Алексей Леонидович Полюх
Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса
Технологии для освоения планет Солнечной системы и ближайших звёздных систем.
Часть I
Технологии для освоения ближнего Космоса:
Способы безракетной доставки грузов на околоземную орбиту;
Устройства и технологии для орбитальной инфраструктуры;
Транспортная система для Луны и безатмосферных планет;
Двигательные системы для межпланетных перелётов;
Новые типы двигателей с удельным импульсом 10-100 км/с;
Получение энергии для двигателей с внешним топливом;
Гравитационные электростанции в Солнечной системе;
Технология получения и использования Луца.
Часть II
Двигательные системы и энергетическая инфраструктура для полётов к соседним звёздным системам со скоростью 0,5 с.
Как добраться до звёзд, и зачем.
Аннотация.
В главах 1 и 2 собраны идеи и концепции (как заимствованные у других авторов и из открытых источников, так и оригинальные), которые, по мнению автора, могут представлять интерес в ближайшие 5-10 лет для освоения околоземного пространства. (идеи крайне простые и понятные: стратосферный лифт, орбитальная заправочная станция, лунный парашют…)
В 3 главе разработана уникальная авторская концепция, позволяющая создать несколько новых типов двигателей на внешнем топливе (кинетические и термокинетические), которые могут иметь очень большой удельный импульс – от десятков километров в секунду до межзвёздных скоростей, а также показан способ получения и доставки внешнего топлива и энергии для таких двигателей, в том числе на астрономические расстояния.
В 4 главе показан эффективный способ получения топлива и энергии для термокинетических двигателей и энергетических установок, что позволит не только получить достаточное количество энергии и вещества для космических полётов и освоения планет Солнечной системы, но и поставлять энергию на Землю; автор предлагает добывать Луц* в системе Юпитера.
*"луц" – это просто короткое название, которое мы позаимствовали у Кира Булычёва, и используем в тексте как сокращение многобуквенной фразы: "поток носителей кинетической энергии, представляющих собой микро снаряды из льда или иного материала, летящие со скоростью более 20 километров в секунду". (или короче, "высокоскоростные носители кинетической энергии"). Но это долго писать… Луц – это просто и сразу понятно. Это именно то волшебное вещество, которое позволит наконец начать освоение космоса. И в которое жители Плюка переработали океаны своей планеты… ((то есть, это не какое-то особое вещество, а просто состояние движения обычного вещества с большой скоростью)).
В 5 главе показан способ получения Луца с более высокими энергетическими показателями и скоростью движения 500-1000 километров в секунду за счёт использования гравитационного потенциала Солнца, что позволит отправлять аппараты за пределы Солнечной системы, а также создать гибридные Луце-ядерные энергетические установки и двигательные системы, имеющие массо-габаритные параметры на 1-2 порядка лучше, чем у взрывных и магнитных ядерных и термоядерных установок.
В 6-8 главах будут описаны звездолёты с искусственным внешним топливом для полётов со скорость 0,3-0,5 с и инфраструктура для их разгона.
ВВЕДЕНИЕ. Что такое "Искусственные внешние ресурсы".
Ракета без топлива и реактор без урана.
Нет ничего необычного в том, чтобы использовать внешние ресурсы для движения. Например, воздушно-реактивный двигатель получает из внешней среды окислитель и 97% рабочего тела; парусный корабль или воздушный змей вообще получают всю энергию извне…
Обычно, правда, когда говорят "внешние ресурсы", то сразу мысленно подменяют это понятие на "естественные внешние ресурсы", и дальше начинают думать, а где же их взять. А поскольку естественные ресурсы редко бывают в таком виде и такой концентрации, как нам нужно, то приходится придумывать сложные способы и большие устройства для их извлечения из внешней среды, сбора, концентрации, подготовки для использования…
95% массы турбореактивного двигателя занимают воздухозаборники и турбины, которые служат только для того, чтобы сделать воздух пригодным для сжигания топлива. Вот если бы самолёт сразу летел вдоль струи предварительно сжатого воздуха, которую для него кто-то заранее подготовил, то его двигатель мог бы быть в 10 раз легче, а удельный импульс вдвое больше. В какой-то мере к этому приближаются прямоточные двигатели, где воздух сжимается хоть и за счёт кинетической энергии самолёта, но без участия сложных агрегатов. Можно пойти ещё дальше, и на гиперзвуковых скоростях, особенно в разреженном воздухе, обойтись даже без воздухозаборника, сжимая струю воздуха за счёт распыления и детонации кольцевого слоя топливно-воздушной смеси перед самолётом. (Это будут "предварительно кондиционированные естественные внешние ресурсы", но нас сейчас интересует немного другое).
