във филма „Когато световете се сблъскат“ Земята е заплашена от сблъсък с астероид и учените я отклоняват, като конструират гигантско виенско колело. Един ракетен кораб се спуска от виенското колело и достигайки висока скорост, профучава около долната част на колелото и се взривява в Космоса.

На практика обаче нито един от тези методи за използване на гравитационното притегляне за ускоряване на движението в Космоса няма да свърши работа. (Заради запазването на енергията, когато се спускаме по виенско колело и след това се издигаме отново по него, накрая се оказваме със същата скорост като тази, с която сме започнали движението и затова не печелим каквато и да е енергия. По същия начин, след като профучим около неподвижното Слънце, се оказваме със същата скорост като тази, с която сме започнали първоначално движението си.) Причината, поради която методът на Дайсън за използване на две неутронни звезди може да свърши работа, е, че неутронните звезди се движат много бързо. Космически кораб, който използва ефекта на прашката, получава енергията си от движението на една планета или звезда. Ако те са неподвижни, няма никакъв ефект на прашката.

Въпреки че предложението на Дайсън може да свърши работа, то няма да помогне на днешните учени, които са приковани към Земята, защото ще ни трябва междузвезден кораб само за да посетим въртящите се неутронни звезди.

Релсови оръдия към небесата

Друг изобретателен метод за запращане на обекти в Космоса с фантастична скорост е релсовото оръдие, което Артър Ч. Кларк и други фантасти са описали в своите научнофантастични приказки и което също е детайлно проучено като част от ракетния щит „Звездни войни“.

Вместо да използва ракетно гориво или барут за придаването на висока скорост на една ракета, релсовото оръдие използва енергията на електромагнетизма.

В най-простата си форма едно релсово оръдие се състои от две успоредни жици или релси, с ракета, която възсяда и двете жици, образувайки U-образна конфигурация. Още Майкъл Фарадей е знаел, че електрическият ток ще бъде подложен на въздействието на сила, когато протича в магнитно поле. (Всъщност това е основата на всички електрически двигатели.) Когато се изпращат милиони ампери електрическа енергия по тези жици и през ракетата, около релсите се създава огромно по сила магнитно поле. После това магнитно поле задвижва ракетата по релсите с огромна скорост.

Релсови оръдия са изстрелвали успешно метални обекти с огромна скорост на изключително къси разстояния. На теория обаче едно обикновено релсово оръдие е в състояние да изстреля метална ракета със скорост от 18 000 мили (около 32 000 км) в час така, че тя да излезе в орбита около Земята. По принцип целият ракетен флот на NASA би могъл да бъде заменен с релсови оръдия, които да изстрелват от Земята полезни товари в орбита.

Релсовото оръдие притежава едно значително преимущество пред химическите ракети и оръдия. В една пушка крайната скорост, с която разширяващите се газове могат да изстрелят един куршум, е ограничена от скоростта на шоковите вълни. Въпреки че Жул Верн използва барут, за да изстрелва астронавти към Луната в своята класическа приказка „От Земята до Луната“, човек може да изчисли, че крайната скорост, която човек може да достигне с помощта на барута, е само минимална част от скоростта, която е необходима да изпратите нещо на Луната. Релсовите оръдия обаче не са ограничени от скоростта на шоковите вълни.

Но и релсовото оръдие е изправено пред проблеми. То увеличава скоростта на обектите толкова бързо, че обикновено те се сплескват при съприкосновение с въздуха. Полезните товари биват деформирани сериозно в процеса на изстрелване от цевта на релсово оръдие, защото когато ракетата влезе в досег с въздуха, тя сякаш се удря в тухлена стена. Освен това огромното увеличаване на скоростта на полезния товар по релсите е достатъчно за тяхното деформиране. Релсите трябва да бъдат подменяни често заради повредите, причинявани от ракетата. Нещо повече, Г-силите, упражнявани върху един астронавт, ще бъдат достатъчни, за да го убият, тъй като ще строшат лесно всички кости в неговото тяло.

