Серия «Космос»

Мы с вами живём на дне колодца. Глубокого гравитационного колодца, выбраться из которого нам удалось только в 1957 году с запуском первого искусственного спутника Земли. С тех пор мы используем химические ракеты, чтобы доставить на орбиту грузы и людей.

Нам не повезло родиться на планете со сравнительно высокой силой тяжести. Чтобы её преодолеть, подняться выше атмосферы и разогнаться достаточно, чтобы остаться на орбите и не упасть обратно на Землю, необходимо, чтобы наш двигатель смог разгонять наш груз с нуля до скорости 7,9 км/с, при этом ещё потерять на сопротивлении атмосферного воздуха 1,5 – 2 км/с. (Именно поэтому космические ракеты стартуют вертикально вверх, а не под углом к горизонту, как казалось бы выгоднее)

Чтобы этого достичь, мы вынуждены сжигать огромное количество топлива. Космическая ракета – по большому счёту – большой топливный бак. В наилучших конструкциях, отношение массы полезной нагрузки к массе ракеты достигает всего 7–8%. Остальная масса – топливо. При этом мы подошли почти вплотную к теоретическому максимуму для химического топлива, а это значит, что надеяться на то, что в будущем какие-либо инновации позволят нам создавать ракеты с большей массовой долей полезной нагрузки, не приходится.

С другой стороны, нам в чём-то даже повезло, потому что, если бы диаметр Земли был всего в 1,5 раза больше, порядка 20 тыс. км, то мы бы вообще не смогли выйти в космос, так как никакое химическое топливо не дало бы нам необходимую характеристическую скорость.

Сейчас мы не можем строить космические поселения, потому что очень дорого. Лишь немногие государства могут себе позволить космическую промышленность, и до сих пор стоимость запусков исчисляется миллионами долларов, а возможности для начала крупномасштабных строек на орбите Земли, требующих вывода на орбиту десятков, сотен, не говоря уже о миллионах тонн груза, попросту отсутствуют.

При этом, колонизация космоса (во всяком случае – Солнечной системы) была бы относительно простым делом, если бы только мы смогли преодолеть главный барьер – найти дешёвый способ массово поднимать грузы на орбиту.

Сегодня я хочу рассмотреть несколько альтернатив химическим ракетам, хотя бы теоретически способных решить данную проблему.

Космический лифт

Одной из таких возможностей может стать космический лифт. Идея довольно проста – нам «всего-то» нужен трос (или несколько тросов) длиной чуть более высоты геостационарной орбиты (35 786 км), привязанный к какому-либо противовесу (астероиду или даже космической станции). По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли. Проблема в том, что сейчас нет достаточно лёгкого, и, в то же время, прочного материала, способного выдержать хотя бы собственный вес, не говоря уже о какой-либо дополнительной нагрузке.

Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65—120 гигапаскалей. Для сравнения, прочность большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Этих фактов было достаточно, чтобы скептики похоронили данную технологию, отнеся её к ряду «фантастических», однако в современном материаловедении в последнее время наблюдаются определённые подвижки. Так, однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм. Эксперименты учёных из Технологического университета Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины. В июне 2013 года инженеры из Колумбийского университета США сообщили о новом прорыве: благодаря новой технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10 % меньше теоретической.

Следует так же отметить, что хотя мы пока и не можем создать космический лифт на Земле, мы уже сейчас можем создать подобное сооружение, например, на Луне или Марсе, где сила тяжести гораздо меньше.

Поскольку самым большим препятствием для нас в этой идее является длина троса в 37 тыс. км, давайте посмотрим, можно ли эту длину сократить?

Орбитальное кольцо

В некотором отношении, это сооружение даже лучше космического лифта (мне, во всяком случае, оно наиболее симпатично), хотя и не так «распиарено». Напряжения в этой конструкции на порядки меньше и вполне по силам существующим конструкционным материалам. Данное сооружение, как и следует из названия, представляет собой гигантское кольцо вокруг экватора на высоте несколько сотен километров.

После его строительства (которое действительно потребует весьма серьёзных капиталовложений), стоимость доставки грузов на орбиту не будет превышать текущую стоимость коммерческих авиаперевозок.

Как же это работает? Наиболее просто данную технологию реализовать, если просто вывести на орбиту длинный закольцованный проводник, который вращается вокруг Земли с орбитальной скоростью. Если пропустить по нему электрический ток, то мы сможем создать левитирующую на магнитной подушке «тележку», которая, двигаясь относительно кольца, будет в то же время неподвижна относительно точки земной поверхности под ней. С данной тележки можно спустить трос до поверхности. Данный трос (вернее, несколько тросов) стабилизируют кольцо на месте, а так же играют роль транспортной магистрали до орбиты (по аналогии с космическим лифтом). В отличие от космического лифта, длина такого троса должна составлять всего несколько сотен километров, а следовательно – мы уже сейчас располагаем материалами, способными выдержать подобные нагрузки.