А зачем вообще что-то сжимать, ещё тратить энергию. Просто набросаем перед самолётом цепочку маленьких топливных капсул, содержащих сразу всё необходимое… Тогда удельный импульс станет равен бесконечности (ведь расход топлива равен 0), и при отсутствии воздуха это тоже будет работать, даже ещё лучше. Правда, это уже не самолёт…
Здесь могут быть разные варианты, с подвижным и неподвижным топливом, в виде отдельных капсул, снарядов, или непрерывного шнура или стержня, для разных скоростей – от 3-4 км/с до 20 и более. Всё это называется просто: "ИСКУССТВЕННЫЕ ВНЕШНИЕ РЕСУРСЫ".
***
Конечно, такая масштабная концепция, которая изложена в 3-6 главах, не могла появиться на совершенно пустом месте. У меня, разумеется, были предшественники; я лишь карлик, тайком забравшийся на плечи гигантов, или муравей, заползший без разрешения на спину слона; но всё же я смог подняться немного выше, и заглянуть дальше. Обезьяна залезла ещё на одну ветку, хотя путь прогресса бесконечен…
Концепцию внешних ресурсов люди использовали множество раз в различных областях техники (когда обезьяна лезет на ветку дерева, это тоже использование внешних ресурсов).
Тем не менее, как правило, используют лишь естественные внешние ресурсы, если они доступны без предварительной подготовки; понятие же кондиционированных, или тем более искусственных внешних ресурсов явно вообще не употребляется, и хотя такие примеры тоже есть, но их даже в наземной технике и транспорте мало (трамвай, троллейбус, пневматический и монорельсовый транспорт, канатные дороги – вот, пожалуй, и всё).
Естественные внешние ресурсы используют чаще, и в земных условиях весьма успешно – например, всё воздухоплавание и авиация основаны на использовании воздушной среды как опоры и источника энергии для движения, а весь наземный и морской транспорт опираются на поверхность планеты Земля, используют её атмосферу, гидросферу и гравитацию.
В земных условиях естественные ресурсы использовать просто, их очень много, они всегда доступны – поверхность планеты, гравитация, грунт, вода, воздух… Но в межпланетном пространстве доступных без подготовки ресурсов намного меньше – это солнечный свет, да ещё гравитационные поля Солнца и движущихся вокруг него планет. То и другое пытаются использовать для движения космических аппаратов и в качестве источника энергии, но относительно успешно пока только использование солнечного света для выработки электроэнергии, и то в небольших масштабах.
Но даже те естественные внешние ресурсы, что есть в Солнечной системе (включая также солнечный ветер и вещество планет и комет), сосредоточены поблизости Солнца. И на расстоянии в десятки миллиардов километров не остаётся ничего, кроме разреженной межзвёздной среды. Проекты улавливания и использования атомов водорода для разгона корабля скорее всего не жизнеспособны; хотя для торможения, наверно, можно попытаться применить очень большой электромагнитный парус (с площадью магнитной воронки более 10 км2 на каждый килограмм массы корабля), но эффективность будет небольшой.
Поскольку природных внешних ресурсов в межпланетном, а тем более межзвёздном, пространстве нет; а без них ракета должна везти "всё с собой", (представьте себе, что Вы едете на курорт на 5 дней, и везёте с собой газовую плиту, платяной шкаф, электростанцию и повариху тётю Дашу…), то естественно задуматься – а нельзя ли как-то создать условия, чтобы всё-таки получать то, что вам нужно, на месте, ну хотя бы энергию и топливо. Везти с собой в ракете не продуктовый магазин, а чековую книжку, и получать всё необходимое в любой точке пространства (ну или хотя бы иметь возможность заказать доставку по предварительной договорённости).
