Хотя Комиссия Огастина не рекомендовала к реализации проект, связанный с пилотируемым полетом на Марс, у нас остается другая очень интересная возможность — отправить астронавтов на спутники Марса, Фобос и Деймос. Эти спутники намного меньше земной Луны и поэтому так же, как и астероиды, обладают очень слабым гравитационным полем. Помимо относительной дешевизны, у визита на спутник Марса имеется еще несколько преимуществ:

1. Во-первых, эти спутники можно было бы использовать как временные космические станции. С них можно без особых затрат анализировать планету, не опускаясь на ее поверхность.

2. Во-вторых, когда-нибудь они могут пригодиться как промежуточная ступень для экспедиции на Марс. От Фобоса до центра Красной планеты меньше 10 000 км, так что оттуда можно всего за несколько часов слетать вниз.

3. Вероятно, в этих спутниках имеются пещеры, которые можно было бы использовать для организации постоянной обитаемой базы и для защиты ее от метеоритов и космического излучения. На Фобосе, в частности, имеется громадный кратер Стикни; вероятно, это след удара громадного метеорита, едва не расколовшего спутник. Однако постепенно сила тяжести вновь собрала обломки воедино и восстановила спутник. Быть может, после этого давнего столкновения на Фобосе осталось множество пещер и трещин.

В докладе Комиссии Огастина предлагался так называемый гибкий путь, включающий несколько достаточно скромных целей, не требующих безумного расхода ракетного топлива: к примеру, это путешествие к недалекому астероиду, которому случится пролететь мимо Земли, или путешествие к лунам Марса. В докладе указывалось, что астероид-цель может пока просто отсутствовать на наших картах: быть может, это неизвестное блуждающее тело, которое предстоит открыть в ближайшем будущем.

Проблема, указывалось в докладе Комиссии, состоит в том, что ракетное топливо для посадки на Луну, и особенно на Марс, а также на взлет и возвращение окажется чрезмерно дорогим. Но поскольку гравитационное поле на астероиде и спутниках Марса очень слабое, топлива потребуется во много раз меньше. В докладе Огастина упоминалась также возможность посещения точек Лагранжа, т. е. таких мест в открытом космосе, где гравитационное притяжение Земли и Луны взаимно компенсируются. (Вполне возможно, что эти точки служат космической свалкой, где скапливается с древнейших времен весь мусор, собранный Солнечной системой и попавший в окрестности Земли; астронавты могли бы найти там интересные камни, датируемые временем формирования системы Земля-Луна.)

Действительно, посадка на астероид — задача недорогая, поскольку астероиды обладают чрезвычайно слабым гравитационным полем. (В этом также заключается причина того, что астероиды, как правило, не округлы, а отличаются неправильной формой. Все крупные объекты во Вселенной — звезды, планеты и спутники — круглы, потому что сила тяготения равномерно стягивает их к центру. Любая неправильность формы планеты постепенно сглаживается. Но сила тяжести на астероиде настолько слаба, что не может сжать астероид в шар.)

Одна из возможных целей такого полета — астероид Апофис, который в 2029 г. должен пройти угрожающе близко к Земле. Эта каменная глыба около 300 м в поперечнике, размером с большое футбольное поле, пройдет так близко к планете, что оставит снаружи некоторые из наших искусственных спутников. От взаимодействия с нашей планетой орбита астероида изменится, и если не повезет, в 2036 г. он может вновь вернуться к Земле; существует даже крошечный шанс (1 из 100 000), что он по возвращении попадет в Землю. Если бы такое действительно произошло, мощность удара равнялась бы 100 000 хиросимских бомб; при этом огненные смерчи, ударные волны и раскаленные обломки могли бы полностью опустошить территорию размером с Францию. (Для сравнения: гораздо менее крупный объект, размером, вероятно, с многоквартирный дом, упал в районе сибирской реки Подкаменная Тунгуска в 1908 г. и, взорвавшись с силой одной тысячи хиросимских бомб, повалил 2500 км2 леса. Ударная волна от этого взрыва чувствовалась на расстоянии нескольких тысяч километров. Кроме того, падение породило необычное свечение неба над Азией и Европой, так что в Лондоне ночью на улице можно было читать газету.)

