Человек всегда смотрел в небо, грезил о полетах и исследовании космоса. В двадцатом веке мечты начали сбываться: первый искусственный спутник, первый полет человека в космос, лунная миссия, МКС. Сейчас идут серьезные и не очень разговоры про миссию на Марс и строительство баз на Луне. Но если человечеству только еще предстоят длительные космические путешествия, то кинематографисты уже побывали там, куда не добьет даже Хаббл. Сегодня расскажу о космических путешествиях в кино и спроецирую их на реальность, ответив на вопрос: что требуется для осуществления подобного в жизни?
ЯДЕРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В фильмах «2001 год: Космическая одиссея» и «Пекло» фигурируют корабли на ядерных двигателях. Фильм Стенли Кубрика снимался в эру докомпьютерных технологий, поэтому USS Discovery Оne– это макет, который установили в павильоне и анимировали по кадрам, задействовав в съемках нечто вроде прототипа системы управления движением или моушн-контрол. У нас на канале есть серия роликов про историю спецэффектов, в которых Космической Одиссеи уделено пристальное внимание. Обязательно посмотрите.
По легенде, Discovery Оne, достигавший в длину не менее 120 метров, был построен в космосе. Две трети размеров приходится на каркас, который защищал членов команды от радиации в инженерном отделении. Первоначально Discovery Оne должен был лететь посредством управляемых ядерных взрывов, но впоследствии создатели решили задействовать привычную реактивную тягу.
Discovery Оne в частности послужил прообразом для множества кораблей из других фильмов. В первую очередь, можно вспомнить судна «Икар 1» и «Икар 2» из фантастического триллера «Пекло» Дэнни Бойла, которые отправились с миссией к солнцу, находясь в тени гигантских щитов. Известный британский физик-теоретик Брайан Кокс выступил научным консультантом картины, поэтому в плане дизайна очевидных ляпов и противоречий с наукой там нет.
Так что ничего удивительного, что автоматический межпланетный аппарат «Паркер», миссия которого заключается в изучении Солнца с близкого расстояния, конструктивно напоминает «Икар 2». Паркер, стартовавший с мыса Канаверел, оснащен термозащитным экраном толщиной 11,43 сантиметра, изготовленным из углеродных композитных материалов и покрытым специальным керамическим напылением для отражения максимального количества излучения.
Специальные датчики следят, чтобы сам зонд и его оборудование всегда находились в тени теплового щита.
Киношные «Икары» — это компьютерная графика и анимация производства студии MPC. Ассет корабля был одним из самых больших в истории для компании на тот момент. Общий дизайн судна был разработан арт-департаментом. Модули, секции и экран прорабатывали и уточняли уже трехмерщики и художники MPC. Жилая секция насчитывала 50 модулей и была длинной около 300 метров. Ее созданием занимались пять моделлеров. Художественный департамент подготовил арт-бук по объекту, который напирал на реальные космические станции – МКС и МИР, но художники MPC также обращались за идеями к изображению радиотелескопа London Eye.
Ну, хорошо с кино разобрались, а как на счет реальной науки и полетов в космос на кораблях с ядерными двигателями?
НАУКА
В 1956 г. Комиссия США по атомной энергии (АЕС) начала всерьез изучать ядерные ракеты в рамках проекта «Ровер». Были проведены тщательные расчеты для межзвездного корабля, основанного на принципе использования атомного реактора для нагрева газов, таких как водород, до чрезвычайно высоких температур, чтобы получаемую энергию применять для создания тяги. По оценкам такой корабль мог бы за год слетать до Плутона и обратно, развив при этом скорость равную 10% скорости света. Но даже в этом случае до ближайшей звезды пришлось бы лететь 44 года. В 1959 г. компания General Atomics выпустила доклад, в котором провела оценку размеров корабля типа «Орион». Самый крупный вариант, названный в докладе «супер-Орионом», должен был весить 8 млн т, иметь диаметр 400 м и двигаться на ударной волне от более чем тысячи водородных бомб. Радиация и радиоактивное заражение были главной проблемой, связанной с проектом. По оценке ученых, ядерные осадки от каждого запуска вызывали бы смертельную форму рака у десяти человек. Помимо этого, электромагнитный импульс от взрыва был так велик, что непременно спровоцировал бы серию коротких замыканий в расположенных неподалеку электрических системах.
Учитывая опасность взрыва и рассеивания в атмосфере Земли токсичного ядерного топлива, прототипы ядерных двигателей устанавливали в горизонтальном положении на железнодорожные тележки. Первый двигатель, испытанный в рамках проекта «Ровер» в 1959 г., получил название «Киви-1». В 1960-х гг. NASA присоединилось к программе для совместного создания атомного двигателя. Этот ядерный движок был первым, который испытали в вертикальном, а не в горизонтальном положении. Результаты исследований оказались весьма противоречивыми из-за сложности ракет и частых поломок. В ядерном двигателе возникали очень сильные вибрации, оболочки тепловыделяющих сборок лопались, и ракета разваливалась. Еще одной постоянной проблемой оказалась коррозия из-за горения водорода при высокой температуре. В итоге в 1972 г. ядерная ракетная программа была закрыта. И только в 2003 NASA возобновило исследования по ядерной ракете, окрестив свой новый проект «Прометеем» в честь греческого бога, давшего человечеству огонь. В 2005 г. на программу «Прометей» было выделено 430 млн долл., но уже в 2006 г. финансирование урезали до 100 млн долл. Главной и не решенной проблемой ядерных ракетных двигателей по-прежнему остается их безопасность. Ни в какое сравнение они не могут идти с движками на химической реактивной тяге, и в ближайшие десятилетия нет предпосылок к тому, что ситуация измениться, и мы отправим пилотируемую ракету на них. Тем не менее, ядерный движок – это не киношная фантазия, а вполне себе реальность.
