Спросите Итана: сможет ли атмосфера затормозить космический корабль?

 В прошлом году Юрий Мильнер и Стивен Хокинг объединились для создания проекта Breakthrough Starshot. Их план состоит в использовании огромного массива лазеров, который будет ускорять очень лёгкий лазерный парус. Парус, с прикреплённым к нему «кораблём на чипе» разгонится до скорости, превышающей 20% от скорости света, и направится к одной из ближайших звёзд. С такой скоростью он должен прибыть к своей цели в течение одной человеческой жизни – потрясающее достижение! И хотя на пути этого проекта стоит невероятное количество экономических и технических препятствий, Алекс Стоктон, надеясь на успех, задаёт вопрос по поводу прибытия корабля:

Мы с отцом обсуждали возможности космического корабля, предлагаемого Мильнером и Хокингом. Отец считает, что его сможет затормозить атмосфера планеты, когда он долетит до своей цели. Я считаю, что ощутимо замедлить его не удастся, и всё это закончится мощным взрывом. Кто прав?

И действительно, целью отправки космического корабля на расстояние в несколько световых лет, к ближайшей планетной системе, не может быть простая пересылка космического мусора по галактике.

Мы хотели бы добраться до системы, изобилующей иными мирами, с возможностью изучить их, получить данные, и возвратить их обратно к тем людям, что всё ещё будут жить на Земле. Мы уже получили невероятное количество информации по поводу чужих солнечных систем благодаря нашей программе по изучению экзопланет, но – как показали миссии New Horizons, Dawn и Cassini, работавшие в нашей Солнечной системе – близкое обследование миров ничем не заменишь.

Если мы сможем туда добраться, это уже будет подвигом. Если мы сможем достаточно хорошо прицелиться и ускориться с подходящей точностью и с нужными значениями, наша скорость будет равняться примерно 60 000 км/с относительно любой планеты или солнечной системы, в которую мы прибудем. Задумайтесь об этом: 60 000 км/с, 216 млн км в час. Если такая скорость превышает всё, что вы можете себе представить – так оно и есть. Она превышает скорость любого известного нам макроскопического объекта, и это в сотни раз больше скоростей, необходимых для того, чтобы убежать от гравитационного притяжения нашей галактики. Если по пути вы влетите в небольшой участок с рассеянным нейтральным газом, нагрев будет невероятным. Ведь на скоростях в тысячи раз меньших вход в нашу атмосферу могут перенести только самые передовые из тепловых щитов.

Астронавт Боб Крипен с капсулой Gemini-B, и её потрёпанный, но целый тепловой щит

Но если вы двигаетесь в тысячу раз быстрее, ситуация становится в миллион раз хуже. Если вы открывали окно в машине на ходу, вы могли заметить нечто интересное: если ехать в два раза быстрее, сила сопротивления будет в четыре раза больше. Энергия, трение и разогрев космического корабля подвержены той же проблеме; если вы перемещаетесь с удвоенной скоростью, вы разогреваетесь в четыре раза быстрее, а если с удесятерённой – то в сто раз. Чтобы понять, что может испытать корабль Starshot в атмосфере, представим ближайшую аналогию для этого: метеор.

Большая часть метеоров, врезающихся в Землю во время метеорного дождя, сравнима по массе с нашим аппаратом – от 0,1 до 10 грамм. Количество кинетической энергии метеора пропорционально его массе и квадрату его скорости относительно атмосферы. Эти метеоры летят быстро: от 20 до 110 км/с, и обычно сгорают в атмосфере за долю секунды. Во время обильного и красивого метеорного дождя можно увидеть десятки или даже сотни всплесков в небе за ночь.

Теперь мы подходим к космическому кораблю: его масса сравнима с метеором, а вот скорость в 1000 раз больше. Это значит, что его кинетическая энергия, которую надо будет рассеять, будет в 1 000 000 раз большей, чем у типичного метеора. Планета, столкнувшаяся с космическим кораблём весом в 1 грамм, движущимся со скоростью в 60 000 км/с, испытает такую же катастрофу, как столкновение планеты с астероидом массой в 1 тонну, движущимся со скоростью в 60 км/с: эквивалент того, что на Земле происходит раз в десять лет.

Метеор 1860 года, художник Фредерик Эдвин Чёрч

На таких скоростях вещество космического корабля превратится в плазму, когда у атомов/молекул будут оторваны их электроны. Такой тонкий и распределённый корабль, какой планируют построить, будет дезинтегрирован за микросекунды – что хорошо, поскольку ему понадобится всего лишь 1 000 микросекунд на то, чтобы преодолеть толщину атмосферы, сравнимой с Земной.


В попытках сохранить космический аппарат в целости лучше всего будет положиться на присутствующий в точке прибытия такой же массив лазеров, который сможет облучить корабль светом той же частоты, что его разгоняла. Мы прекрасно справляемся с созданием материалов, способных отражать порядка 99,999% падающего на них света определённой частоты – благодаря этому концепция такого аппарата имеет право на жизнь. Но если вы врезаетесь во что угодно, отличное от света такой частоты – в любое другое излучение, или материю – вы будете поглощать огромное количество энергии. А на таких скоростях это будет означать дезинтеграцию. Так что, с сожалением сообщаю тебе и твоему отцу, Алекс, что сопротивление атмосферы замедлит ваш космической корабль, но сделает это в виде огненной катастрофы, которая уничтожит всё, что есть на корабле, вплоть до отдельных атомов.