Визит к Апофису не окажется слишком тяжким грузом для бюджета NASA, поскольку астероид так и так должен пролететь совсем рядом[39], но посадка на него может оказаться проблемой. Из-за слабого гравитационного поля астероида корабль должен будет не сесть на него в традиционном смысле, а скорее пристыковаться. Кроме того, он вращается неравномерно, так что перед посадкой необходимо будет произвести точные измерения всех параметров. Вообще, интересно было бы посмотреть, насколько твердым является астероид. Некоторые ученые полагают, что он может оказаться просто кучей камней, которые удерживает вместе слабое поле тяготения; другие считают его твердым. В один прекрасный день знания о плотности астероидов могут оказаться жизненно важными для человечества; не исключено, что когда-нибудь нам придется дробить астероид на куски при помощи ядерного оружия. Если летящая в космическом пространстве каменная глыба, вместо того чтобы рассыпаться в порошок, расколется на несколько крупных кусков, их падение на Землю может оказаться даже опаснее, чем падение астероида целиком. Может быть, лучше будет подтолкнуть астероид слегка изменить его орбиту раньше, чем он сможет подлететь близко к Земле.

Именно заоблачные цены на космические путешествия виной тому, что в настоящее время будущее пилотируемой космонавтики представляется настолько неопределенным. Джордж Буш, будучи президентом, в 2004 г. представил ясный, но довольно амбициозный проект космической программы. Во-первых, космический челнок Space Shuttle предполагалось отправить в отставку в 2010 г., а к 2015 г. заменить новой ракетной системой под названием Constellation («Созвездие»)[37]. Во-вторых, к 2020 г. предполагалось вернуться на Луну и со временем основать на спутнике нашей планеты постоянную обитаемую базу. В-третьих, все это должно было проложить дорогу к пилотируемому полету на Марс.

Однако даже за время после выдвижения плана Буша экономика космонавтики существенно изменилась, в основном из-за того, что Великая рецессия опустошила кошелек будущих космических путешествий. В докладе Комиссии Огастина, представленном в 2009 г. президенту Бараку Обаме, говорится, что при доступном уровне финансирования первоначальная программа невыполнима. В 2010 г. президент Обама осуществил соответствующие практические шаги, закрыв одновременно и программу Space Shuttle, и разработку замены для космических челноков, которая должна была подготовить почву для возвращения на Луну. В ближайшее время NASA, не имея собственных ракет для отправки наших астронавтов в космос, вынужденно будет полагаться на русских. С другой стороны, такая ситуация стимулирует усилия частных компаний по созданию ракет, необходимых для продолжения пилотируемой космической программы. NASA, отказавшись от своего славного прошлого, уже никогда не будет строить ракеты для пилотируемой программы[38]. Сторонники плана Обамы говорят, что он означает начало новой эры освоения космоса, где верх возьмет частная инициатива. Критики говорят, что реализация этого плана превратит NASA в «агентство без цели».

Если роботизированные космические аппараты, по всей видимости, и дальше будут открывать для нас новые горизонты космических исследований, то пилотируемым полетам предстоят трудные времена. Дело в том, что в сравнении с пилотируемыми миссиями роботы дешевы и универсальны; их можно посылать для исследования в опасные места; им не нужны дорогостоящие системы жизнеобеспечения, и самое главное — им совершенно не обязательно возвращаться.

Когда-то давно, в 1969 г., нам всем казалось, что астронавты вот-вот начнут исследовать Солнечную систему. Нил Армстронг и Базз Олдрин только что прогулялись по Луне, а люди уже мечтали о полете на Марс и дальше. Казалось, что человечество выходит на дорогу к звездам. Занималась заря новой эры!

А затем мечта рухнула.

Как написал позже фантаст Айзек Азимов, мы вышли на поле, забили гол, взяли мяч под мышку и ушли домой. Сегодня старые ракеты-носители «Сатурн» скучают в музеях или попросту гниют на свалках. Целое поколение лучших ученых-ракетчиков распустили по домам. Энергия космической гонки постепенно иссякла. Сегодня знаменитая прогулка по поверхности Луны упоминается только в пыльных исторических книгах[36].

Что произошло? Много чего, в том числе война во Вьетнаме, Уотергейтский скандал и т. п. Но если посмотреть в корень и избавиться от всего временного и несущественного, выяснится, что причина на самом деле одна: деньги.