Одной из замечательных особенностей данной конструкции является так же и то, что кольцо не обязательно делать вокруг экватора, его можно провести через любые точки земного шара, а так же можно сделать несколько колец.

В дальнейшем, кольцо можно модернизировать, превратив его в трубу, внутри которой расположить сверхпроводящие магниты. Данные трубы можно использовать для перемещения материи, а так же как гигантский ускоритель частиц (по сравнению с которым БАК покажется детской игрушкой).

С уменьшением стоимости подъёма груза, строительство дополнительных сооружений на орбите значительно облегчится, что позволит соорудить дополнительные кольца, что ещё больше снизит стоимость вывода полезного груза на орбиту.

Можем ли мы построить такое кольцо уже сейчас? Вполне! Что же нас останавливает? Цена! Стоимость подобного проекта на начальном этапе составляет триллионы долларов (помните, поднять элементы подобного кольца на орбиту при помощи ракет – очень дорого). Однако, если бы мы доставляли строительный материал, например, с Луны, то его стоимость можно было бы существенно снизить (особенно, если на Луне будет космический лифт).

И так, космический лифт пока невозможен, орбитальное кольцо возможно, но слишком дорого. Но не будем отчаиваться. На первое время мы можем воспользоваться «небесным крючком» (Skyhook).

Skyhook (Небесный крючок)

Данная технология мне напоминает по принципу своего действия средневековое осадное орудие – требуше, и работает по схожему принципу. Вместо строительства дорогостоящего кольца, мы можем ограничиться лишь тросом-буксиром, «свисающим» с более высокой орбиты до самого её «краешка». Спутник, с которого протянут буксир, осуществляет вращение в вертикальной плоскости, таким образом, чтобы другой конец буксира оказывался то ниже орбиты (у самого края атмосферы), то выше.

Запуск груза проходит в несколько этапов. Сначала, груз запускается на самолёте, затем, в стратосфере, стартует до края атмосферы на маломощной и сравнительно недорогой ракете, после чего производит стыковку с окончанием буксирного троса, который в этот момент имеет скорость значительно ниже орбитальной скорости на заданной высоте. Вращение буксира затем увлекает полезный груз на более высокую орбиту, после чего отпускает. Разумеется, орбита спутника-тягача после такой процедуры снизится, и ему необходимо будет придать дополнительный разгон, чтобы восстановить исходную орбиту, однако суммарный расход топлива будет на порядок ниже, чем если бы аналогичный груз запускался при помощи обычной ракеты.

Нельзя сказать, что данный метод запуска грузов на орбиту лишён недостатков. Процесс стыковки с буксиром требует большой синхронности и грозит обернуться потерей груза, если что-то пойдёт не так, да и в целом, данный способ вывода грузов на орбиту по себестоимости будет обходиться гораздо дороже, чем при помощи космического лифта или орбитального кольца, однако, это всё решаемые с технической точки зрения проблемы.

На этом наши возможности не ограничены, давайте рассмотрим более экзотические проекты:

Пусковая петля (петля Лофстрома)

Этот метод концептуально похож на орбитальное кольцо, однако значительно меньшего размера.

В основе проекта лежит закольцованный шнур (петля), непрерывно движущийся с огромной скоростью (12—14 км/с) внутри вакуумной трубы. Чтобы шнур не соприкасался со стенками трубы, они разделены между собой магнитной подвеской. В целом это устройство представляет собой грандиозное сооружение длиной около 2000 км, а сама петля должна подниматься на высоту до 80 км над уровнем океана и держаться на ней за счёт импульса вращающегося шнура. Вращение шнура по сути переносит вес всего сооружения на пару магнитных подшипников, которые его поддерживают, по одному на каждом конце.

Высоты 80 км вполне достаточно, чтобы устранить сопротивление воздуха практически полностью, при этом на данной высоте всё ещё не стоит сильно опасаться космического мусора. Лучше всего размещать подобную структуру на экваторе, чтобы с максимальной выгодой использовать вращение Земли вокруг своей оси.

Петля имеет форму трубки, полой внутри и называемой оболочкой. Внутри оболочки подвешена другая сплошная трубка, называемая ротором, который представляет собой шнур или цепь. Ротор сделан из железа и имеет диаметр примерно 5 см. Он движется по окружности внутри петли со скоростью 14 км/с.