Несмотря на важность этой темы, примеров успешного использования искусственно созданных внешних ресурсов в космическом пространстве пока нет, за исключением быть может китайских опытов по перемещению спутников с помощью тросов, да японского проекта орбитального лифта, который ещё неизвестно будет ли.
Однако существуют две концепции, которые мне кажутся ценными и полезными, и которые я постарался, в меру своих сил, "позаимствовать" и развить, объединив в нечто пригодное для практического использования… Это два кита, на которых можно возвести что-то большее.
***
Первая базовая идея состоит в использовании импульса внешних движущихся тел (летящих металлических шариков, мячиков, пуль, снарядов, струи жидкости, газа, частиц или потока излучения) для передачи импульса разгоняемому космическому аппарату. Это, в общем, логично: передавать импульс телу от другого тела, у которого он уже есть. Футболисты и теннисисты постоянно так делают, и это работает.
Эта концепция пока очень скромно разработана, но отдельные проекты такого рода есть. Из них стоит упомянуть "космический фонтан" и близкую к нему концепцию разгона ракеты летящими металлическими шариками. (есть ещё проект разгона спутников непосредственно световым давлением лазерного луча, но этот вариант не жизнеспособен, разве что для очень малых корректировок скорости, в пределах 1 метра в секунду, по причине ничтожного КПД такого способа передачи импульса. Гораздо лучше вариант нагрева лазером рабочего тела, находящегося на борту ракеты; такой способ, в принципе, позволяет разогнаться даже для межпланетного перелёта, вот только для этого требуется маленькая атомная электростанция, и лазер постоянной гигаваттной мощности, с фокусирующими зеркалами размером в маленький школьный стадион, и всё это надо поднять за пределы атмосферы, хотя бы километров на 20, или разместить на Луне. В принципе, реально, но вряд ли дёшево).
Концепция "космического фонтана" была впервые представлена усилиями нескольких людей (Википедия приводит имена 6 из них: Роберт Л. Форвард, Марвин Мински, Джон Маккарти, Ханс Моравец, Родерик Хайд, и Лоуэлл Вуд). Больше информации о ней можно найти в книге Роберта Л. Форварда «Indistinguishable From Magic».
Но, правда, исходная концепция предлагала не совсем рациональный способ использования энергии летящих микро-снарядов ("металлических гранул"): при скорости самих гранул более 4 км/с, предлагалось всего лишь удерживать над поверхностью земли (правда на большой высоте, 100 и более километров) неподвижную платформу; для чего, как я думаю, всё же найдутся менее затратные способы.
Но сам принцип эффективен: передать телу импульс от другого тела, у которого он уже есть. Эффективность передачи кинетической энергии при некоторых условиях может достигать 100%.
Я также, как мне кажется, встречал упоминание о том, что какой-то итальянский, (вроде бы) изобретатель (или, возможно, один из выше перечисленных людей, хотя, наверно, это было намного раньше) предложил также использовать аналогичный принцип и для разгона ракеты – то есть стрелять в стальную плиту стальными шариками, передавая летательному аппарату импульс. Принцип хороший, и видимо далеко не новый; правда, впоследствии мне не удалось больше найти упоминаний об этом. Но я именно этот исходный принцип взял за основу концепции, развитой и изложенной в Главе 3 (хотя там многое не совсем так: вместо шариков – газ, вместо стальной плиты магнитное поле, и <шарики> <газ> высокотемпературная плазма влетает в сопло ракеты не только сзади, но и спереди…)
Я считаю, что развил эти идеи достаточно далеко от исходного прототипа, и сделал результат настолько эффективным, насколько это вообще возможно, при современном уровне знаний физики. Насколько эффективным может быть результат, и как его достичь, описано в Главе 3.
***
Но есть ещё вторая концепция, прямо не связанная с первой, но дополняющая её, и столь же важная. Вместе они могут создать фундамент для действительно полноценного освоения космоса.
