Лунная пыль – в стальные паруса звездолетов

Запуск с Луны потока лунного вещества производится не в распыленном виде, а в компактном, в грузовых контейнерах, оснащенных двигателями коррекции. Иллюстрация создана нейросетью Kandinsky 3.0.

Промышленности становится тесно на планете. Уникальные условия для повышения эффективности индустрии и ее расширения – в космосе: даровой высокий вакуум; технологически важная длительная микрогравитация; легкость нагрева тел до 6000 °С и их охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю; неограниченные запасы золота, платиноидов, редкоземельных и цветных металлов; возможности создания солнечных электростанций, в пять-семь раз более эффективных, чем земные; уникальные телекоммуникационные возможности для обеспечения связи на Земле.

Цена выхода в космос

С 60-х годов прошлого века разработано много проектов промышленного использования внеземного пространства. Но пока рентабельной деятельностью стало только одно направление – эксплуатация телекоммуникационных спутников. Остальные направления космического бизнеса на основе ресурсов внеземного пространства нуждаются в радикальном сокращении транспортных расходов. Очевидно, что такие сокращения требуют новых технических решений.

Недостатки ракетного транспорта хорошо понимают организаторы космической деятельности и современные исследователи проблемы.

Академик Анатолий Коротеев так оценивает ситуацию: «Мы имеем сегодня неэкономичные транспортные средства. Представьте, из каждых 100 т, улетающих с Земли, в полезную нагрузку в лучшем случае превращается 3%. Это для всех современных ракет. Все остальное выбрасывается в виде сгоревшего топлива… Космонавтика сегодня испытывает состояние, близкое к тому, в котором авиация оказалась после Второй мировой войны, когда стало ясно, что с поршневыми двигателями уже невозможно... иметь экономически выгодную авиацию. Тогда... в авиации произошел скачок, и от поршневых двигателей перешли к реактивным. Примерно та же ситуация сейчас в космической технике».

Космонавт-испытатель и теоретик космонавтики, кандидат технических и доктор философских наук Сергей Кричевский характеризует современное состояние ракетно-космического транспорта: «С научной точки зрения космическая ракета – это огромный «паровоз» с КПД всего 1–3%, остальная же часть стартовой массы превращается в отходы, продолжая создавать проблемы для окружающей среды. Безальтернативный, чисто ракетный этап в развитии космической деятельности подходит к концу. А что придет ему на смену, зависит от нас».

Ракета, особенно на химическом топливе, – наихудший вид транспорта с точки зрения экономики и грузовой эффективности. Ракете следует искать замену. По словам Циолковского, ракеты для него только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель: «Будет иной способ передвижения в космосе – приму и его... Вся суть – в переселении с Земли и в заселении Космоса».

Создание многоразовых сверхтяжелых ракет – это только часть решения проблемы. Если компания SpaceX добьется сокращения стоимости вывода груза в космос до 100 долл/кг, то при полетах, к примеру, на Луну, цена доставки вырастет до 1000 долл/кг. И это при условии дозаправки ракеты на Луне топливом для полета обратно к Земле. Без дозаправки цена полета «туда и обратно» вырастет до 3000–5000 долл/кг.

Но даже такие цены – несомненный прогресс. Однако высокий ценовой порог входа в космическую индустрию сохраняется, превращение земной цивилизации в космическую затягивается. Технологический прогресс есть, но не в космонавтике. Гаджеты, программные приложения, нейронные (AI) и социальные сети бурно развиваются, но это развитие одностороннее, происходит на фоне стагнации.

Вот что говорит по этому поводу нобелевский лауреат по физике Андрей Гейм: «У меня есть мечта. Индустриальная революция и экономический рост продолжаются. И все потому, что астрономы обнаруживают огромный астероид, который протаранит Землю через 50 лет. Вот это будет достаточно страшно. Человечество, разумеется, сможет справиться с этой угрозой, но для этого ему потребуется развивать действительно новые технологии. Люди наконец поймут, что социальные сети могут сделать отдельных людей очень богатыми, но не могут спасти планету. Для этого нужны фундаментальные открытия».

Ждать ли нам эти открытия и изобретения или они уже созданы и дело только в их развитии? Давайте разберемся.

Рис. 1. Процесс ускорения корабля импульсами от ядерных взрывов.

В чем основная проблема ракеты? Ракета не использует внешние вещество и энергетические ресурсы. Принцип ее работы – «все свое несу с собой». В этом причина ее низкой эффективности. Для ядерной ракеты это еще не так обременительно, но для химической ракеты – почти непосильная ноша. В физическом смысле ракету вполне можно рассматривать как своего рода галеру космического флота, ведь источник энергии для движения она несет в себе и это ограничивает ее возможности.