Хотя петля очень длинная, примерно 4000 км, ротор сам по себе довольно тонкий, около 5 см в диаметре, а оболочка не намного большего размера. Ротор выполнен из ферромагнитного железа в виде шнура или трубки, с продольными компенсаторами через каждый метр или около того. Ротор отделяется от оболочки серво-стабилизирующими магнитными подшипниками. Оболочка герметичная, с поддержанием вакуума, чтобы свести к минимуму сопротивление, оказываемое на ротор.

В состоянии покоя петля будет находиться на уровне земли. Затем ротор начнёт ускоряться линейным двигателем, который будет потреблять несколько сот мегаватт мощности. При нарастании скорости ротор будет искривляться и приобретать форму дуги. Оболочка вынудит его принять форму кривой круче, чем баллистическая кривая. В свою очередь ротор будет передавать центробежную силу на оболочку, держа её в воздухе. Петля примет нужную форму и получит ограничение по максимальной высоте ≈80 км за счёт крепления кабеля к земле. При использовании генератора мощностью 300 МВт потребуется около двух месяцев для достижения полной скорости. После полной раскрутки ротор будет совершать один оборот примерно за пять минут.

Чтобы произвести запуск, транспортное средство поднимают на «лифтовом кабеле», который свисает с западной погрузочной станции с высоты 80 км, и размещают на направляющих рельсах разгонного участка. Разгонный блок создаёт магнитное поле, благодаря которому в быстро движущемся роторе возникают вихревые токи. Они-то и поднимают полезный груз над кабелем и толкают его вперёд с ускорением 3g (30 м/с²). Полезный груз разгоняется ротором до тех пор, пока не достигнет необходимой орбитальной скорости, после чего он покидает разгонный участок.

Если необходима стабильная или круговая орбита, то в момент достижения полезным грузом самой верхней точки траектории нужно включить бортовой ракетный двигатель («ускоритель») или другое средство, необходимое для направления траектории на соответствующую орбиту вокруг Земли.

Хотя данный проект при желании можно воплотить в жизнь за 30-50 млрд. долларов, лично мне этот проект не приглянулся, так энергия, которую запасает подобная петля, сопоставима с энергией ядерного оружия, и если что-то сломается, то результат будет поистине катастрофический.

Есть ли альтернативы? Конечно!

Космический трамвай (StarTram)

Эта технология чем-то напоминает HyperLoop Илона Маска, с тем лишь исключением, что предназначена она не для транспортировки грузов и людей по земле, а для перемещения грузов с поверхности Земли на орбиту.

Технология представлена в 2 «поколениях», первое из которых предполагает разгон непилотируемого аппарата с ускорением 30g через 130 километровый тоннель, конец которого расположен на высоте около 6000 метров (на вершине горы). Тоннель не содержит воздуха, его верхнее отверстие блокируется при помощи «плазменной шторы». Разгон левитирующего на магнитной подушке снаряда осуществляется при помощи электромагнитов. На выходе из тоннеля снаряд будет иметь орбитальную скорость, однако в первые секунды будет испытывать торможение об атмосферу, в результате которого он потеряет 0,8 км/с, так что после выхода за её пределы потребуется дополнительный импульс в ~0,63 км/с при помощи ракетного двигателя для выхода на круговую орбиту.

Во второй версии планируется поднять высоту тоннеля до 22 км и разгонять пилотируемые капсулы с ускорением 2-3 g, однако длина тоннеля в силу более щадящего разгона должна будет составлять уже 1000-1500 км при цене несколько десятков миллионов долларов за километр.

Видите, не так-то просто выбраться из гравитационного колодца нашей родной планеты. Одним из сдерживающих факторов при строительстве подобных супер-сооружений является колоссальная высота, на которую приходится поднимать конструкции (для сравнения, высочайшее сооружение в мире – здание Бурдж-Халифа в Дубаи имеет «скромную» высоту всего в 828 м).

Сооружения требуемой нам высоты потребуют иных принципов строительства. Для усиления несущих конструкций необходимы механизмы, так называемой «активные структуры», то есть структуры, требующие постоянной энергетической подпитки. Использование подобного подхода заложено в технологию космического фонтана.

Космический фонтан

Эта технология, как нетрудно догадаться из названия, действует так же, как действовал бы обычный фонтан, с той лишь разницей, что вместо воды используются специальное гранулированное вещество. На поверхности планеты потоку гранул сообщается высокая кинетическая энергия при помощи ускорителя. Первая стадия подъёма происходит в вакуумной трубе, чтобы сократить затраты на преодоление сопротивления воздуха.

