Глава 12. Конструкция ракеты

Глава 12. Конструкция ракеты

Прежде чем рассматривать возможную конструкцию ракеты для отправки микроорганизмов на другую планету, обсудим для начала, как можно послать астронавтов. Для того чтобы продвигаться вперед с высокими скоростями, такому космическому кораблю потребуется очень мощный реактивный двигатель и хороший запас топлива. В нем должно быть как помещение для астронавтов, так и средства к существованию (пища, кислород и т. д.) для длительного путешествия в темноте, наряду со всеми приборами для контроля и управления ракетой и связи с родной планетой. Там должно остаться достаточно топлива для торможения космического корабля по прибытии и благополучной высадки астронавтов на какой-нибудь планете или астероиде выбранной звезды. Ни ускорение, ни торможение не должны быть такими сильными, чтобы нанести ущерб пассажирам. Космическому кораблю нет необходимости доставить их обратно, поскольку они скорее являются колонистами, чем путешественниками.

По очевидным причинам, они оказались бы в лучшем положении, если бы перемещались достаточно быстро. Если бы они могли лететь чрезвычайно быстро, близко к скорости света, то действовало бы релятивистское расширение времени. Несмотря на то, что путешествие, когда судишь о нем, находясь на любой звезде, могло бы потребовать тысячи лет, внутри космического корабля прошло бы только несколько десятков лет. Это один из самых замечательных выводов, который можно сделать на основе специальной теории относительности.

Оказывается, что для людей (в противоположность электронам) достижение расширения времени почти Невозможно, не только вследствие необходимости самых передовых технологий, но И вследствие основных законов физики, касающихся энергии, мощности и массы. Например, ракете необходимо много энергии, но она не должна быть слишком тяжелой. Поэтому необходимо богатое энергией горючее. Мы не знаем лучшего способа его выработки, кроме как в процессе аннигиляции антиматерии материей, но проблема безопасного хранения антиматерии, по-видимому, непреодолима. Следующий, почти не уступающий по качеству метод — использование ядерного синтеза, в процессе которого водород преобразуется в гелий, при этом гелий выбрасывается обратно, создавая тягу. Эдвард Перселл рассчитал, что даже с «идеальным» ракетным двигателем такого типа скорость на выхлопе составила бы только одну восьмую скорости света. На практике она окажется еще меньше. Ракета становится непроизводительной, как только она достигнет скоростей намного больше, чем скорость на выхлопе. Такие расчеты доказывают, что масса ракеты вместе с топливом окажется значительно больше, чем полезная нагрузка для того, чтобы достичь скоростей, близких к скорости света.

Кроме проблемы ускорения космического корабля до столь высоких скоростей, не говоря уже об уменьшении скорости по прибытии, еще одну существенную трудность представляет защита космического корабля от повреждений. Большая часть космического пространства пуста, но в ней встречаются случайные атомы и молекулы и даже мелкие частички пыли. Несмотря на то, что сами они перемещаются довольно медленно, они могут очень сильно удариться о космический корабль из-за собственной скорости космического корабля. При средних скоростях груз космического корабля и оборудование можно защитить толстым слоем материала, действующего в качестве щита. При очень высоких скоростях, приближающихся к скорости света, необходимая толщина становится невероятно большой.

Предлагались различные остроумные способы преодоления этих трудностей. Вместо того чтобы перевозить много топлива, космический корабль может собирать материю в космосе и использовать ее в качестве топлива. Даже если это можно было бы успешно осуществить, материя там настолько разрежена, что коллектор должен быть очень огромным, до ста миль в диаметре. Возможно, повреждения можно избежать, отклоняя материю в одну сторону, но это также представляется героическим предприятием. Таким образом, представляются хоть в какой-то степени жизнеспособными только те идеи, которые связаны с обеспечением ракетного двигателя энергией не из космического корабля, а с родной планеты, например, с помощью лазерного луча. Это позволит космическому кораблю быть относительно маленьким и легким (хотя все еще значительного размера), поскольку ему не нужно будет перевозить огромное количество топлива, необходимого при более традиционных методах. Даже эти способы, которые являются делом очень далекого будущего, вероятно, не будут приводить в движение космический корабль быстрее, чем с половиной скорости света. При такой скорости расширение времени имеет сравнительно небольшое влияние. Мы можем сделать предварительный вывод, что релятивистское космическое путешествие невозможно.

Это означает, что время, которое испытает команда, окажется просто расстоянием путешествия, поделенным на среднюю скорость космического корабля. Путешествие в сто световых лет с одной сотой скорости света заняло бы у них десять тысяч лет. В силу всего этого, почти самые короткие путешествия в самых современных космических кораблях, вероятно, будут длиться дольше, чем продолжительность человеческой жизни (конечно, существа, которые развились где-нибудь в другом месте, могут жить дольше). Нужно либо каким-то способом увеличить продолжительность жизни, заморозив астронавтов, если это окажется возможным, либо астронавты должны воспитываться в космическом корабле; но это не мой идеал хорошей жизни.

