Проблема скорости истечения
У химических двигателей скорость истечения рабочего тела удивительно маленькая. У ионных больше, но всё равно по космическим понятиям ни о чём. По-настоящему большие скорости истечения требуют выхлоп из нейтрино, гравитонов или фотонов.
Это частицы, скорость движения которых изначально равна или хотя бы приближается к световой. Проще всего из них работать с фотонами.
Река света
Межзвёздная трасса по совести очень похожа на реку света. Движение по ней идёт под лазерным парусом. Такие приводы абсолютно реальны в рамках известной физики без единого прорыва и удивительно мощны по своим физическим возможностям. Особенно заметно это становится на межзвёздных расстояниях.
В наши дни про их существование иногда вспоминают даже в популярных средствах массовой информации, но в массовой фантастике вместо нормальных фотонных двигателей традиционно описывают всякую бессмысленную архаичную чушь.
Как же они работают в реальности?
Один килограмм фотонов
Поскольку «Е равно эМЦэ квадрат», один килограмм фотонов в ящике с абсолютными зеркальными стенками достаточен, чтобы при излучении наружу разогнать стокилограммовый дрон к скорости в один процент световой.
Разумеется, это чисто фантастическая химера, которая используется тут в иллюстративных целях. Но она прекрасно объясняет, чем так привлекательны реакция материи с антиматерией или применение искусственных чёрных дыр в мощных космических двигателях. Это две явно выраженных топливных схемы высокой мощности – до которых ещё нужно дожить.
А есть ли решение сопоставимой мощности, которое доступно уже сейчас? Правильный ответ – да!
К чёрту ракетное уравнение!
Учитель из Калуги столетие назад сделал многое для теории космического перелёта своего времени. Но, при всём уважении к докосмической эпохе, наука космической эры человечества со второй половины XX века дала нам как минимум одно рабочее эффективное решение внешнего привода.
Главное достоинство этого решения – возможность избавиться от фундаментальных ограничений ракетной формулы Циолковского!
Базовый принцип
При облучении чего-то достаточно мощным лазером, это тело получает импульс от фотонов. Если оно их при этом отражает – импульс удваивается. Да, импульс потока фотонов крайне мал – но и размер паруса можно очень сильно наращивать.
В современных научных текстах на эту тему речь идёт о постоянных ускорениях, которые ограничены в основном эффективностью теплоотвода паруса и доступностью его ходового ремонта. Вывести на значение в единичные десятки сантиметров в секунду за секунду можно даже сравнительно массивные объекты.
1,5 джигаватта
Именно столько энергии нужно передать лазером парусу, чтобы разогнать объект массой 1 килограмм на постоянном ускорении в примерно 1g – при условии, что парус работает как идеальное зеркало в рабочем спектре лазера.
Это идеальные цифры, а у лазера есть своя эффективность. То есть, на входе потребуется в разы больше – в зависимости от совершенства конструкции лазера. Ранние лазеры XX века считали 5-10% хорошей эффективностью. Современные твердотельники вроде как обещают сделать 50% нормальным средним результатом. Но в любом случае, лазерный разгон – постоянное ускорение, и оно крайне эффективно при длительном облучении.
Главное – стабильность
Всё тот же лазер на всё том же парусе разгонит объект совокупной массой в 100 килограммов на 9,81 сантиметра в секунду за секунду. Кажется, что это крайне мало. Но за сутки под разгоном набежит характеристическая скорость в 8467,84 метра в секунду. Этого заведомо хватит для перелёта между орбитами Луны и Марса. За десять лет можно отправить зонд на 10% световой в пролёт до Проксимы Центавра
Разумеется, большие цифры пугают кучу народа. Особенно когда речь заходит о сопоставлении энергетического бюджета активного лазерного разгона с общим планетарным или местным доступным космическим. Только вот пренебрегать ими по этой причине совершенно бессмысленно.
Главное – без паники
Без разницы, насколько продвинуто ваше будущее. Солнце и вся его энергия останутся на своём месте. Равно как и возможность пользоваться большими солнечными лазерами. Да, хороший разгонный лазер большого космического города должен годами вваливать офигеварды ватт энергии в его паруса.
Но всё, что ввалено на парус, останется там в форме кинетической энергии – без особых шансов растерять её обратно. Это космос, он так работает. И это в любом случае дешевле практически любой другой разгонной схемы на звёздных расстояниях – надолго!
Прорывные мегатехнологии
Цифры могут казаться маловменяемыми для нас, здесь и сейчас. Но для экономики большого термояда, промежуточных этапов строительства роя Дайсона или экономики цивилизации второго типа по Кардашеву они вполне по карману. Углеродные нанотрубки и компактные сверхмощные компьютерные автономные роботы столь же радикально меняют процентное соотношение массы паруса, систем обслуживания и управления к полезной нагрузке лазерного парусника.