Вещество быстро движется вверх от нижней части башни, и передаёт эту энергию в верхней её части, после чего под воздействием силы тяжести падает обратно, это будет удерживать башню от падения.

(ждём искромётных комментариев к этой картинке)

На самом деле, возможно, мы и не захотим возвращать это вещество обратно на Землю после стольких трудов по его подъёму. Грузы по космическому фонтану можно поднимать двумя способами: с помощью специальных систем наподобие лифта в зданиях или с потоком гранул.

Данная технология хотя и не позволит обеспечить поднятому веществу орбитальную скорость, однако, позволит существенно сократить расход топлива и увеличить массу полезной нагрузки, если запускать космические аппараты с вершины этой башни.

В заключение, для того, чтобы остудить немного ваш пыл, я хотел бы сказать о недостатках, в той или иной мере касающихся каждой из перечисленных технологий. Они не являются, разумеется, непреодолимыми препятствиями – с теми или иными оговорками любой из предложенных методов доставки грузов на орбиту осуществим, однако, их следует учитывать при проектировании и строительстве.

1. Микро-метеориты. Наша атмосфера является надёжной бронёй против тонн космического мусора, тонны которого ежегодно в ней сгорают. Тем не менее, чем выше мы поднимаем наши сооружения, тем меньшую защиту будет давать атмосфера, и тем больше внимания необходимо будет уделять защите от космического мусора.

2. Атмосферное электричество. Между небом и землёй накапливается колоссальная разность потенциалов, разряды которого мы все имели возможность наблюдать в виде молний. При строительстве астро-сооружений внимание так же необходимо уделять и защите от молний.

3. Эрозия материалов атомарным кислородом. В верхних слоях атмосферы присутствует атомарный кислород, является сильнейшим окислителем и способен разрушать материалы со скоростью до 1 мкм в месяц, вследствие чего, вероятно потребуется покрывать конструкции специальным защитным покрытием, которое так же увеличит её массу.

4. Астро-сооружения, такие как орбитальное кольцо, может потребовать внесение серьёзных корректировок в орбиты уже действующих искусственных спутников, а так же потребует серьёзного дальнейшего планирования с целью исключения возможных столкновений и развития синдрома Кесслера.

В следующей части я попробую описать хотя бы сотую долю того, чего мы могли бы достичь, будь у нас дешёвый способ выхода в космос.

Это не значит, что все чёрные дыры имеют большую плотность. Объекты в центре галактик обычно имеют среднюю плотность меньше, чем у белых карликов или нейтронных звёзд, а монстры с диаметром около светового года, имеющие массу целой галактики в триллион звёзд, будут иметь среднюю плотность сравнимую с земным воздухом.

Чёрная дыра, наверное, простейший макро-объект в нашей вселенной. По большому счёту, простейшую чёрную дыру можно полностью описать лишь одной характеристикой – её массой. Вокруг любой массы существует условный радиус сферы, образующей горизонт событий (воображаемая линия раздела причинно-следственных связей) для этой массы, ещё его называют радиусом Шварцшильда. Обычно, этот радиус сильно меньше объёма, который занимает эта масса, однако, если довольно плотно упаковать материю, а именно, – поместить всю массу М внутри этого радиуса, то получится чёрная дыра. На формуле ниже, G – гравитационная постоянная, c – скорость света.

Сегодня я хочу поговорить не о гигантских, а о более мелких чёрных дырах, которые даже не смогут вас затянуть внутрь себя, так как им не будет хватать для этого массы. На самом деле, у этих чёрных дыр вообще, к большому сожалению (да, да, к сожалению, как ни странно) большие проблемы с поглощением материи.

Допустим, мне удастся уплотнить небольшую гору, массой всего около миллиарда тонн до размеров протона. Я получу чёрную дыру, рядом с которой было бы вполне безопасно находиться даже в нескольких метрах от неё, хотя, если приблизиться к ней на расстояние вытянутой руки, её притяжение будет уже ощущаться примерно как земное. Впрочем, я не советовал бы к ней приближаться по другой причине. Энергия, которую будет выделять такая чёрная дыра, сравнима с выработкой атомной или крупной гидроэлектростанции, так что рядом постоять не удастся, так как она вас моментально испепелит (и никакого засасывания материи!)

Чтобы понять, почему так происходит, необходимо, всё-таки, углубиться ненадолго в теорию (кому неинтересно, пропустите следующие несколько абзацев).

