Валерий Родиков - Приключения радиолуча
Для сравнения с сегодняшней реальностью приведем данные по летающей ныне американской станции «Вояджер-2», которая была запущена в августе 1977 года. В августе 1989 года станция достигнет планеты Нептун, которая находится от нас на расстоянии в 10 тысяч раз большем, чем Луна. Ну а ближайшая к Солнцу звезда проксима Центавра еще в 10 тысяч раз дальше: она удалена от нас на 40 триллионов километров или на 4,3 светового года. «Вояджер-2» покинет Солнечную систему со скоростью 58 тысяч километров в час. Чтобы долететь до ближайшей звезды, ему потребуется 80 тысяч лет…
Как превозмочь чудовищную бездну? Различные проекты фотонных ракет, суперкораблей со сменой поколений космонавтов оказываются при ближайшем рассмотрении практически неосуществимыми. И все же в более или менее отдаленном будущем возможно достигнуть звездных далей в приемлемый для жизни одного поколения людей срок. В основе утверждения лежит реальная в принципе идея, правда, в наши дни она еще может показаться фантастической.
Речь идет о межзвездной автоматической станции. И это естественно, ведь в космос, прежде чем стартовал человек, был запущен спутник. Наверняка и к ближайшей нам звезде проксима Центавра первым полетит автоматический корабль. Только устремит его к звезде-соседке не ракета, а парус. Да, забытый парус. Подобно каравеллам Колумба, пустившимся искать Новый Свет, к звездным далям, возможно, отправится космический парусник. Но вот попутный ветер будет для него необычным — радиоволны.
Со школьной скамьи мы знаем о том, что солнечный свет оказывает давление. В учебниках физики описывается выдающийся опыт русского физика А. Н. Лебедева, поставленный в 1899 году: солнечные лучи вращают лопасти вертушки созданного ученым прибора. Эксперимент был неотразим. У современников Лебедева сомнений больше не было: световое давление — не теоретическая иллюзия из уравнений Максвелла, оно действительно существует.
Доказательство существования светового давления послужило в свое время источником многих гипотез, в том числе модной и поныне идеи панспермии. Еще при жизни Лебедева шведский ученый Сванте Аррениус попытался объяснить возникновение жизни на Земле пришествием мельчайших зародышей и спор простейших организмов из других миров. Он доказал, что они могут выталкиваться за пределы планетных систем световым давлением. Расчеты были правильны, свет звезд и солнц действительно мог служить космическим транспортом для мельчайших частиц.
В 1920-х годах К. Э. Циолковский и Ф. А. Цандер высказали идею космического паруса, движимого солнечным светом. Потом эта мысль перекочевала на страницы научно-фантастических книг, а затем и в технические проекты инженеров. По мнению специалистов, уже до конца столетия поднимутся солнечные паруса космической каравеллы.
Но на солнечном ветре к звездам не улетишь. Чем дальше от Солнца, тем слабее его лучи, то есть применение парусников ограничивается пределами Солнечной системы. А нельзя ли создать искусственно мощный источник света и надуть им паруса звездной каравеллы? Такой прибор есть — лазер. Правда, лазер должен быть довольно мощным. В США в настоящее время ведутся работы по созданию лазеров с большой мощностью излучения, но, к сожалению, они предназначаются для «звездных войн». А ведь их энергией можно было наполнить звездные паруса…
Для первого знакомства с миром соседней звезды больше подойдет не луч лазера, а микроволновый радиолуч. Да, радиоволны, как и свет, тоже «давят», ведь они со светом из одной «породы» — электромагнитных излучений. По теории, давление электромагнитных волн пропорционально энергии их кванта, то есть энергии тех элементарных доз излучения, из которых складывается электромагнитный поток.
Так вот, энергия кванта тем больше, чем меньше длина волны, или иначе, чем выше частота колебаний. Даже в самой «мощной» части микроволнового диапазона— у субмиллиметровых волн — энергия кванта в сотни, тысячи раз слабее, чем у кванта света. Но, несмотря на это, именно радиоволны прочат на роль космического ветра для первого звездного парусника.
Дело в том, что для «радиоветра» парус можно сделать «дырявым» — из тонкой сетки, а следовательно, и более легким. Для света же такой парус был бы прозрачным, ему нужен сплошной листовой материал.