Едно от предложенията е да бъде инсталирано релсово оръдие на Луната. Извън земната атмосфера ракетата, изстреляна от едно релсово оръдие, може да лети без усилие през вакуума на открития космос. Но дори тогава огромното ускорение, развивано от релсовото оръдие, би могло да повредят полезния товар. В известен смисъл релсовите оръдия са противоположността на лазерните платна, които развиват своята крайна скорост в течение на дълъг период от време. Релсовите оръдия са ограничени, защото пакетират прекалено много енергия в твърде малко пространство.

Релсови оръдия, които могат да изстрелват обекти към близките звезди, биха били твърде скъпи. Едно от предложенията е релсово оръдие да бъде изградено в открития космос, като се позиционира на две трети от разстоянието от Земята до Слънцето. Колектор ще съхранява енергията, получена от Слънцето, и след това ще изстрелва внезапно тази енергия в релсовото оръдие, което ще изпраща десеттонен полезен товар със скорост, достигаща една трета от скоростта на светлината, с ускорение от 5 000 g. Не е учудващо, че само най-твърдите роботни полезни товари ще бъдат в състояние да оцелеят при такова огромно ускорение.

Опасностите пи пътуването в Космоса

Разбира се, пътуването в Космоса не е неделен пикник. Огромни опасности очакват полетите с екипаж до Марс или отвъд него. Животът на Земята е бил защитаван в продължение на милиони години. Озоновият слой на планетата предпазва Земята от ултравиолетовите лъчи, нейното магнитно поле осигурява защита срещу слънчевите изригвания и космическите лъчи, а дебелата й атмосфера ни пази от метеоритите, които изгарят при навлизане в нея. Приемаме за нещо, което се подразбира от само себе си, меките температури и въздушното налягане, характерни за Земята. Но дълбоко в Космоса трябва да се изправим пред реалността, че в по-голямата част от Вселената цари бъркотия, в която се носят смъртоносни радиационни пояси и рояци от гибелни метеорити.

Първият проблем, който трябва да бъде решен по време на продължителното пътуване в Космоса, е проблемът с безтегловността. Дългосрочните проучвания на безтегловността от руснаците показват, че тялото губи ценни минерали и вещества в Космоса много по-бързо, отколкото се е очаквало. Дори при изпълнението на сурова програма от физически упражнения, след като прекарват една година на космическата станция, костите и мускулите на руските космонавти атрофирали толкова, че те едва могат да пълзят като бебета, когато се връщат на Земята. Мускулната атрофия, нарушенията в скелетната система, намаленото производство на червени кръвни телца, по-слабият имунен отговор, пониженото функциониране на сърдечносъдовата система, изглежда, са неизбежните последствия от продължителната безтегловност в Космоса.

Мисиите до Марс, които продължават от няколко месеца до година, ще достигнат самите граници на издръжливостта на астронавтите. В случая с дългосрочните мисии до близки звезди този проблем може да се окаже фатален. Междузвездните кораби в бъдеще може би ще трябва да се въртят, създавайки изкуствена гравитация чрез центробежни сили, за да бъде поддържан човешкият живот. Това приспособяване би повишило много цената и сложността на бъдещите междузвездни кораби.

Второ, присъствието на микрометеорити в Космоса, които се движат с десетки и десетки хиляди мили в час, налага оборудването на междузвездните кораби с допълнителни предпазни устройства. Щателното изследване на корпуса на космическата совалка е разкрило доказателства за няколко съвсем слаби, но потенциално смъртоносни удари от миниатюрни метеорити. В бъдеще междузвездните кораби трябва да бъдат оборудвани със специална двойно подсилена камера за екипажа.