Уже достаточно сказано для доказательства того, что отправка космических переселенцев с какой-либо надеждой на успех является потрясающе трудным делом, далеко опережающим наши настоящие возможности. Изобретательность, настойчивость и требуемые усилия так огромны, что я сам сильно сомневаюсь, что мы или даже наши потомки успешно доведут их до конца, хотя нам не дано знать, что таит в себе будущее.

После такого ряда потрясающих предложений обращение к более земной проблеме отправки на другую планету простых бактерий воспринимается с облегчением. Для этого я опишу только методы, которые, хотя и невозможны сейчас, относятся к не слишком отдаленному будущему.

Решив, что космический корабль мог бы перемещаться довольно быстро, хотя и не столь быстро, как свет, не так легко угадать его наиболее вероятную скорость. Мы сами можем строить космические корабли, которые покинули бы Солнечную систему со скоростями порядка 3 миль в секунду, то есть 0,0015 процентов от скорости света. Не вдаваясь в подробности (можно ли использовать ядерный взрыв, или же луч с Земли мог бы обеспечить энергию ускорения и т. п.), представляется вполне определенным, что можно было бы сконструировать космический корабль, который летел бы с одной тысячной скорости света. Увеличение скорости до одной десятой скорости света представляется довольно трудным. Возможно, приемлемо предположение об одной сотой скорости света.

На расстоянии ста световых лет от Земли существует несколько тысяч звезд, и, вследствие ранее приведенных аргументов, мы не слишком удивились бы, если бы одна из них имела планету со средой того типа, которая нужна нашим бактериям. Естественно, на самых первых этапах жизни Вселенной звезды могли быть удалены друг от друга еще дальше. В качестве альтернативы эта древняя цивилизация могла появиться в той части галактики, где звезды были заметно ближе к друг другу. Однако вероятность обнаружить подходящую планету на расстоянии до десяти тысяч лет представляется довольной незначительной; на расстоянии до тысячи световых лет вероятность возрастает, поэтому предположение о ста световых годах, быть может, самое обоснованное из всех.

Это означает, что путешествие займет, очень приблизительно, десять тысяч лет. По нашим повседневным стандартам это огромное время, но мы должны задать вопрос, настолько ли оно длительное, что экспедиция непременно потерпит неудачу. Никто еще не сохранял бактерии в холоде в течение времени, хоть в какой-то степени приближающегося к этому, но те результаты, что у нас есть для более коротких периодов времени, говорят о том, что если их осторожно заморозить и подержать достаточное время в холоде, то, действительно, при таком обращении многие бактерии выживут в течение длительных периодов времени. Представляется весьма вероятным, что дальнейшие исследования легко приведут к способам, позволяющим сохранять бактерии в течение периодов времени длиной до десяти тысяч лет, и, возможно, даже до миллиона лет. В любом случае, представляется возможным перевозить такие большие их количества, что можно смириться даже с вполне значительной их потерей, при условии, что, по крайней мере, небольшое их число останется, чтобы заселить новую среду.

Более серьезная проблема заключается в обеспечении надежной работы космического корабля после десяти тысяч лет, проведенных в космосе. Она возникает потому, что ракета должна функционировать не только в начале путешествия, но и по его завершении. Доставка бактерий на планету — не простое дело. Нереально запустить ракету в пустое космическое пространство и надеяться на лучшее. Звезды настолько разбросаны, что при любой приемлемой скорости космический корабль, вероятно, пройдет прямо через галактику и выйдет с другой ее стороны. Подходящую звезду нужно выбрать как мишень, и ракета должна придерживаться курса в течение всего полета. Это было бы относительно простым делом. Основная проблема возникает, когда космический корабль, наконец, приближается к звезде. В этой точке он должен уменьшить скорость, что означает обязательную перевозку им ракетного топлива в течение всего пути и что двигатели ракеты и управляющая система все еще должны быть в хорошем рабочем состоянии. Тогда космический корабль сможет выбрать подходящую планету, самонавестись на нее и затем сбросить свой груз таким образом, что он уцелеет при прохождении через атмосферу и плюхнется невредимым в первозданный океан. Все это, видимо, не представляет непреодолимой трудности, но требует весьма высокоразвитой техники для того, чтобы различные составные части ракеты работали надежно после длительного путешествия в космосе. Проблемы выглядят решаемыми, но скорее в долгосрочном плане, нежели в ближайшем будущем.