Для начала давайте вспомним старый добрый закон всемирного тяготения (достаточно и Ньютоновской формулы):

Здесь нас больше всего интересует знаменатель, а именно – расстояние между массами. Как легко понять из формулы, если я сокращу расстояние в 2 раза, сила притяжения увеличится в 4 раза, если сократить расстояние между массами в 10 раз, сила притяжения между ними возрастёт в 100 раз, и т. д.

Даже сейчас, ваши ноги испытывают большую силу тяжести, чем ваша голова (если, конечно, вы в вертикальном положении), так как они ближе к земле. Если предположить, что вы находитесь внутри чёрной дыры (подставьте большое значение в числитель формулы), разница в силе, тянущей ваши ноги, и силе, тянущей вашу голову, в один (не)прекрасный момент может оказаться достаточно, чтобы разорвать вас пополам. Эта разница называется градиент гравитации, а силы, которые вас разрывают – приливные силы.

Вам может показаться, что это делает чёрные дыры более опасными, чем другие объекты, однако, это не так. Любая звезда испепелит вас задолго до того, как вы подберётесь к ней на то расстояние, где гравитационный градиент чёрной дыры начнёт вас разрывать, да и любая планета разорвёт приливными силами неудачливый небесный объект (комету или астероид), который подлетит достаточно близко (см. предел Роша).

Например, в огромных чёрных дырах в центрах галактик, приливные силы не станут опасными ещё очень долго уже после того, как вы пересечёте горизонт событий, а в случае с микроскопическими чёрными дырами, опасное расстояние будет меньше размера атома.

Вся масса нашей планеты, распределена более-менее равномерно, поэтому, если пытаться прокопать колодец ближе к центру Земли, гравитационное воздействие не станет сильнее, а наоборот – ослабнет, так как масса вокруг вас будет симметрично компенсировать гравитационное притяжение массы напротив. В чёрных дырах, вся масса сконцентрирована в центре, поэтому можно подобраться к нему очень близко, так близко, что приливные силы будут иметь огромное (для вас) значение.

В целом, чем меньше чёрная дыра, тем большую среднюю плотность она имеет, например, чёрная дыра, имеющая массу нашей планеты, будет иметь размер грецкого ореха и поместится на ладони (во всяком случае на тот миг, пока она не разорвёт вас на части и на затянет внутрь себя – чёрные дыры всё-таки требуют соблюдения техники безопасности).

Для малых чёрных дыр даже дистанции размером с атом или даже меньше могут иметь огромный гравитационный градиент, и даже над горизонтом событий приливные силы могут быть очень велики, настолько велики, чтобы срывать электроны с атома, который оказался поблизости.

Я уже рассказывал о виртуальных частицах, пары которых постоянно создаются и исчезают в ходе квантовых флуктуаций, происходящих в пространстве. Теперь представим, что такая пара рождается очень близко к горизонту событий чёрной дыры, причём одна из таких частиц находится к нему чуть ближе, чем другая. Из-за высокого градиента гравитации, может возникнуть такая ситуация, когда одна частица из пары упадёт в чёрную дыру, а вторая сможет вырваться на свободу. Так как подобная пара уже не сможет аннигилировать, вырвавшаяся на свободу частица, превратившись из виртуальной в реальную, унесёт с собой часть энергии чёрной дыры. В большинстве случаев это будет гамма-фотон, но возможно образование и других частиц. Данное явление получило название «испарение чёрных дыр», а поток частиц, который образуется таким образом – излучением Хокинга (в честь Стивена Хокинга, который его предсказал и описал в 1976 году).

Такие события происходят не часто. Вокруг больших чёрных дыр, несмотря на огромную площадь их горизонта событий, подобное не происходит практически никогда из-за крайне малого градиента гравитации, виртуальные частицы либо обе падают внутрь, либо обе улетают, однако чем меньше чёрная дыра, тем больше гравитационный градиент, и тем более вероятным становится подобный сценарий.

Из этого следует, что если чёрная дыра не подпитывается массой, она будет уменьшаться в размерах, причём, чем меньше она будет становиться, тем более быстрым будет данный процесс. И если чёрная дыра с массой звезды, может быть, позволит вырваться виртуальному фотону один раз за пару лет, и процесс её испарения будет проходить такое количество времени, что эту цифру даже сложно записать, малая чёрная дыра массой «всего» в миллиард тонн должна излучать несколько сотен мегаватт энергии постоянно на протяжении «всего» пары триллионов лет.

Оценку времени испарения чёрной дыры, в зависимости от её первоначальной массы M₀, сильно приблизительно можно произвести по формуле:

(взято из Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation)

По грубым прикидкам, выходная мощность излучения Хокинга от чёрной дыры обратно пропорционально квадрату её массы, а время испарения – кубу. Это значит, что если мы уменьшим массу чёрной дыры вдвое, мы получим четырёхкратное увеличение мощности, но, в то же время, сократим время испарения в восемь раз.