Радиационните равнища дълбоко в Космоса са много по-високи, отколкото се е смятало преди. По време на единадесетгодишния цикъл на слънчевото петно например слънчевите изригвания изпращат огромни количества смъртоносна плазма, които се устремяват към Земята. В миналото това явление принуждаваше астронавтите на космическата станция да потърсят специална защита срещу потенциално смъртоносния преграден огън от субатомни частици. Разходките в Космоса по време на такива слънчеви изригвания са фатални. (Дори извършването на обикновено пътуване със самолет от Лос Анджелис до Ню Йорк например ни излага на около един милирем радиация за час от полета. По време на нашето пътуване сме изложени на почти зъболекарска доза рентгеново излъчване.) Дълбоко в Космоса, където атмосферата и магнитното поле на Земята вече не ни предпазват, излагането на радиация може да се окаже сериозен проблем.

Летаргия

Според последователния обзор на ракетните устройства, които представих досега, дори ако можехме да конструираме такива междузвездни кораби, щяха да бъдат необходими десетилетия или векове за достигането на близките звезди. Щеше да се наложи подобна мисия да включва екипаж, чиито потомци след поколения да достигнат накрая определената цел.

Във филми като „Пришълецът“ и „Планетата на маймуните“ се предлага пътешествениците в Космоса да изпаднат в летаргия, т.е. тяхната телесна температура да бъде понижена дотолкова, че телесните функции почти да замрат. Животните, които спят зимен сън, правят това всяка година през зимата. Някои риби и жаби след като бъдат дълбоко замразени в леден блок, са в състояние да се разтопят и съживят, когато температурата се покачи.

Биолози, изследвали любопитното явление, смятат, че животните притежават способността да създават естествен „антифриз“, който понижава точката на замръзване на водата. Този естествен антифриз се състои от определени протеини в рибите и от глюкоза в жабите. Насищайки своята кръв с тези протеини, рибите могат да оцелеят в Арктика при около –2°C. Жабите са развили способността да поддържат високи равнища на глюкоза, като по този начин предотвратяват образуването на ледени кристали. Въпреки че телата им изглеждат дълбоко замразени отвън, те не са замръзнали отвътре, което позволява на телесните им органи да продължават да работят, макар и със забавен темп.

Има проблеми обаче с приспособяването на бозайниците към подобни условия. Когато човешка тъкан бъде замразена, вътре в клетките се образуват ледени кристали. Тези ледени кристали нарастват, проникнат в стените на клетките и ги унищожават. (Знаменитостите, които искат главите и телата им да бъдат замразени в течен азот след тяхната смърт, трябва добре да си помислят, преди да пожелаят това.)

Независимо от това неотдавна беше осъществен напредък в предизвикването на временна летаргия при бозайници (мишки, прасета и кучета), които в естествени условия не спят зимен сън. През 2005 г. учени в Питсбъргския университет успяха да съживят кучета, след като кръвта им беше източена и заменена със специален леденостуден разтвор. След като изпаднаха в клинична смърт в продължение на три часа, кучетата бяха върнати към живота, след като сърдечната им дейност беше подновена. (Въпреки че повечето кучета останаха здрави след тази процедура, част от тях страдаха от мозъчни увреждания.)

През същата година учените осъществиха експеримент, при който поставиха мишки в камера, съдържаща водороден сулфид, и понижиха успешно тяхната телесна температура до 13°C за шест часа. Скоростта на метаболизма на мишките спадна десетократно. През 2006 г. лекарите в Масачузетската обща болница в Бостън накараха прасета и мишки да изпаднат в летаргично състояние, използвайки водороден сулфид.

В бъдеще такива процедури може би ще спасяват живота на хора, преживели тежки инциденти или получили инфаркт, по време на който всяка секунда е от значение. Изкуствено предизвиканата летаргия ще позволи на лекарите да „замразят времето“, докато се изнамери начин пациентите да бъдат лекувани. Но може би ще изминат десетилетия или още повече време, преди да стане възможно подобни техники да бъдат прилагани при астронавти, на които може да им се наложи да пребивават в състояние на летаргия в продължение на векове.