Иногда мы забываем, что космические путешествия — дело очень дорогостоящее. Выведение всего одного фунта чего угодно на околоземную орбиту стоит 10 000 долларов. Представьте себе статую Джона Гленна из чистого золота в натуральную величину — и вы получите некоторое представление о стоимости подобных проектов. Полет на Луну потребовал бы около 100 000 долларов за фунт полезного груза. А полет к Марсу обошелся бы в 1 млн долларов за фунт (приблизительно на вес бриллиантов).

Тогда, в 1960-х, вопрос цены практически не рассматривался: все покрывало общее воодушевление и нарастание космической гонки с русскими. Зрелищные достижения храбрых астронавтов скрадывали цену космических полетов, тем более что обе стороны готовы были на многое, чтобы поддержать национальную честь. Но даже сверхдержавам не под силу нести такой груз в течение многих десятилетий.

Грустно это все! Прошло уже больше 300 лет с тех пор, как сэр Исаак Ньютон впервые записал законы движения, а мы по-прежнему находимся в плену простых вычислений. Чтобы закинуть объект на околоземную орбиту, его необходимо разогнать до скорости 7, 9 км/сек. Чтобы отправить объект в межпланетное путешествие и вывести за пределы действия поля тяготения Земли, надо придать ему скорость 11, 2 км/с (А чтобы достичь этой волшебной цифры — 11, 2 км/с, мы должны воспользоваться третьим законом динамики Ньютона: каждое действие порождает равное противодействие. Это означает, что ракета может ускоряться, выбрасывая в противоположном направлении раскаленные газы, примерно так же, как летает по комнате шарик, если надуть его и отпустить клапан.) Так что рассчитать стоимость космических путешествий по законам Ньютона совсем несложно. Не существует ни одного закона природы (ни физического, ни инженерного), который бы запрещал нам исследовать Солнечную систему; все дело в стоимости.

Но этого мало. Ракета должна нести на себе топливо, что существенно увеличивает ее нагрузку. Самолеты могут отчасти обойти эту проблему, захватывая кислород из атмосферы и направляя в двигатели. Но в космосе нет воздуха, и ракета должна нести с собой весь свой кислород и водород.

Помимо того, что данный факт делает космические путешествия весьма дорогим удовольствием, он является главной причиной того, что у нас нет ракетных ранцев и летающих автомобилей. Писатели-фантасты (но неученые) любят расписывать день, когда все мы наденем ракетные ранцы и полетим на работу — или отправимся на воскресный пикник на семейной летающей машине. Люди часто испытывают разочарование в футуристах, потому что их предсказания никогда не сбываются. (Именно поэтому вокруг так много статей и книг с циничными названиями вроде «Где мой ракетный ранец?».) Но чтобы понять причину, достаточно провести простое вычисление. Ракетные ранцы существуют; более того, нацисты даже пытались использовать их во время Второй мировой войны. Но перекись водорода, обычное в таких случаях топливо, быстро заканчивается, так что средний полет на ракетном ранце длится всего несколько минут. Точно так же летающие автомобили с вертолетными винтами сжигают жуткое количество топлива, что делает их слишком дорогими для обычного человека.

А вот еще один космический проект, который мог бы перевернуть наши представления об окружающем мире. Это лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) и то, что придет вслед за ней. Не исключено, что аппараты, подобные этому, смогут сделать невозможное: выяснить, что происходило до Большого взрыва.

Астрономы довольно давно сумели измерить скорость, с которой от нас отдаляются далекие галактики. (Измеряется эта величина по допплеровскому сдвигу, т. е. по изменению длины световых волн от объектов, которые быстро приближаются к нам или быстро от нас удаляются.) Таким образом, нам известна нынешняя скорость расширения Вселенной. Если же «отмотать пленку назад», можно вычислить, когда именно оно началось. Именно таким способом ученые определили, что Большой взрыв имел место 13, 7 млрд лет назад. Проблема, однако, в том, что самый продвинутый нынешний аппарат — WMAP (зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона) — способен заглянуть в прошлое и посмотреть, что творилось во Вселенной примерно через 400 000 лет после взрыва. О том же, почему произошел Большой взрыв, что его вызвало и что именно взорвалось, не может пока сказать никто.

Именно поэтому проект LISA вызывает такой интерес. Предполагается, что эта антенна будет регистрировать совершенно новый тип излучения: гравитационные волны, рожденные непосредственно в момент Большого взрыва.