Зная это, мы можем подобрать необходимые нам параметры источника энергии. Например, чёрная дыра массой около 100 миллионов тонн (масса обычного холма) сможет выделять около 30 гигаватт энергии непрерывно на протяжении следующих 4 млрд. лет.

Подобные чёрные дыры производят гораздо больше энергии, чем эквивалентная масса солнечных панелей, ветровых турбин или других генераторов из источников, которые не требуют ископаемого топлива, кроме того, они гораздо компактнее, чем поля из солнечных панелей или ветряков, так как их размер будет меньше, чем размер протона.

По правде говоря, по причине малых размеров на Земле такую чёрную дыру удержать будет сложно – она тут же провалится «сквозь Землю» (простите за тавталогию), чтобы появиться на миг в противоположной точке земного шара, после чего снова провалится, и, примерно через 84 минуты, вернуться обратно лишь за тем, чтобы снова провалиться. Так она и будет болтаться сквозь Землю, прожигая вдоль своей траектории прекрасный тоннель сквозь центр планеты.

Как видите, опасения того, что на БАК создадут чёрную дыру, которая «засосёт» всю планету, полностью беспочвенны. Там, если и создаются чёрные дыры, их масса составляет всего несколько милли-, или даже микрограмм, а срок их испарения можно выразить только при помощи экспоненциальной записи.

Можно попробовать как-то удержать подобную дыру на месте, но гораздо проще соорудить её на геостационарной орбите, а затем передавать энергию на Землю. И хотя технологию передачи энергии подобной чёрной дыры с орбиты очень легко превратить в весьма разрушительное оружие (особенно, если учесть, что большая часть её – жёсткое гамма-излучение), то же можно сказать о любом мощном источнике энергии, я подчёркиваю, чёрные дыры не опаснее многих других объектов.

Для снятия энергии гамма-лучей от нашей чёрной дыры можно соорудить что-нибудь вроде тугоплавкой сферической оболочки из вольфрама диаметром в пару сотен метров, которая будет раскаляться до той степени, что энергию можно будет снимать хотя бы солнечными панелями, ну или классическим способом – кипятя воду для привода паровых турбин.

Создание малых чёрных дыр представляет собой, однако, большую проблему. Не такую сложную как их последующая подпитка массой, чтобы они не взорвались (об этом стоит волноваться со сверхмалыми чёрными дырами, которые можно использовать для привода космических кораблей), но по-прежнему, задача не из лёгких.

Чтобы создать большую чёрную дыру необходимо просто собрать вместе очень много материи и всё – чёрная дыра готова. Однако, материя не очень-то хочет сильно уплотняться, а в случае с малыми чёрными дырами, нам даже не поможет гравитация.

Теоретически, самым простым способом будет сталкивать лазерные лучи, так как фотонам наплевать на принцип запрета Паули (фотон является бозоном, а не фермионом), и любое их количество может занимать одно и то же место в пространстве одновременно (хотя слово «одновременно» здесь уже не совсем применимо). Если вы испустите достаточное количество фотонов с таким расчётом, что они одновременно прибудут в точку назначения, в этой точке может сформироваться чёрная дыра. Лучше всего использовать гамма-излучение с высокой энергией, так как, малая длина волны важна, если мы хотим прицелиться в мишень размером меньше атомного ядра. Нам потребуется невообразимая точность прицеливания и довольно большой начальный источник энергии. При этом нам так же следует подумать о начальных параметрах создаваемой чёрной дыры – её вращении, траектории и скорости.

Данная концепция получила название Кугельблиц (нем. Kugelblitz – шаровая молния).

Делать Кугельблиц из обычной материи тоже теоретически можно, однако для этого потребуется столь колоссальное давление и температура, что гораздо раньше наступят условия для термоядерного синтеза, поэтому навряд ли мы когда-нибудь сможем добиться этого, не говоря уже о положительном выходе энергии.

Следует сказать, что изготовленная таким образом чёрная дыра не будет источником энергии, а будет всего лишь «батареей», устройством для её запасания. К счастью, наше Солнце всё равно растрачивает энергию впустую, поэтому, если использовать всю его энергию, мы можем производить по паре таких чёрных дыр в минуту.

Хотя такая чёрная дыра и является, по сути, батарейкой, однако, тот факт, что мы можем задать её первичную скорость и направления, а так же то, что она может сама создавать тягу, при помощи таких батарей можно очень эффективно снабжать энергией самые дальние районы солнечной системы.