Каковы бы ни были особенности космического корабля, представляется вполне вероятным, что он сможет перевезти и доставить очень много микроорганизмов. Судя на нашим ракетам, полезная нагрузка в двести фунтов была бы вполне разумной. Бактерии так малы, что в таком пространстве можно сохранить их от 10¹⁶ до 10¹⁷ Поскольку это число так велико, бактерии можно упаковать во множество отдельных пакетов. Это намного облегчило бы их доставку. Во время высадки эти пакеты можно было бы рассеять в атмосфере с тем, чтобы они могли достичь поверхности планеты во множестве различных мест. Каждый пакет, вероятно, следует поместить в оболочку, которая могла бы выдержать как тепловой поток, генерированный в процессе трения, по мере прохождения с высокой скоростью через атмосферу, так и сотрясение от удара при падении в океан (те, которые упадут на сушу, могут полностью пропасть). Оказавшись в воде, покрытие, вероятно, должно будет раствориться в ней, освободив таким образом бактерии. Все эти требования выглядят так, как будто их можно легко выполнить, проявив немного изобретательности. Многочисленная доставка имеет то преимущество, что даже если многие из пакетов упадут в неподходящих местах, некоторым повезет, и они найдут благоприятную среду. Для того, чтобы инфицировать стерильную планету, необходимо немного бактерий: может быть, достаточно даже одной, при условии, что она сможет успешно расти и делиться.

Поскольку, вероятно, было бы отправлено множество бактерий, то было бы разумно отправить несколько их видов. Какие именно их виды были бы выбраны, трудно судить, поскольку это до некоторой степени зависело бы от того, какие микроорганизмы имелись на той планете, откуда была отправлена ракета. Поскольку маловероятно, что в атмосфере новой планеты имелось бы много кислорода, то, по-видимому, посылка микроорганизмов, которые предпочитают метаболически усваивать свою пищу, используя кислород, является потерей времени. По- видимому, лучше было бы отправить те, которые заранее адаптировались бы к тем условиям, на какие можно было бы рассчитывать на новой планете. Все они могли бы использовать органические соединения в качестве источника энергии, но другие могли бы также использовать энергию, сохраняющуюся в некоторых минералах. По-видимому, крайне желательными были бы фотосинтез и, возможно, способность образовывать споры, по крайней мере, для некоторых организмов. Отправители вполне могли бы разработать совершенно новые штаммы микроорганизмов, специально предназначенные для копирования в пребиотических условиях, хотя не вполне ясно, не лучше ли попытаться сочетать все желаемые свойства в одном типе организма или послать много различных организмов. Каким бы ни оказалось лучшее решение, оно, по-видимому, не представляет очень серьезных трудностей, и такую исследовательскую программу уже можно было бы осуществить фактически сегодня, поскольку мы начинаем разрабатывать очень мощные методы по изменению генетического состава организмов, и особенно микроорганизмов. При изучении в 1976 году обитаемости Марса был сделан вывод, что лучший тип микроорганизмов мог бы основываться на существующих сегодня сине-зеленых водорослях. Как уже утверждалось ранее, поразительно, что древнейшие известные ископаемые микроорганизмы на Земле, по-видимому, как раз представляют организмы такого типа.

Труднее решить, насколько совершенный микроорганизм нам могли бы послать. Если подавляющее требование заключалось в зарождении любой формы жизни, какой бы простой она ни была, и если это считалось рискованным и трудным предприятием, тогда чем проще и сильнее микроорганизм, тем лучше. Если предполагалось, что как только он достигнет подходящей планеты, то положит начало жизни там относительно легко, тогда вполне разумно послать несколько более совершенных микроорганизмов, чтобы по возможности ускорить эволюцию. Если бы мы сами пытались отобрать микроорганизмы, то мы, несомненно, склонялись бы к отправке некоего вида эукариота, то есть клетки с хромосомами, настоящим ядром и полезными макромолекулами, такими как актин и тубулин, которые помогают придать подвижность как клетке, так и ее составляющим. Дрожжи являются примером такой усовершенствованной клетки. Они разрастаются на кислороде, но могут жить и без него.

Если такие организмы послали на Землю в самом начале жизни здесь, то в ископаемых останках мы можем увидеть лишь небольшой их след. Существующие сейчас эукариоты, насколько мы можем судить, появились на сцене намного позже. Всегда можно было бы привести доводы в пользу того, что сюда первоначально был послан некий вид эукариота, но он не смог выдержать конкуренции с лучше приспособленными бактериями, возможно, когда истощились первоначальные запасы пищи в первозданных океанах, и поэтому он вымер. Или же, напротив, он смог отказаться от многих своих особенных свойств и развиться в нечто более простое и более способное справиться с борьбой за выживание. Если была отправлена смесь микроорганизмов, то было бы удивительно, если, начавшись однажды, жизнь затем полностью исчезла, настолько эти мелкие существа сильные и универсальные, но без эксперимента обычно не решаешься предсказывать, какой именно тип организмов выйдет на вершину в окружающей среде, столь далекой от нашего повседневного опыта.