Я предложил эффективный двигатель; но для него, однако, надо много энергии. В принципе, всё не так уж плохо – с помощью электромагнитных пушек всё же можно довести скорость носителей кинетической энергии до 20-30 км/с, и успешно осваивать ближайшие планеты. Но чтобы лететь дальше, и быстрее – энергии надо намного больше.
И вот тут оказывается, что энергию можно вовсе даже не тратить. А даже вовсе наоборот получать, и столько, что больше уже никому никогда не понадобится. Надо только немного подумать:)
Эту идею предложили задолго до меня, 55 лет назад. (Возможно, я даже когда-то в детстве читал эту статью, хотя потом забыл про это; но где-то в подсознании эта идея засела, и потом зудела там следующие 30 лет, превратившись в то, во что она превратилась, в главе 4 и последующих).
54 года назад в журнале "Техника-Молодёжи" (1970/11, с.56-58) была опубликована статья известного писателя-фантаста Георгия Гуревича "Увлекательная гравитация", где он предлагал проект гравитационной электростанции на лунном веществе: запускаем снаряд с поверхности Луны за 3 МДж энергии, ловим на Земле (или на низкой орбите) – получаем 60 МДж/кг. (На 30% больше, чем при сгорании килограмма бензина).
Как источник энергии для наземных объектов дороговато, но можно использовать в качестве источника внешнего топлива для вывода грузов на околоземную орбиту: если микро снаряды будут догонять ракету с относительной скоростью 11 км/с, то после их испарения в сопле двигателя и вылета газа обратно, получится удельный импульс 19-20 км/с, что очень хорошо. Правда, по мере разгона самой ракеты, относительная скорость снарядов, и соответственно передаваемый ими ракете импульс, будет уменьшаться, но даже при относительной скорости всего 3 км/с (т.е. при достижении ракетой первой космической скорости) удельный импульс составит 5 км/с при испарении пассивного вещества (например гидразина, перекиси или СО2), и до 8 км/с при стрельбе топливными капсулами с кислородно-водородной смесью, что всё ещё лучше, чем показатели обычного химического топлива; причём, это топливо находится не в ракете. Масса ракеты, при разгоне от 0 до 8 км/с, вообще не изменится. Достаточно вначале подбросить ракету вертикально вверх на 100 км (из катапульты или с помощью небольшого возвращаемого твердотопливного ускорителя), и дальше её можно разгонять бесплатно (пока снаряды могут её догнать с относительной скоростью хотя бы 2-3 км/с).
Я, (независимо от Георгия Гуревича и Жюля Верна :) лунный вариант тоже рассматривал, но в основной текст не включил, по причине скромных энергетических показателей (дальше низкой околоземной орбиты так не выйти, хотя можно использовать для отработки технологии на низких скоростях, притом без всяких электромагнитных пушек, а также для вывода на околоземную орбиту заправленных ступеней ракет-носителей для межпланетных полётов. Хотя, вообще, вариант хороший. Умный человек плохого не выдумает ;)
У меня в основном предлагаются варианты "пожирнее" с точки зрения энергии, хотя и сложнее для разработки и реализации. Но начать можно с "Лунного" варианта, он очень хорош тем, что очень прост.
Поражает как точность и краткость подачи идеи Г. Гуревичем (у автора статьи в 2 страницы влезло то, что у меня заняло страниц 30, ну правда с расчётами), так и степень непонимания рецензента, "кандидата наук", который тут же рядом с текстом статьи поторопился написать комментарий от редакции, в синей рамочке (какой-то лепет эстоннского академика про то, что "в гравитационном поле дефекта массы наверно нету, и камень наверно не упадёт")…
Автор статьи ведь чётко же сказал: "Луна целиком состоит из первосортного угля" :)
Текст рецензента вклинивается прямо в середине между колонками самой статьи, и немного мешает (отделён синей рамочкой), но отличить легко – по глупому "псевдонаучному" стилю, и выражениям типа "псевдоскалярное поле", "в гравитационном поле масса покоя постоянна" и "дефект массы не может привести к выработке реальной энергии". (он молоток себе на ногу ронял, этот рецензент? Дефект массы отобъёт вам палец даже в том случае, если вы не можете его обнаружить…)
К сожалению, разместить здесь отсканированный текст самой статьи не разрешили, но я очень рекомендую её прочитать (журнал "Техника-Молодёжи" 1970/11, с.56-58, "Увлекательная гравитация"). Иллюстрация на обложке всего номера журнала тоже посвящена этой статье.