Каждый новый вид излучения, который человечеству удавалось превратить в инструмент познания, менял не только физические формулы, но и наш взгляд на мир. Когда Галилей впервые использовал оптический телескоп для изучения звезд и планет и составления карты звездного неба, родилась современная астрономия. Когда вскоре после Второй мировой войны появились радиотелескопы, перед нами возникла Вселенная взрывающихся звезд и черных дыр. Теперь же пришло время третьего поколения телескопов; вполне возможно, что эти аппараты, способные регистрировать гравитационные волны, раскроют перед нам еще более захватывающие перспективы и мы увидим мир сталкивающихся черных дыр, высших измерений и даже Мультивселенной.

Предварительно запуск этого космического аппарата запланирован на период с 2018 по 2020 г[35]. Согласно проекту LISA будет состоять из трех аппаратов, соединенных лазерными лучами и образующих в космосе гигантский треугольник со стороной около 5 млн км. Таким образом, это будет самый крупный прибор, когда-либо выведенный в космос. Аппараты системы LISA будут слегка покачиваться на гравитационных волнах, до сих пор блуждающих по Вселенной после Большого взрыва. Лазерные лучи, соединяющие аппараты, почувствуют любое возмущение, а специальные датчики позволят зарегистрировать частоту и другие характеристики этого возмущения. Если все получится, ученые смогут увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, — скажем, через одну триллионную долю секунды после него. (По Эйнштейну, пространство-время может растягиваться и изгибаться и напоминает по своим свойствам натянутое полотно. Любое серьезное возмущение во Вселенной, такое как столкновение черных дыр или Большой взрыв, рождает на этом полотне рябь, которая разбегается в разные стороны. Эта рябь, или гравитационные волны, слишком малы, чтобы их можно было заметить при помощи обычных инструментов, но система LISA будет достаточно большой и чувствительной, чтобы засечь вибрации, вызванные гравитационными волнами.)

Но LISA не только сможет зарегистрировать излучение от сталкивающихся черных дыр: не исключено, что при помощи этого инструмента нам удастся заглянуть и в довзрывную эпоху, что раньше считалось принципиально невозможным.

В настоящее время существует несколько теорий о том, что представляла собой эпоха до Большого взрыва; эти теории по большей части построены на основе теории струн — моей научной специальности. В одном сценарии наша Вселенная представляет собой гигантский пузырь непонятной природы, который непрерывно расширяется. Мы живем на оболочке этого гигантского пузыря (мы приклеены к ней, как мухи к липкой бумаге). Но наша Вселенная-пузырь существует в океане других пузырей-вселенных, образующих вместе так называемую Мультивселенную — что-то вроде вселенской пены. Время от времени эти пузыри могут сталкиваться (давая нам теорию «большого плюха»), а могут делиться на более мелкие пузыри и затем снова расширяться («вечная инфляция»). Каждая из довзрывных теорий предсказывает свой вариант поведения Вселенной после Большого взрыва и свой характер гравитационных волн в ней. LISA сможет измерить гравитационное излучение, возникшее после Большого взрыва, и сравнить его с различными предсказаниями теории струн. Таким образом, вполне возможно, что этот проект поможет физикам исключить или, наоборот, подтвердить некоторые из этих теорий.

Но даже если LISA окажется недостаточно чувствительной для этой тонкой задачи, с ней, может быть, справятся детекторы следующего поколения — такие как «Наблюдатель Большого взрыва» (ВВО).

Если все получится, эти космические системы помогут человечеству получить ответ на вопрос, который мучил ученых не одно столетие: откуда возникла наша Вселенная? Так что уже в обозримом будущем возможность получить достоверные данные о Большом взрыве может стать реальностью.

Надо заметить, что и в пределах Солнечной системы имеется весьма интересный и соблазнительный объект для будущих исследований: Европа. Много десятилетий считалось, что жизнь в любой солнечной системе возможна только в так называемой «зоне жизни», т. е. на определенном расстоянии от светила, где на планетах не слишком жарко и не слишком холодно и где существуют подходящие для обитания условия. На Земле так много драгоценной жидкой воды, потому что она находится от Солнца на правильном расстоянии. На планете вроде Меркурия жидкая вода мгновенно вскипела бы, поскольку Меркурий находится слишком близко к Солнцу. На Юпитере — замерзла бы, так как он расположен слишком далеко. А поскольку первые молекулы ДНК и белков зародились, скорее всего, именно в жидкой воде, долгое время все были уверены, что жизнь в Солнечной системе может существовать только на Земле и, возможно, еще на Марсе.

