Наука Плоского Мира - Терри Пратчетт

Даже мечты способны творить чудеса. Когда Колумб (пере-)открыл Америку и о ее существовании стало известно в Европе, он искал новый путь в Индию. Операясь на сведения, которые большинство ученых того времени считали весьма сомнительными, он убедил себя в том, что Земля намного меньше, чем считалось. По его расчетам, отправившись на запад от Африки, можно было за относительно короткое время достичь Индии и Японии. Ученые оказались правы, а Колумб — нет, но помним мы все же Колумба, потому что благодаря ему мир стал меньше. Ему хватило храбрости поднять паруса и отправиться в неизведанное море, опираясь только на свою веру в том, что на другой стороне есть что-то важное.

Мы, по крайней мере, видим цель своего маршрута. Колумбу же приходилось полагаться на интуицию.

Первым практически осуществимым способом, позволяющим вырваться из Земного тяготения, стала огромная до неприличия ракета «Сатурн-5» с маленькой капсулой «Аполлон» наверху. Говоря это, мы не имеем в виду распространенное заблуждение о том, что на достаточно большом расстоянии сила притяжения Земли становится равной нулю. Мы хотим сказать, что если двигаться достаточно быстро, то эта сила не сможет притянуть вас обратно. Небесная механика имеет дело с фазовым пространством расстояний и скоростей, ландшафт которого отражает не только протяженность, но так же и скорость движения. Только разобравшись в гравитации и динамике достаточно хорошо, чтобы оценить этот момент, мы получили возможность создать технологии вроде «Аполлона».

Это хорошо видно на примере идей, предложенных в прошлом — они были весьма изобретательными, хотя и в некотором смысле приземленными, но при этом совершенно неосуществимыми. В 1648 году епископ Джон Уилкинс описывал четыре возможных способа оторваться от земли: обратиться за помощью к духам или ангелам, использовать для взлета птиц, присоединить к своему телу крылья или построить летающую колесницу. Проявив снисходительность, можно было бы увидеть в последних двух вариантах самолет и ракету, однако Уилкинс не знал, что Земная атмосфера не покрывет все расстояние до Луны. Гравюра, выполненная в XVI веке Гансом Шауфелейном, изображает Александра Македонского, который поднимается в небо с помощью двух грифонов — то есть, заметных улучшений здесь нет. В числе других вариантов была воздушная лодка, предложенная Бернардо Замагной, и воздушные шары.

Люди всегда предавались мечтам о технологиях их эпохи. В романе Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут» 1865 года герои отправляются в путешествие внутри капсулы, запущенной в космос с помощью гигантской пушки, расположенной во Флориде. В последующей книге «Вокруг Луны», вышедшей в 1870 году, описан целый космический поезд, состоящий из таких капсул. Жюль Верн не ошибся насчет Флориды — ему было известно, что вращение Земли создает центробежную силу, которая упрощает взлет капсулы, и наибольшего значения эта сила достигает вдоль экватора. Поскольку главные герои его романа были американцами, Флорида оказалась наиболее подходящим местом. Когда дело дошло до запуска настоящих ракет, NASA пришло к тому же выводу — результатом этого стал космический центр рядом с мысом Канаверал.

У больших пушек есть свои недостатки — например, пассажиры рискуют быть размазанными по полу из-за высокого ускорения. Современная техника позволяет избежать этого за счет плавного увеличения скорости. На данный момент ракеты являются более предпочтительным вариантом с инженерной точки зрения, но это может и измениться. В 1926 году Роберт Годдард изобрел ракету на жидком топливе. Первая из таких ракет поднялась на головокружительную высоту в 40 футов (12,5 м). С тех пор ракеты сильно изменились — они смогли доставить человека на Луну и различное оборудование на границу Солнечной системы. И они стали намного лучше. Тем не менее, попытка покинуть планету на гигантском одноразовом фейерверке выглядит… не слишком изящным решением.