Надеюсь, что теперь, спустя 55 лет после выхода этой статьи, люди всё-таки изучили арифметическое действие умножения, и уже знают, что инвариантом является произведение массы покоя на гравитационный потенциал, а не она сама. И что больше не будет такого дремучего непонимания простейших примеров из школьного учебника со стороны учёных докторов наук.
Не используя искусственные внешние ресурсы к звёздам не добраться.
Двигатель на подаваемом извне топливе и энергии в любом случае будет на порядки опережать по характеристикам любые типы двигателей с автономным запасом топлива, будь это хоть антивещество, и отказаться от использования такой возможности можно только с целью диверсии. (Каждый понимает, что троллейбус может проехать 100 тысяч километров без остановки, а аккумуляторный электромобиль нет).
Что касается использования гравитационной энергии вещества, то это вообще потенциально бесконечный источник энергии, и притом очень легко доступный, в том числе для снабжения межзвёздных кораблей.
Запас гравитационной энергии вещества планет в Солнечной системе, хотя бы по отношению к гравитационному потенциалу фотосферы Солнца, равен световому потоку от Солнца за 30 тысяч лет, и в миллионы раз больше, чем содержат все запасы урана, тория, дейтерия и лития на планете Земля. Этой энергии достаточно, чтобы разогнать Луну до скорости 0,3 с.
Я, конечно, не предлагаю прямо взять и потратить всё вещество всех планет для получения энергии. Нам же на них потом жить :)
Да и это очень, очень много.
Нам достаточно будет миллионной доли этого количества энергии (скажем, 1% массы Европы; это спутник Юпитера), чтобы освоить пару десятков ближайших звёздных систем; (1% массы Европы позволит разогнать до 0,5с 10 триллионов тонн звездолётов… вам зачем столько?); а уже в ближайших звёздных системах найдутся источники гравитационной энергии куда как калорийнее: например, система Сириуса, в 6,5 световых годах от нас, содержит, как говорят, белый карлик (с гравитационным потенциалом в 1000 раз большим, чем у Солнца), и 2 звезды-донора Солнечного типа. Это позволит разогнать до субсветовой скорости сто Юпитеров… … …
Вселенная готова дать нам бесконечное количество ресурсов и энергии для жизни и развития, даром, надо только протянуть руку и взять. Я знаю немногое, и могу предложить здесь только то, про что написал. В будущем появятся другие концепции, по сравнению с которыми всё это покажется доисторическим "паром и углём". (Неужели они правда летали со скоростью в половину световой… так долго…)
Всем приятного чтения :)
Реакция официальной науки на эту концепцию, как и на многие до этого, предсказуема: "это неправильно"…"это неправильно"…"это не правильно"… через 50 лет: "…это уже всем давно известно".
Я не надеюсь, что именно моя попытка популяризовать эту идею будет успешной; но, может быть, ещё через 50 лет кто-то это прочитает, и сделает новую попытку дать человечеству энергию по цене 0,1 цента за киловатт и космические запуски по 1 доллару за килограмм, на воде, взятой из речки. Обычно для внедрения чего-то принципиально нового в науку или технику надо от 3 до 10 попыток в течении 100-200 лет: в какой-то момент коллективный иммунитет привилегированного сообщества пользователей знаний даст сбой, и новая идея проникнет в общее информационное пространство, став доступной для всех. Потом найдётся кто-то, кто сможет получить прибыль, и вот тогда мы и узнаем, кто из официальных учёных станет автором этого всего ("он, вроде, упоминал об этом или чём-то похожем в частной беседе; это приравнивается к публикации").
Хотя, хотелось бы всё-таки побыстрее, ожидать ещё пол века до первого межзвёздного полёта долго. Нам бы хоть на Уран…
Путь к звёздам долог… особенно, если идти с привязанным к ноге ядром.