Разумеется, прямое использование термоядерной энергии предпочтительнее, но в качестве батарей (или, если хотите «топлива») чёрные дыры более компактны и потенциально требуют меньших затрат на обслуживание. В стационарном виде подобную чёрную дыру можно даже использовать в качестве искусственного солнца.

Создание подобной чёрной дыры потребует создания огромных массивов лазерных батарей, способных исключительно точно и синхронно сконцентрировать всю энергию на крохотном объёме пространства, этакой фабрикой по изготовлению чёрных дыр.

Чёрные дыры, особенно сверхмалые, можно (теоретически, во всяком случае) «дозаправить», однако данный процесс так же весьма сложен с технической точки зрения (закинуть материю в объект размером меньше атома в то время, как из него прут гигаватты энергии, гораздо сложнее, чем закинуть шарик от пинг-понга в работающий пожарный брандспойт). Дозаправка фотонами возможна, но следует иметь в виду, что на этот процесс уйдёт больше энергии, чем можно будет получить взамен.

Поскольку никаких экспериментальных замеров излучения Хокинга до сих пор провести не удалось, дальнейшие прикидки делались по значениям из публикации 2009 года «Are blackhole starships possible?» Луиса Крейна и Шона Вестморланда из Канзасского университета.

Идея космического корабля на приводе от чёрной дыры весьма прямолинейна – вы создаёте малую чёрную дыру массой всего несколько десятков тысяч тонн, получая в результате объект, излучающий колоссальное количество энергии (счёт идёт на петаватты или 1 × 10¹⁵ Вт), миллионы или даже в миллиарды больше, чем самые мощные современные электростанции. Это эквивалент примерно 16 бомб сброшенных на Хиросиму каждую секунду. Если корабль сможет эффективно управлять хотя бы 1% данной энергии, то для сравнения можно взять хотя бы скорострельный «пулемёт», стреляющий термоядерными бомбами.

Выделяемая чёрной дырой энергия всенаправленна, как у любой звезды, так что для создания тяги достаточно с одной стороны поставить отражающую поверхность (аналог «зеркала»), чтобы создать тягу в противоположном направлении.

Это и будет наипростейший двигатель на тяге чёрной дыры. В теории, подобный космический корабль сможет достичь ближайшей звезды за период времени, меньший средней продолжительности жизни человека, и позволит без проблем достичь любой точки солнечной системы в пределах нескольких месяцев.

В самом грубом приближении, при идеальной эффективности такой двигатель способен обеспечить ускорение 1g для корабля массой 1 млн. тонн на каждые 3 тыс. Петаватт мощности. Как ни крути, это всё равно не слишком впечатляет, если необходимо разгоняться до релятивистских скоростей.

В таблице ниже приведены данные из публикации Крейна и Вестморланда, где показана зависимость мощности и срока жизни чёрной дыры от её массы и размеров, а так же максимальное ускорение, которое сможет придать кораблю такой двигатель, если полная масса корабля и груза в два раза больше массы чёрной дыры, и примерное время разгона с таким ускорением до 1% от скорости света:

Анализируя эту таблицу, очевидно, что чем легче чёрная дыра, тем выгоднее, так как она может предоставить наилучшее ускорение, однако у сверхмалых чёрных дыр весьма малая продолжительность жизни, поэтому, если у вас отсутствует способ «дозаправки» чёрной дыры новой массой, то она может испариться (со взрывом в конце!) раньше, чем вы достигните точки назначения. Даже если вы её сбросите, то останетесь без источника энергии на торможение.

Подзарядка кугельблица лазерами в пути не даст ощутимого выигрыша, так как вы сожжёте больше энергии, чем получите потом, а подзарядка обычной материей будет ещё сложнее – вспомните аналогию с пожарным брандспойтом и мячиком от пинг-понга, поэтому единственным выходом будет брать в дорогу такую чёрную дыру, чтобы «с запасом» хватило на всё путешествие.

Ещё одной проблемой для создания подобного космического корабля является исключительно высокие энергии частиц, которые испускает чёрная дыра (гамма-излучения) – для фотонов такой энергии крайне трудно создать «зеркало», способное их отразить. На текущий момент мы не располагаем, к сожалению, материалами, хорошо отражающими гамма-лучи, поэтому управлять выходной мощностью, направляя излучение обратно в чёрную дыру, продлевая, тем самым её срок жизни, у нас не получится. Нам придётся как-то поглощать всю выходящую энергию, нагревая какой-либо материал практически до температуры плавления, сооружая вокруг чёрной дыры сферу или полусферу (поглощающую оболочку). Нагретый таким образом материал будет излучать нормальный свет, который можно отражать в параболическом зеркале.

