Рэндалл Манро - А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы

Прости, Wolfram.

Все на выход!

ВОПРОС: А что, если запустить все человечество в космос? Хватит ли у нас для этого энергии?

ОТВЕТ: Есть много научно-фантастических фильмов, в которых показано, как человечество из-за загрязнения, перенаселения или ядерной войны покидает Землю.

Но запуск человека в космос – дело непростое. Если не рассматривать сценарии массового сокращения численности популяции Homo sapiens, то возможно ли чисто технически отправить все человечество в космос? Давайте даже оставим в стороне вопрос о том, куда мы направляемся: предположим, что искать новый дом человечеству не обязательно, но оставаться на Земле больше нельзя.

Чтобы рассчитать такую возможность, начнем с минимальной энергии, которая для этого потребуется: 4 гигаджоуля на человека. Неважно, как мы выйдем в космос: при помощи ракеты, пушки, космического лифта или лестницы, – перемещение человека (или любого другого объекта) весом 65 кг за пределы земной гравитации потребует как минимум этого количества энергии.

Что такое 4 гигаджоуля? Это около мегаватт-часа – столько электричества типичный дом в США потребляет за месяц-два. Это эквивалентно количеству энергии, содержащемуся в 90 кг бензина или микроавтобусе, полном пальчиковых батареек.

Четыре гигаджоуля, умноженные на семь миллиардов человек, – это 2,8×1018 Дж, или 8 петаватт-часов, то есть примерно 5 % ежегодного мирового потребления энергии. Много, но вполне реально.

Однако 4 гигаджоуля – это лишь минимум. На практике все зависит от выбранного нами способа транспортировки. Используй мы, например, ракеты, потребовалось бы значительно больше энергии. Это связано с фундаментальной проблемой ракетостроения – ракета, помимо прочего, вынуждена поднимать и собственное топливо.

Вернемся на секунду к 90 кг бензина, поскольку они помогут проиллюстрировать эту центральную проблему космонавтики.

Если мы хотим запустить космический корабль весом 65 кг, нам нужна энергия, которую могут выделить примерно 90 кг топлива. Мы загружаем это топливо на борт – и теперь наш корабль весит 155 кг. Корабль весом 155 кг требует 215 кг топлива, так что мы загружаем еще 125 кг…

К счастью, от этого бесконечного порочного круга – добавлению новых 1,3 кг топлива на каждый уже добавленный килограмм – спасает тот факт, что нам нет необходимости тащить все это топливо с собой до самой орбиты. Оно сгорает в полете, наша ракета становится все легче и ей требуется все меньше топлива. Формула, показывающая, сколько топлива нам нужно сжечь, чтобы двигаться с заданной скоростью, называется формулой Циолковского:

где mнач и mкон – это масса корабля с топливом до и после того, как оно будет отработано, а νсож – это удельный импульс топлива (для ракетного топлива составляет от 2,5 до 4,5 км/с).

Для нас важно соотношение между Av (скорость, с которой мы хотим двигаться) и νсож (скорость, с которой топливо выходит из ракеты). Чтобы покинуть Землю, ∆v должно быть выше 13 км/с, а νсож – порядка 4,5 км/с, что дает соотношение массы топлива к массе корабля по меньшей мере e13/4,5 ≈ 20. Если это соотношение равно x, то для запуска одного килограмма массы нам потребуется ех килограммов топлива.

Это означает, что по мере возрастания х этот объем будет становиться все больше. В результате для преодоления гравитации Земли кораблю весом в одну тонну, использующему обычное ракетное топливо, потребуется 20–50 тонн топлива. Таким образом, для запуска в космос всего человечества (общий вес – около 400 млн тонн) потребуются десятки миллиардов тонн топлива. Это много: используй мы углеводородное топливо, это была бы немалая часть оставшихся в мире запасов нефти. И мы еще не учли вес самого корабля, еды, воды и наших домашних животных[82]. Кроме того, нам потребуется топливо, чтобы построить эти корабли, доставить людей к месту запуска и так далее. Это не то чтобы совершенно невозможно, но все-таки уже выходит за рамки реального.