Поэтому эффективной альтернативой ракете должны стать космические корабли, которые для движения используют внешние источники энергии и вещества. Очевидно, что в космосе имеется огромное количество таких внешних энергоматериальных источников, которые космические корабли могли бы использовать для движения так же, как морские парусники. Какие же потоки должны использовать космические корабли, чтобы выйти на околоземные орбиты и межпланетные трассы?

Более 400 лет назад в одном из писем к Галилео Галилею другой выдающийся математик, астроном и механик Иоганн Кеплер предсказал космические полеты за счет силы солнечного ветра: «Предвижу корабль или паруса, приспособленные к небесным ветрам, и найдутся люди, которые не побоятся даже пустоты [межпланетного пространства]…» Кеплер заметил, что хвосты кометы направлены в сторону от Солнца, и предположил, что этот эффект вызван воздействием Солнца. В силе, порождающей феномен хвоста кометы, Кеплер увидел силу, способную дать движение небесным парусным кораблям.

Сегодня идея солнечного парусника получила материальное воплощение. Солнечные парусники очень эффективны за пределами Земли. При замене солнечного излучения особо мощным лазерным парусники можно разогнать до субсветовых скоростей. Но они не способны сами себя вывести с Земли на орбиту. Парусные аппараты надо вначале доставить на околоземную орбиту обычными химическими ракетами и лишь затем вне Земли они могут реализовать свои преимущества.

Чем можно заменить неэффективную химическую ракету при запусках космических аппаратов с Земли? Предложений, как решить этот вопрос, много. Одним из самых эффективных было предложение использовать ракеты с ядерным импульсным двигателем.

Идею выдвинули в 1955 году американские физики Станислав Улам и Корнелиус Эверетт. Сами разработчики указывали, что корабль с таким двигателем – это разновидность парусника. Здесь солнечный свет заменен светом искусственного солнца – излучением ядерных взрывов небольших зарядов. Каждый взрыв ярче тысячи солнц.

Рис. 2. Проект американского 4000-тонного космического корабля «Орион» с ядерным импульсным двигателем.

При каждом взрыве мощный поток излучения испаряет специальную жидкость (графитовую суспензию), автоматически разбрызгиваемую по поверхности плиты перед взрывом, превращает ее в плазму. Плазма разлетается со скоростью в десятки километров в секунду. По закону сохранения импульса плита получает импульс в противоположном направлении и через амортизатор передает импульс кораблю (рис. 1).

Способ очень эффективный, но из-за экологических ограничений реализацию проекта ядерного корабля остановили. Такие корабли безопасно запускать только в космосе, на значительном удалении от Земли, и в космос они должны выводиться той же химической ракетой.

Работы по этой теме интенсивно велись в США. Программа называлась «Орион». Одним из участников рабочей группы был известный ученый Фримен Дайсон. Использование химических ракет он считал иррациональным. Проводились испытания с летающей моделью, разгоняемой обычными зарядами взрывчатых веществ (ВВ). Плита с графитовым покрытием тоже была апробирована при взрыве термоядерного заряда на атолле Эниветок.

В СССР также исследовали возможность взрывного разгона ракеты. В 1961 году академик Андрей Сахаров докладывал на совещании о разработке импульсного ядерного двигателя для корабля ПК-3000 (пилотируемый комплекс со стартовой массой 3000 т). В проекте «Орион» межпланетный вариант корабля имел массу 4000 т (рис. 2).

Работы по данным проектам в США и СССР прекратились в 1963 году, когда был подписан Международный договор о запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой.

В итоге проект корабля с ядерным импульсным двигателем был модернизирован новым поколением разработчиков: источник излучения в виде ядерных зарядов было предложено заменить лазерным излучением, подаваемым наземными установками. Такое решение позволит запускать космические корабли с Земли без опасных экологических последствий, как при ядерных взрывах. Однако лазеры требуемой мощности еще не производятся промышленностью. И еще долго будут мечтой. При этом из-за высокой стоимости сверхмощных лазерных установок запуски в космос могут оказаться совсем не дешевыми. Требуется иное решение.

Только пыль летит!

Перспективное направление – использование потоков вещества (плазмы, газа, пыли) вместо светового излучения для действия на космический парусник. При равной энергии, идущей на формирование потока электромагнитного излучения и потока вещества, эффективность действия на парус оказывается больше у вещественного потока.

Существуют проекты использования микропеллет вместо фотонов – подачи на паруса космических аппаратов потока микрочастиц вещества, которые предварительно разгоняются лазерным излучением. Парус должен иметь абляционное покрытие (от лат. ablatio – «отнятие; унос массы»). Разгон парусников лучом из пылевых частиц оказывается многократно эффективнее разгона просто лазерным лучом. Автор проекта – Артур Давоян, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. От NASA получен грант в 175 тыс. долл. на дальнейшую проработку проекта, получившего название «Гранулированный разгонный луч» (Pellet-beam propulsion).