До недавнего времени считалось, что энергия, необходимая для преодоления Земного притяжения, должна находиться на самом космическом корабле. Однако уже сейчас у нас есть технология, в потенциале позволяющая осуществить взлет с источником энергии, неподвижно покоящимся на земле. Это принцип лазерной тяги, который состоит в том, что мощный пучок когерентного света, направленный на объект, способен привести его в движение. Такой двигатель требует немалых затрат энергии, однако прототипы, построенные Леиком Мирабо, уже были протестированы в комплексе для испытания высокоэнергетических лазерных систем вблизи Уайт-Сэнд[138]. В ноябре 1997 года небольшой снаряд достиг высоты в 50 футов (15 м) за 5,5 секунд; в декабре этот результат был улучшен до 60 футов (20 м) за 4,9 секунд. Возможно эти результаты и не кажутся впечатляющими, но попробуйте сравнить их с первой ракетой Годдарда. Для запуска ракета приводится во вращение со скоростью 6000 оборотов в минуту, чтобы обеспечить гироскопическую устойчивость. Затем в полость специальной формы направляется лазерный луч с частотой 20 импульсов в секунду — это приводит к нагреванию воздуха под ракетой и создает волну сжатия с давлением в несколько тысяч атмосфер и температурой до 30 000 °K. Эта волна и приводит ракету в движение. На большей высоте воздух становится слишком разреженным, поэтому аналогичная ракета потребует взять на борт некоторое количество топлива. Лазер мощностью в 1 мегаватт может поднять на орбиту груз массой 2 фунта (1 кг).

А еще это очень мощное оружие…

Еще один возможный вариант — это направленная передача энергии. Электромагнитную энергию в виде пучка микроволнового излучения вполне можно передавать напрямую с земли. Это не выдумка: в 1975 году Дик Дикинсон и Уилям Браун осуществили передачу пучка мощностью 30кВт (достаточной для питания тридцати электрических плит) на расстояние в одну милю. Джеймс Бенфорд и Мирабо предложили использовать для запуска космического корабля излучение с миллиметровой длиной волны, которое не затухает в атмосфере. Этот метод представляет собой одну из разновидностей лазерной тяги и реактивные снаряды аналогичной конструкции.

Оба этих метода требуют огромных затрат энергии. Это возвращает нас к базовому предположению, используемому в строительстве космических аппаратов и утверждающему, что подобные затраты неизбежны при любой попытке преодолеть притяжение Земли. Тем не менее, они дают некоторое преимущество, поскольку источник энергии находится прямо на поверхности планеты. К тому же электростанция мощностью в 1000 мегаватт, необходимая для поддержки лазерной тяги, в свободное от запусков время может генерировать электричество для национальной энергосети.

Более утонченное решение, предполагающее использование боласа, было впервые предложено в 1950-х годах. Традиционный болас — это охотничье оружие, состоящее из трех грузов, соединенных с ремнями, свободные концы которых связаны вместе. При броске болас приходит во вращение, растягивая грузы в разные стороны. Когда такой снаряд попадает в цель, грузы быстро закручиваются вокруг нее по спирали и наносят смертельный удар. Аналогичное устройство, похожее на гигантское колесо обозрения с тремя спицами можно расположить в вертикальной плоскости, расположенной над экватором. На конце каждой спицы будет находиться герметичная кабина. При этом нижняя часть такого боласа будет находиться где-то в нижних слоях атмосферы, а верхняя — в космическом пространстве. Подлетев к колесу на самолете, мы могли бы пересесть в ближайшую кабину, которая затем доставила бы нас наверх. Главным препятствием в строительстве такой машины является кабель, который по своей прочности должен превосходить все известные на сегодня материалы. Вероятным кандидатом является углеродное волокно, свойства которого постепенно приближаются к необходимой прочности и легкости. Вращение боласа будет постепенно замедляться из-за трения в атмосфере, однако потерю скорости можно будет компенсировать с помощью солнечных батарей, размещенных в космосе.

И все же наиболее известным устройством такого типа является космический лифт. В предыдущих главах мы уже касались этого вопроса, как в плане серьезной технической идеи, так и в качестве метафоры. Здесь мы бы хотели рассказать о нем более подробно. На первом этапе космический лифт представляет собой геостационарную орбиту. Далее остается только спустить на поверхность Земли кабель, и задача сводится к строительству соответствующей кабины и опять же выбору подходящего материала для кабеля. Для доставки материалов наверх можно использовать ракеты или целый каскад боласов (а протянув небольшой кабель, мы сможем использовать его, чтобы поднимать материалы для строительства более крупного).

В начале книги мы уже обращали внимание на то, что как только количество опускаемых и поднимаемых грузов уравновешивается, преодоление притяжения Земли, по сути, становится «бесплатным», т. е. не требует никаких затрат энергии. После этого можно строить межпланетный корабль прямо в космосе, используя сырье, добытое на Луне или в поясе астероидов. И в итоге космический лифт дает вам новое место для старта — именно поэтому мы и использовали его в качестве метафоры для описания таких процессов, как жизнь.