Чем больше мощность чёрной дыры, тем большего диаметра понадобится оболочка. Самый тугоплавкий из известных элементов – вольфрам имеет температуру плавления около 3700 К, и может излучать порядка 10 МВт энергии с квадратного метра, не расплавляясь. На самом деле – 20 МВт, так как излучать он может с обеих сторон. Это означает, что нам необходимо порядка 50 млн. кв. м поверхности на каждый петаватт энергии, которую мы хотим поглотить.

Хорошей новостью может послужить то, что в последнее время стали появляться сплавы, имеющие ещё большую температуру плавления, чем вольфрам. Интенсивность излучения чёрного тела зависит от температуры в четвёртой степени, поэтому, если удастся получить материал, имеющий температуру плавления в два раза выше, чем у вольфрама, он сможет отдавать в 16 раз больше энергии в виде излучения. К сожалению, и в этом случае потребуется поглощающая оболочка площадью в несколько квадратных километров. С другой стороны, мы говорим о массивных кораблях с массой, исчисляющейся минимум сотнями тысяч тонн, если не миллионами, поэтому мы сможем позволить себе подобную поглощающую оболочку, особенно, если учесть тот факт, что она не должна быть особо толстой.

Проблема в другом – как «прикрепить» чёрную дыру к кораблю? Поскольку чёрная дыра излучает энергию во всех направлениях, она просто оттолкнёт от себя корабль. Следует помнить, что размеры дыры меньше атома и её нельзя ничем привязать, так как она разорвёт всё, что к ней приблизится, и не успеет при этом испариться.

Данную проблему можно обойти, придав чёрной дыре электрический заряд, связав её с поглощающей оболочкой электростатическим способом. Саму оболочку можно прикрепить к параболическому зеркалу и остальной части корабля стандартным способом.

Альтернативой (или дополнением) можно считать использование собственной гравитации чёрной дыры, которая будет притягивать поглощающую оболочку, в то время, как излучение будет толкать. Концептуально это похоже на двигатель Шкадова или статиты – особый вид спутников, которые просто «висят» в равновесии над излучающим объектом, притягиваемые его массой, но отталкиваемые его излучением. В случае, если у нас чёрная дыра малого размера, её сила притяжения будет относительно небольшой, по сравнению с мощностью излучения, а приближение на достаточное для гравитационного связывания расстояния будет означать, что придётся поглощать ещё больше радиации.

Например, для чёрной дыры массой в 1 млн. тонн, дистанция, на которой будет ощущаться сила притяжения, равная земной (1g) будет составлять порядка 3 см. На таком расстоянии, разумеется, излучаемая чёрной дырой энергия расплавит любой материал, но даже если и не расплавит, то ускорение, которое излучение придаст кораблю сильно превысит порог в 1g и попросту оттолкнёт корабль.

Более крупные чёрные дыры излучают слабее и имеют более сильное притяжение, однако и ускорение, которое они смогут придать кораблю, будет гораздо меньше.

Было бы идеальным, разумеется, получение материала, способного хорошо отражать гамма-излучение. Это, наверное, ключевой момент, который позволил бы реально создавать подобные космические корабли. В этом случае мы могли бы обойтись лишь отражающим зеркалом, не прибегая к поглощающей излучение оболочке, а так же получили бы возможность регулировать выходную мощность чёрной дыры.

При отсутствии подобных технологий необходимо будет использовать более крупные чёрные дыры, способные обеспечить меньшее ускорение. Не стоит, однако, забывать, что даже в этом случае, в таблице приведены значения для корабля, имеющего такую же массу, что и чёрная дыра, которая его толкает, хотя при увеличении массы чёрной дыры, масса корабля может быть существенно меньше. В этом случае, максимально-возможное ускорение можно увеличить. Учитывая необходимый комфорт для экипажа, в любом случае вряд ли практично создавать корабль, ускоряющийся более, чем на 9,8 м/с² (1g). Такая конструкция не потребует никаких вращающихся частей для поддержания искусственной гравитации, так как постоянное ускорение корабля создаст экипажу полный эквивалент земного притяжения.

Вот видите, как выясняется, при соблюдении осторожности, чёрные дыры могут быть не только безопасными, но и крайне полезными в хозяйстве. В этом посте мы коснулись применения малых чёрных дыр, в следующем посте мы посмотрим, а можно ли нам извлечь какую-либо пользу из крупных. Тем более, что рано или поздно, в нашей вселенной не останется ничего, кроме них.