Нанокораби

Има няколко други начина, по които бихме могли да стигнем до звездите посредством по-напреднали, недоказали засега ефективността си технологии, които граничат с научната фантастика. Според едно обещаващо предложение трябва да използваме сонди без екипаж, основани на нанотехнологиите. Дотук аз приемах, че междузвездните кораби трябва да бъдат чудовищни устройства, които изразходват огромни количества енергия и са в състояние да закарат голям екипаж от човешки същества до звездите подобно на междузвездния кораб „Ентърпрайс“ в „Стар Трек“.

Но пред нас се разкрива една по-правдоподобна възможност: първоначално да изпратим миниатюрни сонди без екипаж до далечни звезди, които развиват скорост, близка до тази на светлината. Както споменахме по-рано, в бъдеще, с помощта на нанотехнологиите, ще е възможно създаването на съвсем малък космически кораб, който използва енергията на машини с големината на атоми и молекули. Йоните са леки и лесно могат да развият скорост, близка до тази на светлината, с помощта на обикновени волтажи, използвани в лабораторни условия. Вместо огромни ракети носители, те могат да бъдат изпратени в Космоса със скорост, близка до тази на светлината, като бъдат използвани мощни електромагнитни полета. Това означава, че ако един нанобот бъде йонизиран и поставен в електрическо поле, той би могъл без усилие да развие скорост, близка до тази на светлината. След това наноботът би се отправил по пътя си към звездите, тъй като в Космоса няма триене. По този начин много от проблемите, пред които са изправени големите междузвездни кораби, биват решени незабавно. Интелигентните наноботни междузвездни кораби без екипаж биха могли да стигнат до близките звездни системи за нищожно малка частица от цената на построяването и изстрелването на един огромен междузвезден кораб, превозващ екипаж от хора.

Такива нанокораби биха могли да стигат до близките звезди, или както предлага пенсионираният астронавт и инженер от Военновъздушните сили на САЩ Джералд Нордли, да бутат едно слънчево платно, за да го задвижват през Космоса. Нордли казва: „Ако разполагате със съзвездие от космически кораби с големината на глава на топлийка, които летят във формация и комуникират помежду си, на практика можете да ги бутате напред с джобно фенерче.“^[3]

Но нанокорабите са изправени пред някои предизвикателства. Те лесно биха могли да бъдат отклонени от пътя си от попътни електрически и магнитни полета в открития космос. За да противодейства на тези сили, човекът трябва да увеличи скоростта на нанокорабите до много високи волтажи на Земята. Второ, трябва да изпратим милионни ескадрили от тези наноботни междузвездни кораби, за да гарантираме, че шепа от тях действително ще се доберат до крайната цел. Изпращането на междузвездни кораби, които да изследват най-близките звезди, може да изглежда екстравагантно, но подобни кораби биха били евтини и биха могли да бъдат произвеждани серийно в милиарди екземпляри, така че поне една малка част от тях да достигне целта.

Как биха могли да изглеждат тези нанокораби? Дан Голдин, бивш директор на NASA, си представя флот от космически кораби „с големината на кутия кока-кола“. Други говорят за междузвездни кораби с размера на игли. Пентагонът проучва възможността за разработването на „умен прах“ — частици с големината на прах, съдържащи в себе си съвсем малки сензори, които се разпръсват из бойното поле и предават на командирите информация в реално време. Можем да си представим, че в бъдеще такъв „умен прах“ ще бъде изпращан на близките звезди.

Схемата на електрическите вериги на наноботите с големината на прах ще бъде направена чрез същите техники за гравиране, които се използват в полупроводниковата индустрия, която може да създава компоненти с големината на 30 нм (нанометра) или с приблизителен диаметър от около 150 атома. Тези наноботи могат да бъдат изстрелвани от Луната чрез релсови оръдия или дори от ускорители, които редовно изпращат субатомни частици със скорост, която почти достига скоростта на светлината. Устройствата ще бъдат толкова евтини, че ще направят възможно изстрелването на милиони от тях в Космоса.