Любое из этих допущений сильно меняет доступную цивилизации мощь.
Навсегда.
Жонглирование цифрами
Лазерная батарея на полтора гигаватта будет жрать примерно килограмм водорода каждые сутки постоянной работы при 10% эффективности. Триллион лазеров этого типа сможет разгонять триллион килограммов совокупной массы лазерных парусников на протяжении триллиона лет на постоянном земном ускорении... и расход водорода реакторами лазерных батарей при сборе его только из Юпитера всё ещё останется просто инструментально заметной величиной без особого падения массы планеты-гиганта.
Если мы хотим управиться с Юпитером раньше тепловой гибели Солнца, то на ближайшие миллиарды лет потребуется нагромоздить разгонную батарею из квадриллиона таких лазеров. Да, это космос. Да, он большой. И да, есть решения эффективнее, а это призвано всего лишь иллюстрировать порядок цифр.
Проблема ведения цели
Разумеется, цель под разгоном стремительно удаляется от лазера. Её становится трудно наблюдать, а значит, и трудно эффективно целиться. Это проблема, которую решают астрономические инструменты, микроприводы точной наводки и эффективные компьютеры управления в едином разгонном комплексе.
Опять же, вполне простые и представимые нам средства, которые позволяют количественное решение вопроса такого разгона уже на доступных нам технологиях по цене денег.
Проблема отклонения
Если нарушен угол облучения паруса, тот получает боковое ускорение. Такое же постоянное, как и основной разгон. Это значит, что уже за час отклонение под боковым ускорением в один миллиметр начнёт измеряться в метрах. Проблема сравнительно легко исправляется там, где лазер находится по космическим понятиям близко от паруса, но уже на расстояниях в световые минуты начинаются серьёзные проблемы.
На расстоянии в световые часы о самом факте промаха станет известно сильно позже ухода паруса в сторону, а потом ещё столько же времени уйдёт на прибытие нового луча по актуальным координатам – если компьютерная система достаточно хороша, чтобы рассчитать поправку без участия человека за пренебрежимо короткий с человеческой точки зрения срок.
Правда, наши компьютеры уже сейчас достаточно хороши – если ситуацию предусмотреть заранее.
Проблема рассеяния
В массовом представлении в рамках бытового мифа лазерный импульс – очень тонкое пятнышко света, которое пронзает бесконечные космические пространства.
Разумеется, это полная ерунда!
Диаметр лазерного импульса размазывается с каждым новым километром. Даже очень качественный лазер с очень большой физической или виртуальной линзой всё равно теряет фокусировку с расстоянием. Вопрос лишь в том, как быстро дифракция возьмёт своё.
Размер парусного вооружения придётся наращивать в зависимости от удаления от лазера. Но это нормально и полностью ожидаемо.
Галактическая система позиционирования
Каждый лазерный парусник в активном разгоне потребуется очень точно наблюдать и позиционировать. Любая распределённая астрономическая система и передача собственных позиционных сигналов парусником тут окажутся в помощь.
Чем точнее это всё работает – тем эффективнее передача лазером кинетической энергии парусу.
Активная коррекция
Сравнительно малый запас эффективного рабочего тела и маневровые двигатели на борту парусника могут оказаться достаточными, чтобы вносить мелкие поправки в случае ухода луча с паруса. Упомянутые выше по тексту искажения в миллиметр в секунду вполне эффективно уравновешиваются работой сравнительно простых и маленьких ионных двигателей. Относительно скромного запаса рабочего тела им хватит надолго.
На межзвёздных расстояниях задачей транспортных капсул «двигателя Пакмана» может оказаться в том числе доставка новых порций рабочего тела вспомогательных маневровых двигателей строю перелети-городов.
Предел дальности
У луча Николла-Дайсона в пределах нашей галактики дальность – любая желаемая. К сожалению, появляется он где-то хорошо так вблизи уровня могущества цивилизации II типа по шкале Кардашева. До наступления этого времени дальность разгонных лазеров, даже больших солнечных, окажется довольно скромной.
Что с этим делать?
Станция «Полпути»
Самый очевидный и простой ответ цивилизации, которая может себе позволить активную лазерную тягу и отправку космических городов на межзвёздные расстояния – строительство космических городов транспортной системы в межзвёздном пространстве!
Среди популярных фантастов вряд ли получится назвать кого-то хотя бы задумавшегося о подобном решении. Но его жизнеспособность бессмысленно оспаривать.
Термоядерная оговорка
Даже паршивый термоядерный реактор – уже крайне эффективное решение в пределах отдельно взятой Солнечной и её окрестностей. Передача энергии лазером на расстояние в световые месяцы заметно проигрывает водородному топливу – самому распространённому элементу в космосе.