Страница 4 из 8
3. Двигатель Шкадова: «звездные машины» и архитектура галактик
Ранее [1] автором была предложена схема модифицированного солнечного паруса – электрического солнечного паруса (ЭСП, ESS) сочетающего преимущества классического фотонного солнечного паруса и «электрического паруса» П. Янхунена [2], использующего для создания тяги заряженные частицы солнечного ветра.
На ближайшую перспективу ЭСП предлагается как двигатель космических аппаратов для исследования удаленных областей Солнечной системы, включая малые тела пояса Койпера. Однако в отдаленной перспективе для задач колонизации космоса представляет несомненный интерес возможность его масштабирования до размеров, сопоставимых с размерами орбит внутренних планет Солнечной системы. Для такого двигателя в дальнейшем принято название «электрический двигатель Шкадова» (EST). Для решения задач SETI, носящих не только научный, но и мировоззренческий характер, представляют интерес признаки применения такого двигателя. Представленные в статье выводы по вопросам SETI, в силу специфики проблемы, носят в значительной степени спекулятивный характер, однако позволяют не только интерпретировать отсутствие позитивных результатов в ряде проектов SETI – например, [3] – но и уточнить признаки возможной деятельности космических цивилизаций (КЦ).
Схемное решение
Наиболее масштабным примером применения классического солнечного паруса является двигатель Шкадова (ST – Shkadov thruster или stellar thruster), относимый к звездным машинам класса А (предназначенным для непосредственного создания тяги) [4, 5, 6]. Классический ST представляет собой крупноразмерную (сопоставимую с размерами орбит внутренних планет) конструкцию, выполненную в виде солнечного паруса, световое давление на который уравновешено гравитационным притяжением звезды. Поскольку давление излучения звезды в результате приобретёт несимметричный характер, разница в давлении создаёт тягу, и звезда начинает ускоряться в направлении парящего над ней паруса. Такая тяга и ускорение будут крайне небольшими, но такая система может оставаться стабильной в течение тысячелетий. Планетная система звезды будет перемещаться вместе с самой звездой. По имеющимся данным для «фотонного» ST, для такой звезды, как Солнце, со светимостью 3,85х1026 Вт и массой 1,99х1030 кг, общая тяга, производимая отражением половины солнечного излучения, будет равна 1,28х1018 Н. За временной промежуток в 1 миллион лет это даст изменение скорости на 20 м/с и удаление от исходной позиции на 0,03 световых года. Через один миллиард лет скорость будет составлять 20 км/с, а удаление от исходной позиции – 34000 световых лет.
Очевидным решением для увеличения изменения скорости и сокращения времени перемещения звезды представляется форсирование ST по тяге за счет использования отражения от паруса не только светового излучения, но и положительно заряженных ионов солнечного ветра. Это достигается модификацией ST в EST – приданием парусу электрического заряда. В связи с тем, что предполагается работа EST в течение длительного времени, для этого целесообразно использование не бета-радиоактивных изотопов, предложенных автором для малых космических аппаратов [1], а размещенных на внешней стороне паруса электронных пушек, аналогично конструкции П. Янхунена [2]. Питание электронных пушек может осуществляться за счет утилизации тепла поглощаемого конструкцией паруса светового и теплового излучения – например, с помощью термоэлектрических преобразователей. В случае изготовления полотна паруса, в соответствии с [1], из чистых металлизированных наноструктурированных пленок толщиной порядка сотен нанометров, целесообразно интегрировать термоэлектрические преобразователи непосредственно в конструкцию полотна паруса в виде многослойного пакета нанопленок различного состава, чем может быть обеспечена их высокая живучесть. Не исключено также использование тонкопленочных солнечных батарей традиционной конструкции, при условии обеспечения их достаточного ресурса.