Щом достигнат близка звездна система, наноботите ще кацнат на някоя пуста луна. Заради ниската гравитация на луната един нанобот ще може да каца и да излита с лекота. Като се има предвид постоянната среда, която му осигурява луната, това ще направи от нея идеална база за операции. Наноботът би могъл да изгради нанозавод, като използва минералите, срещани на луната, и да направи мощна радиостанция, която да излъчва информация към Земята. Или пък да бъде проектиран така, че да създава милиони свои копия, които да изследват слънчевата система и да се отправят към други съседни звезди, повтаряйки процеса. Тъй като тези кораби ще бъдат роботи, няма да има нужда от обратно пътуване до дома, щом предадат по радиото своята информация.

Наноботът, който описах току-що, понякога бива наричан сонда на фон Нойман, по името на известния математик Йохан фон Нойман, разработил математиката за самовъзпроизвеждащите се машини на Тюринг. По принцип такива самовъзпроизвеждащи се наноботни междузвездни кораби биха могли да изследват цялата галактика, а не само близките звезди. Накрая е възможно създаването на сфера от трилиони роботи, които се увеличават експоненциално, докато големината й нараства, разширявайки се почти със скоростта на светлината. Наноботите в сферата биха могли да колонизират цялата галактика за няколкостотин хиляди години.

Един електроинженер, който приема много сериозно идеята за нанокорабите, е Брайън Гилкрист от Мичиганския университет. Неотдавна той получи 500 000 долара от Института за напреднали изследвания към NASA, за да проучи идеята за изграждане на нанокораби с двигатели, не по-големи от бактерия. Той си представя използването на същата технология за гравиране, която се използва в полупроводниковата индустрия за създаването на флот от няколко милиона нанокораби, които да се задвижват чрез изхвърлянето на наночастици с диаметър няколко десетки нанометра. Тези наночастици ще се енергизират чрез преминаването през електрическо поле, както става в един йонен двигател. Тъй като всяка наночастица има тегло, хиляди пъти по-голямо от това на един йон, двигателите ще пакетират много повече тяга от йонния двигател. По този начин двигателите на нанокораба ще имат същите предимства като него, като изключим факта, че ще генерират много повече тяга. Гилкрист вече е започнал да гравира някои от частите за тези нанокораби. Засега той може да пакетира 10 000 отделни тласкача върху един-единствен силициев чип, чийто диаметър достига 1 сантиметър. Като начало Гилкрист си представя изпращането на флота от нанокораби из цялата Слънчева система за тестване на ефективността им. Тези нанокораби биха могли да станат част от първия флот, чиято цел е достигането на далечни звезди.

Предложението на Гилкрист е една от футуристичните идеи, които активно се разглеждат от NASA. След няколко десетилетия, прекарани в бездействие, неотдавна NASA започна да обмисля сериозно различни предложения за междузвездни пътувания, които варират от правдоподобното до фантастичното. От началото на 90-те години на XX в. NASA стана домакин на ежегодния Симпозиум по въпросите на напредналите изследвания на задвижването в Космоса, по време на който тези технологии бяха анализирани от екипи от инженери и физици. Още по-амбициозна е програмата за пробив в областта на физиката на задвижването, която изследва мистериозния свят на квантовата физика, имащ връзка с междузвездните пътувания. Въпреки че все още няма консенсус, голяма част от дейността по програмата е съсредоточена върху водещите технологии — лазерното платно и различните версии на ракетите, използващи ядрен синтез.

Като се има предвид бавният, но постоянен напредък в областта на проектите за междузвездни кораби, разумно е да допуснем, че първата сонда без екипаж от някаква разновидност може да бъде изпратена към близките звезди по-късно през този век или в началото на следващото столетие, което ги включва в Клас I на невъзможните неща.

Най-убедителният проект за междузвезден кораб обаче включва използването на антиматерия. Въпреки че звучи като твърдение от сферата на научната фантастика, антиматерия вече е била създавана на Земята и един ден тя може да осигури най-обещаващия проект за пилотиран междузвезден кораб, който наистина върши работа.