Из этого обсуждения очень явно выясняется одна вещь. В окружающей среде пребиотического океана, особенно ниже неокислительной атмосферы, некоторые микроорганизмы имеют огромное преимущество над любыми высшими формами жизни. Как описано в предыдущей главе, они химически универсальны, кислород не имеет для них большого значения, будучи маленькими, они могут очень быстро размножаться. Добавьте сюда их очень желательные качества как пассажиров: их небольшой размер, способность выдержать замораживание и оттаивание, сравнительное отсутствие у них чувствительности к влиянию радиации, — и мы видим, что они почти идеальны для межпланетного оплодотворения. Может быть, человек, действительно, со временем сможет путешествовать на определенное расстояние в космосе за пределы узких границ Солнечной системы, но, каким бы ни оказалось это расстояние, бактерии могли бы путешествовать дальше. И, насколько мы можем представить себе, это преимущество, вероятно, останется, какими бы значительными ни оказались успехи техники.

Этот момент становится важным, если мы хотим ответить тем, кто убежден, что космическое путешествие, в конечном итоге, окажется очень легким, поскольку они бы стали доказывать, что если можно послать человека, то излишне возиться с бактериями. Если это окажется верным, то все еще существует одна гипотетическая ситуация, в которой направленная панспермия имела бы преимущество. Предположим, что совершенная форма жизни развилась четыре миллиарда лет назад в соседней галактике, такой как Андромеда, но полностью отсутствовала в нашей собственной. Несмотря на то, что эти универсальные существа могли добиться успехов в заселении всей Андромеды, техническая проблема полета в соседнюю галактику могла быть слишком трудна даже для них, чтобы они могли взяться за ее решение. Осознав, что они сами никогда не смогут путешествовать миллион (или около этого) световых лет в космическом пространстве с Андромеды в нашу галактику, они, подобно нам, поняли, что бактерии могли бы путешествовать дальше и послали космические корабли, наполненные микроорганизмами. Хотя нелегко понять, как создать космический корабль, подходящий для такого длительного путешествия, было бы опрометчиво утверждать, что это невозможно, поскольку очень трудно предсказать все технические достижения, которые может принести будущее.

Поскольку бактерии являются такими идеальными пассажирами, то существует ли какая-нибудь форма ракетного двигателя, которая может работать на них, а не на людей? По крайней мере, одна такая есть. Хорошим примером совершенно необычного подхода к проблеме ракеты является предложение Мотнера (Mautner) и Матлофта (Matloft) о том, что можно использовать для снабжения энергией космического корабля усовершенствованные солнечные паруса. У таких парусов, вероятно, должна быть большая площадь, и они должны быть очень тонкими, с тем чтобы давление излучения Солнца превышало силу тяготения Солнца. Авторы рассчитали, что паруса с массой около одной десятой миллиграмма на квадратный сантиметр (а такие материалы уже имеются) оказались бы достаточно тонкими, чтобы позволить космическому кораблю избежать притяжения Солнца. Даже еще более тонкие паруса ускорили бы его отправку. С их помощью трудно достичь очень высоких скоростей, таких как одна сотая скорости света (0,01С), но скорости в диапазоне от одной десятитысячной до одной тысячной (0,0001 до 0,001С), вероятно, можно развить. Эти относительно низкие скорости отчасти ограничат дальность полета космического корабля, поскольку даже при скорости 0,001С преодоление расстояния в десять световых лет заняло бы десять тысяч лет. Это довольно ограничивающие требование, но его следует сопоставить с огромным преимуществом предложения, которое заключается в том, что уменьшение скорости в конце пути могло бы осуществиться с помощью солнечных парусов, и поэтому большой запас топлива для этой операции не нужен, хотя очень небольшое его количество, вероятно, потребуется, чтобы привести в движение многие маленькие пакеты с бактериями, из которых состоит полезная нагрузка на орбитах, где, по крайней мере, некоторые из них могла бы притянуть ожидающая планета.

Авторы рассчитали, что для полезной нагрузки около десяти тонн паруса могли бы иметь радиус около 200 ярдов. Устройство такого корабля очень отличается от более привычных нам, но оно еще более укрепляет предложение, что бактерии могут путешествовать дальше. Это, скорее всего, окажется правдой, каким бы ни был принцип ракетного двигателя и какой бы ни была дальность полета космического корабля, пусть даже она окажется лишь в десять световых лет для корабля с солнечными парусами или длительным путешествием в два миллиона световых лет до Андромеды для какого-то намного более совершенного аппарата.