Подробное рассмотрение различных типов возможной конструкции паруса выходит за пределы задач настоящей статьи. В качестве возможного варианта может рассматриваться самосборка (и последующий саморемонт) полотна паруса из стыкующихся друг с другом, относительно небольших, идентичных самовоспроизводящихся автоматических космических аппаратов – роботов, с как минимум одной плоской отражающей (рабочей) поверхностью. Первичное производство таких роботов может осуществляться в плоскости эклиптики за счет утилизации вещества астероидов, с дальнейшим перелетом в область полюса звезды (с использованием интегрированного в конструкцию робота электрического солнечного паруса), а дальнейшее поддержание их численности для ремонта паруса – за счет утилизации неисправных, не подлежащих восстановлению роботов. Таким образом, полотно паруса EST формируется из множества небольших идентичных взаимозаменяемых ESS, что обеспечивает его высокую живучесть. В отличие от медленных космических аппаратов проекта «Катализ» (см. часть 2 настоящей статьи), для конструктивных элементов паруса двигателя Шкадова при их перелетах со стороны пояса астероидов к полюсу Солнца допустимо использование для ускорения концентрированного солнечного, лазерного или микроволнового излучения.
Парус располагается по оси планетной системы со стороны одного из полюсов звезды. Исключение негативного климатического влияния на обитаемую планету отраженного парусом светового и ионного излучения потребует, например, в случае Солнечной системы, расположения паруса внутри орбиты Земли (а в случае обнаружения хотя бы простейших форм жизни в верхних, относительно холодных слоях атмосферы Венеры, по упоминаемым далее «экзогуманитарным» соображениям – и внутри орбиты Венеры), в отличие от классических астроинженерных конструкций класса В типа сферы Дайсона (В последнее время снова рассматривается вопрос возможности существования на Венере различных экстремофильных форм жизни. Ксанфомалити Л. В., Зелёный Л. М., Пармон В. Н., Снытников В. Н. «Гипотетические признаки жизни на планете Венера: ревизия результатов телевизионных экспериментов 1975—1982 г.г.». УФН 189 403–432 (2019). https://ufn.ru/ru/articles/2019/4/f/. Проверка ряда подобных гипотез предполагается, в частности, в рамках планируемой миссии «Венера-Д»). В этом случае утилизация тепла, поглощаемого конструкцией паруса, становится реальной задачей. Таким образом, по существующей классификации EST является звездной машиной класса С, предназначенной не только для создания тяги, но и для частичной утилизации энергии звезды. Регулирование освещенности обитаемых планет при динамической конструкции паруса возможно за счет создания напротив них вращающихся с той же угловой скоростью окон – в простейшем случае, поворотом части элементов паруса «на ребро» (по принципу жалюзи). Кроме того, динамическая конструкция из отдельных элементов позволит создавать некоторую асимметрию паруса и корректировать направление вектора тяги. Как фотонная, так и ионная составляющие тяги паруса EST мало изменяются со временем (их изменение обусловлено только эволюцией звезды).
При всей масштабности задачи построения паруса, она представляется вполне решаемой. Поскольку предлагаемая конструкция паруса является динамической, а не жесткой, ее масса может быть значительно ниже, чем для традиционно рассматриваемых вариантов астроинженерных конструкций. Так, объем полусферического полотна паруса радиусом порядка 1/3 а.е. (5х109 м) при толщине полотна 200 нм составит 3,14х1013 м3. При средней плотности материала полотна, равной площади железа (7800 кг/м3) его масса составит 2,448х1017 кг, что сопоставимо с массой таких астероидов, как Веста (2,67х1020 кг) и Эрос (6,69x1015 кг). Таким образом, для изготовления паруса может быть вполне достаточно менее 100 небольших астероидов или одного крупного. «Экзогуманитарные» ограничения развитой КЦ на использование тел планетной системы для добычи конструкционных материалов (по [8]) могут быть обойдены, например, за счет приоритетной утилизации объектов, угрожающих потенциальным столкновением с густонаселенными планетами.