Идею использовать микроволновое излучение в качестве движущей силы межзвездного корабля высказал американский физик Фримэн Дайсон. Сфера, названная его именем, — традиционный пример астроинженерной деятельности. В 1984 году Роберт Форвард привнес в идею Дайсона наиболее передовые достижения компьютерной техники. В результате такого объединения родился проект межзвездного аппарата «Старуисп». Он мало похож на сегодняшние космические корабли. Это просто парус, имеющий километр в поперечнике, а весящий всего 20 граммов!
Парус соткан из тончайшей проволоки в виде множества шестиугольных ячеек. В 10 триллионах пересечений ячеек расположены микроэлектронные схемы (маленькие ЭВМ), которые образуют в целом сверхмощную ЭВМ параллельного действия. Кроме того, каждая микросхема чувствительна к свету и может работать как крошечная телекамера.
Ввиду своей хрупкости парусник будет монтироваться в космосе, например, за орбитой Марса. А космический ветер для паруса создает мазер — молекулярный, или, иначе, квантовый, генератор СВЧ-радиоволн. Мазер работает по тому же принципу, что и лазер, только диапазон излучения другой — микроволновый.
Хотя устройство мазера много сложнее, чем лазера, но открыли его раньше. Вплотную подошел к созданию квантовых усилителей-генераторов советский ученый В. А. Фабрикант. Еще в 1940 году он провел теоретические исследования и сделал, правда, неудачные, экспериментальные попытки усилить СВЧ-колебания в парах цезия. Сейчас кажется даже удивительным, что науке пришлось совершить такой зигзаг на пути к оптическому мазеру — лазеру. Его и назвали-то по аналогии с мазером, заменив лишь первую букву «м» (начальная буква английского написания слова «микроволновый») на «л» (начальная буква английского написания слова «свет»).
Интересно, что через десять лет, после того как заработал лабораторный мазер (а его создали независимо в СССР — группа ученых под руководством Н. Г. Басова и А. М. Прохорова и в США — группа ученых под руководством Ч. Таунса), в галактических туманностях был открыт естественный мазер. Представим, что лабораторный мазер не был бы создан в 1954 году. Все равно он был бы неизбежно открыт позже благодаря радиоастрономическим наблюдениям.
Разместить мазер предполагается на спутнике на околоземной орбите, а энергию дадут ему солнечные батареи, находящиеся тут же, на орбите. Чтобы радиоволны «толкали» парус, мощность излучения мазера должна составлять 20 гигаватт (миллионов киловатт), немного меньше мощности пяти Братских ГЭС.
Радиолуч направляется и фокусируется на космическом парусе специальным устройством в виде линзы Френеля, названной так по имени создателя ее оптического варианта выдающегося французского ученого Жана Френеля. Он опробовал свою систему линз в 1823 году на маяке Кордуан в устье Жиронды, одном из самых древних в мире действующих маяков. Время его рождения уходит в эпоху Карла Великого. Кстати, оптические линзы Френеля применяют до сих пор на многих маяках, а также в маячковых и сигнальных фонарях.
Размер космической линзы огромен — около 50 тысяч километров (четыре земных диаметра!). Состоит линза из чередующегося набора концентрических колец из проволочной сетки и пустых кольцевых зон. Радиусы колец подобраны так, чтобы радиоволны, проходящие через пустые кольца, собирались воедино на парусе «Старуиспа». Помогут и микросхемы, расположенные в узлах пересечения проволочных ячеек паруса. Они будут так управлять электропроводимостью сетчатого полотна, чтобы радиолуч давил на него с максимально возможной силой.
И понесется подгоняемая радиофотонами космическая каравелла. Всего за неделю разгонится она до одной пятой скорости света. Такое стремительное ускорение, в 155 раз превышающее ускорение свободного падения, сообщит ей радиолуч. Через неделю работы мазер выключится.
Через 17 лет аппарат преодолеет три четверти расстояния до проксимы Центавра. Тогда центр управления полетом включит мазер и направит радиолуч на парус. Радиоволны достигнут аппарата примерно через четыре года, и хотя за столь длинное путешествие луч порастеряет свою энергию, ее все-таки будет достаточно, чтобы переключить все 10 триллионов микросхем в режим фотоприемников. Парус превратится в огромный искусственный «глаз», который сможет наблюдать неизвестный мир нашей звездной соседки.
На скорости 60 тысяч километров в секунду «Старуисп» промчится мимо проксимы Центавра всего лишь за 40 часов. За это время он пройдет около девяти миллиардов километров — расстояние, равное диаметру орбиты Нептуна. Каждую секунду в сорокачасовом сеансе будет фиксироваться 25 изображений с высокой разрешающей способностью. С такой же скоростью происходит передача изображений в телевидении.