Но ракеты – не единственный вариант. Как бы безумно это ни звучало, возможно, лучше было бы попробовать 1) буквально залезть в космос с помощью троса или 2) вылететь с планеты на волне ядерного взрыва. Это вполне возможные – пусть и крайне рискованные – способы запуска, и оба они обсуждались с самого начала космической эры.

Первый подход – это «космический лифт», излюбленный сюжет авторов научной фантастики. Иде я заключается в том, что мы прицепляем трос к спутнику, находящемуся на достаточно далекой орбите, чтобы трос туго натянулся за счет центробежной силы. Затем мы можем отправить людей вверх по веревке при помощи обычного электричества и моторов, работающих от солнечной энергии, ядерных генераторов или чего-нибудь еще, что окажется наиболее эффективным. Сложнее всего с инженерной точки зрения подобрать для троса достаточно прочный материал – он должен быть прочнее любого материала, имеющегося в нашем распоряжении сегодня. Есть надежда, что материалы, созданные на основе углеродных нанотрубок, предоставят нам нужную прочность, так что наш немалый список инженерных задач пополняется еще одной, которую мы собираемся решить с помощью приставки «нано».

Второй вариант – использование импульса ядерного взрыва, что на удивление эффективно для быстрого перемещения большого количества материи. Вкратце идея состоит в том, что вы бросаете у себя за спиной ядерную бомбу и летите на ударной волне. На первый взгляд может показаться, что корабль должен испариться при взрыве, но выясняется, что, если у него есть защитный экран хорошо продуманной конструкции, то энергия взрыва будет отражена прежде, чем она успеет что-либо разрушить. Если бы эту технологию удалось сделать достаточно надежной, то можно было бы поднимать на орбиту целые городские кварталы и – теоретически – осуществить наш проект.

Инженерные идеи, которые лежат в основе этой технологии, считались достаточно убедительными для того, чтобы в 1960-х годах правительство США действительно попыталось построить такой корабль. Эти работы получили название «Проект «Орион», ими руководил Фримен Дайсон и история проекта изложена в отличной одноименной книге, которую написал сын Фри-мена Джордж. Сторонники импульса ядерного взрыва как космической технологии по-прежнему весьма разочарованы, что проект был прекращен еще до стадии строительства первого прототипа. Их оппоненты утверждают, что если как следует вникнуть в эту ужасающую идею – засунуть гигантский ядерный арсенал в ящик, подбросить высоко в атмосферу и несколько раз взорвать, – то становится ясно, что проект и так зашел слишком далеко.

Так что ответ на вопрос Колина следующий: хотя отправить одного человека в космос сравнительно легко, на все человечество придется максимум наших ресурсов и, возможно, уничтожить планету.

Маленький шаг для человека, но большой – для всего человечества.

Странные (и тревожные) вопросы из папки «Входящие» сайта «А что, если?»

ВОПРОС: В фильме «Тор» главный герой вращает молот так быстро, что возникает сильный торнадо. Возможно ли это?

ВОПРОС: Если не целоваться всю жизнь, а потом использовать всю накопленную силу в одном поцелуе, какая у него будет всасывающая сила?

ВОПРОС: Сколько ядерных ракет нужно запустить в Соединенные Штаты Америки, чтобы полностью превратить их в пустыню?

Самооплодотворение

ВОПРОС: Я читал, что сперматозоиды пытаются создать из стволовых клеток костного мозга. А что, если создать сперматозоиды из стволовых клеток женщины и она же от них забеременеет? Кем она будет приходиться своему ребенку?

ОТВЕТ: Чтобы создать человека, нужно объединить два набора ДНК.

У человека эти два набора содержатся в сперматозоиде и яйцеклетке, причем в каждой такой клетке содержится случайный образец ДНК родителя (о случайности – чуть ниже). У Homo sapiens эти клетки принадлежат двум разным людям. Однако это необязательно должно быть так. Стволовые клетки, которые могут сформировать любой вид ткани, можно использовать для создания сперматозоидов (или яйцеклеток).