ВАРП-ДВИГАТЕЛИ
В мире кино есть две легендарных космо-оперы: «Звездные войны» и «Стартрек». Франшиза, запущенная Джорджем Лукасом, это незамутненное приключение, которое ничего не имеет общего с наукой. Со «Стартреком» все иначе, сериал всегда паразитировал на научных теориях. Возьмем, к примеру, Энтерпрайз и его варп-двигатель. Космолет капитана Кирка взлетает на импульсном двигателе, работающем не реакторе синтеза дейтерия. Этот движок Энтерпрайз использует для путешествий ниже скорости света. Но, когда предстоит совершить межзвездное путешествие на расстояние, требующее для покрытия световые годы, то включается варп-двигатель. Вот как он устроен на схеме. Сама идея двигателя, который искривляет ткань пространства-времени, была озвучена в 1931 году писателем Джоном Кэмпбеллом в романе «Острова в космосе». Кроме того эта тема есть у Айзека Азимова в знаменитом произведении «Я, робот». Но в мир кино подобное привнес и развил «Стартрек».
Первые сезоны сериала и первые полные метры создавались с использованием оптических эффектов и макетной съемки. Вот эта модель Энтерпрайза сейчас выставлена в Смитсоновском университете. Ее длина составляет 3,4 метра. Поначалу создатели сильно экономили на спецэффектах и не использовали даже системы управления движением камеры, ограничиваясь покадровой анимацией, но с ростом популярности проекта, выросли и бюджеты.
В 2009 году на экраны вышла новая киноверсия за авторством Джей Джей Абрамса, для которой был переработан дизайн «Энтерпрайза». Режиссер картины хотел, чтобы «Энтерпрайз» как ретро-автомобиль «Хот-род», сохранял традиционную форму, но в остальном дал студии ILM «огромную» свободу действий в создании звездолёта. Концепт-художник Райан Черч сохранил большую часть оригинального дизайна и сосредоточился на проработке функциональности знакомых компонентов. В свою очередь супервайзер Роджер Гайетт из ILM проследил за тем, чтобы в модель привнесли движущиеся элементы, которые отсутствовали в статичных кораблях предшествовавших проектов. В конечном итоге в ILM сохранили тонкие геометрические формы и узоры, чтобы намекнуть на оригинальный «Энтерпрайз». Графика и анимация были реализованы в собственном программном комплексе Zeno и рендерере Renderman.
При всей фантастичности подобного проекта, в нем есть рациональное зерно. Согласно теории относительности Эйнштейна, ничто в пространстве не может двигаться быстрее света, но при этом никак не ограничивается скорость движения самого пространственно-временного континуума. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна неприкосновенна и нерушима. Зерно в том, чтобы не двигаться в пространстве, а двигать само пространство, которое перед кораблем сжимается, а позади него — расширяется. Сам корабль при этом не деформируется, а летит на сверхскоростях. Напомню, что скорость света = 1 варпу. А 9,9 варпа – предельная скорость в «Стартреке» — это уже в 2083 раза быстрее света. На такой скорости не покоришь Вселенную целиком, но до Плутона можно долететь за 9,5 секунд, а до Проксима-Центавра всего за 18 часов.
В сериале варп-двигатель функционирует за счет работы реакторов, в которых идет уничтожение материи и антиматерии. Проект понравился и зрителям и многим ученым. Во многом именно сериал и фильмы киносерии вдохновили молодого мексиканского физика Мигеля Алькубьерре в 1994 году сформулировать концепцию пузыря, а вслед за ним – и смоделировать прямой аналог варп-двигателя, получивший известность под названием «двигатель Алькубьерре».
В центре иллюстрации показан пузырь Алькубьерре, в рамках которого действует релятивистская физика Эйнштейна, и скорость света локально не превышается. Зато в «кильватере» пространство расправляется, а в направлении движения – сжимается. NASA со всей серьезностью отнеслось к теоретической проработке и экспериментальной проверке принципов, намеченных Алькубьерре. Cоздание такого двигателя уперлось почти сразу в фундаментальную проблему: Алькубьерре невозможен без отрицательной энергии, которой должно обладать вещество с отрицательной массой, а такого вещества во Вселенной пока не наблюдается.
Ученые предложили другой путь. Точнее немецкий физик Эрик Ленц. В ставшей популярной научной статье он напоминает о существовании одиночных волн или солитонов, перемещающихся на большие расстояния, не меняя при этом формы и не разглаживаясь. Их существование в космическом вакууме было подтверждено в 2002 году. Применив солитон вместо варп-пузыря в качестве носителя звездолета, получится обойтись только известной материей, имеющей положительную массу. В качестве материи, в которой предполагается возбудить такой солитон, Ленц видит магнитоактивную релятивистскую плазму, которая подчиняется уравнениям Максвелла и Эйнштейна.
Разумеется, масса, которую необходимо преобразовать в энергию для создания сверхсветового солитона, остается вне наших технических возможностей, поскольку составляет несколько масс Юпитера. Но на уровне теории создание варп-двигателя возможно и не противоречит, ни одному известному нам фундаментальному закону физики.
Знаменитый ученый и популяризатор науки Митио Каку считает, что такой двигатель будет изобретен в ближайшую тысячу лет. Но, а пока это не произошло – смотрим зрелищное кино и летаем в космос на привычном топливе.