Рис. 3. Принципиальная схема работы системы Satpush.  Иллюстрации автора

В 1984 году на XIX Чтениях им. К.Э. Циолковского было рассмотрено предложение А.В. Андреева о создании высокоскоростного потока из лунной пыли для межорбитальных перемещений космических аппаратов (с аблирующей плитой-парусом). Пылевой поток создается чисто механическим способом, без использования лазерного излучения. При этом он самоускоряется за счет гравитационного поля Земли – на Луне пыль выбрасывается электромагнитной катапультой со скоростью около 2,5 км/с, а в околоземном пространстве скорость потока возрастает до 10,9 км/с. Кинетическая энергия пылевого потока в конце пути возрастает в 19 раз относительно энергии, сообщенной электромагнитной катапультой.

Прирост энергии, по сути, даровой. Он реализуется за счет превращения потенциальной энергии лунного вещества в гравитационном поле Земли в кинетическую энергию. Первоначальный вклад энергии от электромагнитной катапульты составляет всего 5,3%, а 94,7% – это даровая энергия.

Еще раньше, в 1979 году, E. Зингер на 4-й конференции по космическим производственным предприятиям Принстонского университета предложил проект отклонения астероидов с опасных траекторий, ведущих к их столкновению с нашей планетой. Передачу корректирующих импульсов опасным астероидам он рекомендовал осуществлять потоками пыли от других астероидов, создавая облако из дисперсных материалов других астероидов. Потоки создаются аппаратами, которые заранее доставляются на соответствующие контрастероиды.

Расчеты показывают, что условный астероид А. Гейма, угрожающий гибелью Земле через 50 лет после обнаружения, реально перенаправить таким способом на безопасную траекторию, если заблаговременно воздействовать на него в определенных точках его орбиты. Вместе с тем понятно, что без освоения космоса частного решения недостаточно: только в случае масштабной индустриализации космоса будут созданы эффективные средства для устранения любой астероидной опасности. А для этого необходим дешевый космический транспорт.

В потоках лунного вещества

Итак, отклонить опасные астероиды возможно. Однако необходимое оборудование – катапульты, источники энергии, средства межорбитального маневрирования и т.п. снова должны быть выведены с Земли в космос неэффективными химическими ракетами. Тем не менее решение проблемы имеется (это система Satpush). На него выдан патент, оно публиковалось в научных изданиях, обсуждалось в профессиональных объединениях разработчиков ракетно-космической техники. Вот логика решения.

Потоки лунного вещества могут иметь плотность, достаточную для создания ускорений космических парусников в десятки и сотни метров в секунду. Это означает, что выход в космос при помощи ракет может быть простым суборбитальным прыжком на высоту 150–200 км, так как на вершине траектории корабль может быть подхвачен пылевым потоком и быстро ускорен до первой космической скорости. От замены космических ракет суборбитальными ракетами выигрываем увеличение в 20 и более раз массы полезного груза на ракете. Что это означает на практике?

Например, применительно к сверхтяжелому носителю SpaceX Starship, у которого полезная нагрузка около 100 т, это означает увеличение массы груза до 2000 т. Если космический SpaceX Starship обеспечит заявленную цену запуска в 100 долл/кг груза, то в суборбитальном варианте цена сократится в 20 раз – упадет до 5 долл/кг! Сегодня минимальная цена запуска – 3000–5000 долл/кг.

Суборбитальный сверхтяжелый носитель Super Heavy SpaceX Starship сам не разгоняется космическим потоком лунного вещества – это невыгодно. При приближении к расчетной точке встречи с потоком носитель отделяет грузовой корабль (капсулу) с абляционным экраном, который при помощи маневровых двигателей входит в поток, а суборбитальный носитель возвращается на космодром. Грузовой корабль разгоняется и выходит на околоземную орбиту. При скорости потока на уровне 10,9 км/с и рациональном расходе вещества потока корабль разгонится до скорости 9 км/с (83% от скорости потока). Это оптимальное соотношение. Однако рассмотренный способ нуждается в серьезной коррекции.

Дело в том, что при выбрасывании потока пыли с дальнего расстояния из окололунной области, согласно схеме А.В. Андреева, будет происходить значительное рассевание потока в поперечнике. Большая часть вещества не окажет давление на выводимый аппарат, бесполезно пройдет мимо.