Однако астрономы ошибались. После того как мимо Юпитера и его лун пролетели два межпланетных аппарата «Вояджер», стало очевидно, что в нашей системе существует еще одно место, где могла бы с комфортом существовать жизнь: под ледяным покровом лун Юпитера. Очень быстро внимание астрономов привлекла Европа, один из четырех крупнейших спутников Юпитера, открытых в 1610 г. Галилеем. Поверхность этого спутника всегда покрыта ледяной коркой, зато под ней — жидкий океан. Океаны на Европе намного глубже земных, поэтому считается, что по суммарному объему они превосходят океаны Земли вдвое.

Ученые испытали настоящий шок, осознав, что в Солнечной системе существует еще один серьезный источник энергии, помимо Солнца. Поверхность Европы под ледяной коркой непрерывно греют приливные силы. По мере движения спутника вокруг планеты-гиганта ее притяжение сплющивает луну в разных направлениях, вызывая трение глубоко в ядре. Трение порождает тепло, которое, в свою очередь, плавит лед и обеспечивает существование стабильного океана жидкой воды.

Это открытие означает, что луны далеких от Солнца газовых гигантов могут оказаться более интересными объектами для исследования, чем сами планеты. (Вероятно, именно поэтому Джеймс Кэмерон выбрал в качестве места действия фантастического фильма «Аватар» 2009 г. спутник газового гиганта, схожего по размерам с Юпитером.) Внезапно число мест во Вселенной, потенциально подходящих для жизни, многократно умножилось.

Результатом этого замечательного открытия стал новый проект — «Миссия в систему Юпитер — Европа» (EJSM), запуск которого предварительно запланирован на 2020 г[34]. Предполагается, что аппарат выйдет на орбиту Европы и, возможно, приземлится на нее. Ученые, конечно, мечтают изучить Европу поподробнее и переправить на нее много сложной техники. Уже разработано немало методов поиска жизни подо льдом. Один из возможных проектов — Ice Clipper; авторы предлагают отправить к Европе орбитальный аппарат, который будет сбрасывать на лед металлические шары, а затем тщательно исследовать поднятые вверх тучи пара и обломков. Еще более амбициозный проект — запустить под лед подводную лодку-робота.

Интерес к Европе подогревается и последними открытиями на дне земных океанов. Так, до 1970-х гг. ученые в большинстве своем считали, что единственный источник жизненной энергии на Земле — Солнце. Однако в 1977 г. субмарина Alvin обнаружила свидетельства новых форм жизни, процветающих там, где никто прежде не подозревал об их существовании. Исследуя Галапагосский рифт, субмарина обнаружила на дне гигантских сидячих червей, мидий, ракообразных, двустворчатых моллюсков и другие формы жизни, использующие в качестве источника энергии вулканическое тепло. Везде, где есть энергия, может быть и жизнь; а подводные вулканические выходы, которые называют еще «черными курильщиками», представляют собой новый источник энергии в чернильной темноте океанских глубин. Более того, некоторые ученые предполагают, что первая ДНК образовалась не в каком-нибудь приливном водоеме на берегу тропического океана, а глубоко в море возле черного курильщика. Некоторые из самых примитивных (и, возможно, самых древних) форм ДНК найдены именно там — на дне океана. Может быть, и на Европе возле вулканических выходов на дне глобального океана могло зародиться что-нибудь вроде ДНК.

Пока мы можем лишь гадать о том, какие формы жизни могли сформироваться подо льдами Европы. Если жизнь там все же существует, то высшими формами ее, вероятно, должны являться водные животные, не знающие света и ориентирующиеся при помощи сонара; их вселенная ограничена ледяным «небом».

Одним из самых поразительных достижений космической программы до сих пор было исследование космоса при помощи роботов, невероятно расширившее горизонты человечества.

Первой и главной целью роботизированных миссий будущего должен стать поиск в космосе землеподобных планет, пригодных для жизни, — священного Грааля всей космической науки. До сих пор при помощи космических и наземных телескопов ученым удалось обнаружить в далеких звездных системах около 500 планет; теперь новые планеты находят постоянно, с интервалом в одну-две недели. Жаль только, что современные инструменты позволяют обнаруживать исключительно гигантские планеты вроде Юпитера, жизнь на которых — по крайней мере, такая, какой мы ее знаем, — невозможна.