Кроме того, через околоземное пространство проходят орбиты спутников и плотный поток пыли окажет разрушительное влияние на спутниковые группировки. Устранение этих проблем достигается запуском с Луны лунного вещества не в распыленном виде, а в компактном, в грузовых контейнерах, оснащенных двигателями коррекции. Распыление лунного вещества производится в перигее орбиты контейнеров, на высоте около 200 км.

Также в качестве вещества потока целесообразно выбрать воду, другие жидкости и/или мелкодисперсный лед этих жидкостей, а не каменную пыль. В аспекте ударного взаимодействия потока с абляционной плитой-парусом ледяная пыль значительно лучше каменной, выделенной из реголита.

Satpush (от англ. satellite – «спутник» и push – «толчок, давление, удар, напор») – рабочее название транспортной системы с разгоном космического аппарата (КА) попутным гиперзвуковым потоком. Таким образом, проект Satpush – это концепция космического корабля, аналога Orion. Но движущей силой вместо ядерных взрывов являются удары – регулярные толчки порций вещества, извлеченного из Луны или астероидов и разогнанного за счет превращения собственной потенциальной энергии в кинетическую при сбросе в гравитационный колодец Земли. Затраты энергии на сброс вещества составляют около 5% при использовании лунного сырья и десятые и сотые доли процента при использовании сырья некоторых околоземных астероидов.

Суть проекта Satpush в том, что удары порций вещества очень низкой плотности, около 0,1–1 кг/м3, в абляционную плиту на корме корабля не оказывают разрушительного воздействия и при этом создают значительную силу, которая способна разогнать корабль до орбитальных скоростей. При скорости толкающих порций вещества или пушеров (толкателей) около 11 км/с корабль разгоняется до 8–9 км/с. При этом суммарная масса пушеров (для случая идеально упругого отражения потока вещества) составляет 80% массы разгоняемого корабля.

Потоки из последовательности пушеров создаются кортежами КА из бортовых запасов внеземного вещества. Формирование таких запасов наиболее выгодно за счет лунных ресурсов.

Для разгона корабля используется кортеж пушеров – последовательность объектов, движущихся по единой траектории или в пределах заданного коридора. До момента столкновения с кораблем пушер находится в сцепке с КА-носителем. Отделение пушера от КА-носителя происходит за несколько секунд до столкновения с кораблем. Капельно-пылевой пушер (как облако частиц вещества) создается за несколько секунд до столкновения, при этом часть вещества, не вступившего в контакт, улавливается вспомогательным КА и используется повторно. Части пластин из мезопористого материала, не столкнувшиеся с тяговой плитой корабля, также утилизируются. КА после сброса пушеров возвращаются для пополнения запаса лунным или астероидным материалом (рис. 3).

Пушер – объект низкой плотности. Пушеры могут изготовляться из недорогих мезопористых материалов. Удобным конструкционным материалом могут стать замороженные пены высокой кратности из водных растворов. Пушеры могут формироваться непосредственно перед применением в виде облака из капель и микрокристаллов водных растворов и других жидкостей, например жидкого кислорода, азота и твердой двуокиси углерода. Устройство формирования таких капельных образований известно – это генератор потока монодисперсных капель жидкости для космических холодильников-излучателей.

Жидкий переохлажденный кислород – наиболее перспективное рабочее тело для формирования пушеров. В статье «Лунная промышленность на новых физических принципах» (см. «НГ-Наука» от 12.12.23) рассмотрена технология производства кислорода на Луне при помощи промышленных термоядерных взрывов. Цена лунного кислорода – меньше 1 долл/кг (при возможности снижения цены до четверти доллара). Объем производства – до 1 млн т на 8 Мт суммарной мощности зарядов. После экспорта сжиженного кислорода с Луны и сброса аппаратов с кислородом в гравитационную яму Земли его цена для потребителя увеличится до 1–3 долл/кг. На каждый 1 млн т пушеров, полученных из кислорода, можно вывести с Земли на орбиту до 1 млн т грузов. Кванты груза – до 2000 т. С учетом затрат на запуск суборбитальным носителем в 5 долл/кг суммарные затраты на выход в космос составят 6–8 долл/кг.

Такой уровень цен – это революционный прорыв в космической транспортной технологии. Создается реальная основа для индустриализации Луны, пояса астероидов, а затем – всего пространства Солнечной системы. Становится рентабельной добыча золота, платиноидов, редкоземельных и цветных металлов на астероидах. Давние планы снабжения Земли энергией из космоса будут реализованы. Появляется возможность быстрой и недорогой расчистки околоземного пространства от космического мусора. Индустриализация космоса обеспечит планету защитой от перегрева и затопления водами полярных льдов – планы сооружения космического зонтика в точке Лагранжа между Солнцем и Землей также станут реальны.