Чтобы найти очередную планету, астрономы ищут звезду, в движении которой наблюдаются легкие колебания. Скорее всего, такая звезда представляет собой систему двух тел, вращающихся вокруг общего центра масс; одно из тел — звезда, ясно видимая в телескоп, другое — планета-гигант размером с Юпитер, свет от которой (отраженный) слабее звездного примерно в миллиард раз. Там, где местное светило и планета-гигант вращаются вокруг общего центра масс, земные телескопы различают лишь слегка колеблющуюся звезду. При помощи этого метода ученым удалось обнаружить в космосе не одну сотню газовых гигантов, но для поиска небольших планет земного типа он слишком груб.

Самая маленькая планета, которую удалось обнаружить при помощи наземных телескопов, была зарегистрирована в 2010 г.; по массе она превосходит Землю в 3–4 раза. Примечательно, что эта «сверхземля» — первая из обнаруженных планет, находящаяся в зоне жизни своей звезды, т. е. на расстоянии, которое допускает существование на ней жидкой воды.

Ситуация изменилась с запуском в 2009 г. американского космического телескопа Kepler, а в 2006 г. — французского аппарата COROT. Эти обсерватории занимаются поиском крохотных флуктуаций в блеске звезд, которые могут быть вызваны прохождением небольшой планеты перед диском своей звезды, — в этот момент ее свет в какой-то небольшой степени блокируется. Тщательно просканировав тысячи звезд в поисках этих крохотных изменений яркости, Kepler и COROT смогут, вероятно, обнаружить в дальнем космосе сотни землеподобных планет. Затем каждую из них можно будет проанализировать на предмет наличия там жидкой воды — пожалуй, самого ценного вещества во Вселенной. Вода — универсальный растворитель и волшебный котел, в котором, вероятно, возникла первая ДНК. Если на некоторых экзопланетах будут обнаружены океаны из жидкой воды, наши представления о жизни во Вселенной могут измениться.

Журналисты — охотники за скандалами говорят: «Следуй за деньгами», но астрономы, занимающиеся поисками внеземной жизни, скажут иначе: «Следуй за водой».

Позже Kepler будет заменен другими, более чувствительными космическими аппаратами, такими как «Искатель землеподобных планет» (TPF)[32]. Хотя дата запуска этого аппарата откладывалась уже несколько раз, он по-прежнему остается наилучшим кандидатом на продолжение в будущем исследований Kepler.

Предполагается, что оптика на «Искателе» будет намного лучше и искать в космосе двойников Земли ему станет проще. Во-первых, на нем будет вчетверо большее по размеру и в сто раз более чувствительное[33] зеркало, чем на Космическом телескопе имени Хаббла. Во-вторых, он будет снабжен инфракрасными датчиками, при помощи которых можно ослабить излучение звезды в миллион раз и выявить, соответственно, присутствие рядом с ней тусклой планеты. (Чтобы добиться такого эффекта, аппарат измеряет излучение звезды на двух разных длинах волн и определенным образом комбинирует их, чтобы они в точности компенсировали друг друга; таким образом можно как бы убрать с картинки лишнее изображение — звезду.)

Итак, в самом недалеком будущем у нас появится каталог из нескольких тысяч планет, из которых, возможно, несколько сотен окажутся весьма похожими на Землю по размеру и составу. Это, в свою очередь, подогреет интерес к отправке в дальний космос зондов для исследования таких планет. Множество ученых сосредоточат свои усилия на том, чтобы определить, есть ли на этих планетах океаны из жидкой воды и какое-то радиоизлучение — возможно, сигналы разумных форм жизни.

Мы достаточно долго медлили, оставаясь на берегах космического океана. Теперь мы наконец готовы поднять паруса и отправиться к звездам.

Карл Саган

Боги древних мифов разъезжали по небесным полям Олимпа на волшебных летающих колесницах. Боги Севера ходили по небесным морям в Асгард на быстрых северных кораблях-драконах.

Точно так же и мы — к 2100 г. человечество будет стоять на пороге новой эры космических исследований: полетов к звездам. Человек издавна мечтал о звездах; ночью эти небесные огоньки кажутся такими близкими! До сих пор добраться до них можно было только в мечтах, но к концу века именно звезды будут находиться в фокусе внимания ученых-ракетчиков.

Однако дорога к звездам будет нелегкой. Человечество подобно легендарному герою, который головой достигает облаков, а вытянутыми руками дотягивается до звезд, но ноги его по-прежнему в грязи. С одной стороны, этот век станет свидетелем новой эры роботизированного освоения космоса: мы будем посылать аппараты в космос на поиски землеподобных планет, исследовать луны Юпитера и, возможно, даже получим достоверную картину первых минут после Большого взрыва. С другой стороны, что пилотируемое освоение дальнего космоса, о котором думали многие поколения пророков и мечтателей, многим принесет разочарование.

К концу текущего века появится, вероятно, и еще один источник энергии — энергия космических солнечных электростанций. Ее добыча подразумевает отправку в космос и выведение на околоземную орбиту сотен спутников, которые будут поглощать солнечное излучение и передавать энергию на Землю в виде микроволнового излучения. Спутники будут базироваться на расстоянии 36 000 км над земной поверхностью, на геостационарной орбите (это означает, что они будут делать один оборот вокруг Земли ровно за сутки и, соответственно, будут все время висеть над одной и той же точкой поверхности). Поскольку известно, что до поверхности Земли доходит лишь восьмая часть солнечной энергии, такой подход представляется вполне реальным и даже выгодным.

В настоящее время главным камнем преткновения в деле добычи космической энергии является стоимость проекта и, главное, стоимость запуска всех этих космических коллекторов. Ничто в законах природы не запрещает добывать энергию непосредственно от Солнца, но для реализации масштабного проекта такого рода потребуется решить огромное множество технических и экономических проблем. Но если к концу века появятся новые дешевые способы космических путешествий, его вполне можно будет осуществить, как мы убедимся в главе 6.

Первое серьезное предложение о добыче космической солнечной энергии прозвучало в 1968 г., когда Питер Глейзер (Peter Glaser), президент Международного общества солнечной энергии, предложил вывести на орбиту спутники размером с современный город, которые затем передавали бы энергию на Землю энергетическим лучом. В 1979 г. ученые NASA проанализировали его предложение и выяснили, что стоить такой проект будет несколько сотен миллиардов долларов. Естественно, проект был отвергнут.

Однако в космической отрасли постоянно происходят подвижки, появляются новые технологии, поэтому с 1995 по 2003 г. NASA продолжало финансировать небольшие исследовательские проекты по космической энергетике. Ее сторонники утверждают, что реализация проекта — всего лишь вопрос времени. «Космическая энергетика предлагает поистине надежный, глобальный и не загрязняющий окружающую среду источник электричества», — говорит Мартин Хофферт (Martin Hoffert), физик, работавший прежде в Нью-Йоркском университете.

Такой амбициозный проект неизбежно столкнется с серьезными проблемами, как реальными, так и воображаемыми. Некоторые испытывают перед ним страх, потому что энергетический луч, по которому энергия будет передаваться из космоса на Землю, может быть случайно направлен в населенную местность, что вызовет громадные жертвы. На самом деле подобные страхи сильно преувеличены. Если рассчитать реальное излучение, которое будет приходить на землю из космоса, оно окажется слишком слабым и не опасным для здоровья. Так что образ взбесившегося спутника, посылающего с орбиты на Землю лучи смерти и поджаривающего целые города, пригоден только для голливудских кошмаров.

В 2009 г. писатель-фантаст Бен Бова изложил в газете Washington Post соблазнительную экономику солнечного энергетического спутника. Он оценил, что каждый спутник будет производить 5–10 ГВт энергии (это намного больше, чем производит традиционная угольная станция) по цене 8–10 центов за кВт-ч, что сделает эту энергию конкурентоспособной. Каждый спутник будет огромен, около 1, 5 км в поперечнике, и обойдется примерно в миллиард долларов (приблизительно во столько обходится средняя атомная станция).

Чтобы запустить эту технологию, он предложил нынешней администрации инициировать демонстрационный проект и запустить спутник, который будет генерировать 10–100 МВт. Гипотетически, если начать реализацию проекта не мешкая, такой спутник мог бы быть запущен к концу второго президентского срока президента Обамы.

Будто отзываясь на комментарии американского фантаста, японское правительство озвучило крупную инициативу. В 2009 г. Министерство торговли объявило о планах по изучению реализуемости проекта космических электростанций. Mitsubishi Electric и другие японские компании совместно профинансируют программу стоимостью 10 млрд долларов; возможно, в космос будет запущена солнечная электростанция мощностью 1 ГВт — громадный спутник площадью в несколько квадратных километров, полностью облицованный солнечными батареями.

«Похоже на фантастический мультик, но производство солнечной энергии в космосе через 100 лет, когда ископаемое топливо закончится, может стать значительным альтернативным источником энергии», — говорит Кенсукэ Канэкиё (Kensuke Kanekiyo) из Института экономики энергетики — правительственной исследовательской организации.

Учитывая размах этого амбициозного проекта, японское правительство пока ведет себя очень осторожно. Следующие четыре года исследовательская группа будет изучать, насколько этот проект реализуем с научной и экономической точек зрения. Если эта группа даст добро, Министерство торговли и Аэрокосмическое исследовательское агентство Японии планируют запустить в 2015 г. небольшой спутник для испытания технологий передачи энергии из космоса на Землю.

Вероятно, основное препятствие здесь будет не научным, а экономическим. Хироси Ёсида (Hiroshi Yoshida) из токийской компании Excalibur КК, занимающейся космическим консалтингом, предупредил: «Расходы необходимо снизить в сто раз относительно нынешних оценок». Одна из проблем состоит в том, что расстояние до геостационарных спутников (36 000 км) очень велико, гораздо больше, чем 300–800 км до низкоорбитальных аппаратов, и потери при передаче энергии лучом на такие расстояния могут оказаться огромными[31].

И все же основная проблема — стоимость запусков. Именно здесь самое узкое место, именно это тормозит все планы возвращения на Луну и полетов на Марс.

Если стоимость ракетных пусков не будет кардинально снижена, любые планы развития космической энергетики обречены на неудачу.

В том случае, если все сложится удачно, японский план может вступить в действие примерно к середине столетия. Учитывая, однако, проблему с запусками, его реализации скорее всего придется ждать до конца века, когда появятся новые поколения ракет и стоимость запусков упадет. С другой стороны, если главная проблема космической энергетики — стоимость ракетных запусков, то возникает следующий вопрос: можем ли мы снизить стоимость космических путешествий так, чтобы когда-нибудь достичь звезд?

В первую очередь дешевые и удобные сверхпроводники найдут себе применение на транспорте, где неизбежна настоящая революция; появятся автомобили и поезда, которые будут парить над поверхностью, а значит, двигаться без всякого трения.

Представьте себе поездку в машине, сделанной с применением сверхпроводников при комнатной температуре. Дороги тогда будут покрывать не асфальтом, а сверхпроводником. В машине будет либо постоянный магнит, либо собственный сверхпроводник, генерирующий магнитное поле. Машина будет парить над дорогой. Для того чтобы начать движение, ей будет достаточно даже силы сжатого воздуха. Раз набрав скорость, она (если дорога горизонтальна) будет скользить вперед почти бесконечно. Электрический двигатель или струя сжатого воздуха будет работать только на преодоление сопротивления воздуха — и это все!

Даже теперь, когда ученым неизвестны сверхпроводники при комнатной температуре, в некоторых странах действуют железные дороги для поездов на магнитной подвеске, парящих над рельсами. Здесь левитация основана на том, что одинаковые (к примеру, северные) полюса магнитов отталкиваются друг от друга. Магниты в рельсах и в днище поезда организованы таким образом, что позволяют поезду парить над самой поверхностью рельсов.

Лидерами в этом направлении являются Германия, Япония и Китай. Поезда на магнитной подвеске успели уже поставить несколько мировых рекордов. Первым коммерческим поездом на магнитной подвеске стал довольно медленный челночный поезд, соединивший международный аэропорт и железнодорожный вокзал в Бирмингеме; маршрут начал действовать в 1984 г. Самая высокая скорость поезда на магнитной подвеске, составляющая 581 км/ч, зарегистрирована в Японии на поезде MLX01 в 2003 г. (Реактивные самолеты летают быстрее отчасти потому, что на больших высотах сопротивление воздуха меньше. Поскольку поезд на магнитной подвеске парит в воздухе, энергию он тратит в основном на преодоление трения о воздух. Если бы такой поезд ездил в вакууме, он мог бы развивать скорость до 6500 км/ч.) Но такие поезда обходятся очень дорого и вряд ли найдут широкое распространение в мире. Сверхпроводники при комнатной температуре могли бы полностью изменить ситуацию. В частности, они могли бы оживить систему железных дорог в США и уменьшить таким образом эмиссию парниковых газов от двигателей реактивных самолетов. Согласно оценкам, самолетные двигатели ответственны примерно за 2 % парниковых газов, и поезда на магнитной подвеске могли бы серьезно уменьшить эту долю.