Освоение космоса, ключевые проблемы космических полетов и многое другое обсудили с физиком-ядерщиком Борисом Бояршиновым.
Делимся мнением эксперта от первого лица.
Константина Циолковского считают одним из основоположников теоретической космонавтики. На входе в музей космонавтики в Калуге есть его цитата о том, что Земля – это колыбель человечества, но человечество не останется вечно в колыбели и вырвется за ее пределы. Но эта фраза немного вырвана из контекста. В реальности ситуация была несколько иной.
Циолковский – религиозный философ. Его волновала тема воскрешения из мертвых. В результате размышлений он пришел к выводу, что воскресшие из мертвых получат эфирные тела, жить они будут в космосе, а питаться – солнечным светом.
Циолковский мечтал о полетах в космос. Формула Циолковского покажется не так уж сложной, если вы умеете решать дифференциальные уравнения. Она показывает, до какой скорости можно разогнать полезную нагрузку, сколько топлива необходимо израсходовать. В чем смысл? У вас есть рабочее тело, и вы выбрасываете его назад. Это принцип реактивного движения. Скорость, с которой вы выбрасываете его назад, – это скорость истечения (скорость истечения газа из сопла двигателя). В результате получаются печальные вещи, потому что при реальных скоростях истечения, с которым мы имеем дело, ситуация выглядит очень плохо. Это ключевая первая проблема, с которой мы сталкиваемся, когда говорим о полетах в космос.
Наверное, все в детстве мечтали о том, чтобы сесть в космический аппарат и полететь в космос. Но при полете расходуется топливо. Значит, чтобы эффективно расходовать рабочее тело, нужно его быстро выбрасывать назад. Для этого необходимо нагревать рабочее тело для увеличения его температуры и давления, что в свою очередь способствует повышению скорости выброса газов из двигателя. Тот же реактивный двигатель основан на том, что рабочее тело нагревается. В атомном двигателе тоже идет речь о нагреве рабочего тела – к примеру, водорода, – в активной зоне реактора до высокой температуры.
Сразу возникает вопрос: а до какой температуры можно нагреть? Заглянем в далекое будущее. На поверхности Солнца температура оставляет 6 тысяч кельвинов. Она соответствует такой энергии, при которой любая химическая связь распадается. То есть никаких объектов, твердых или жидких, там быть не может.
Внутренняя энергия газа прямо пропорциональна температуре. Горячее рабочее тело надо расширять – оно будет охлаждаться и совершать работу, то есть ускоряться. В сопле ракеты происходит расширение газа, газ ускоряется и давит на сопло. Где у ракеты сопло? Внизу. Это первая проблема, которая возникает при запуске такого рода ракет. Надо сделать так, чтобы она не упала. Хотя в целом проблема была давно решена, в некоторых аспектах она по-прежнему существует.
Скорость истечения химического топлива – километры в секунду. Если теоретически поразмышлять о каком-нибудь ядерном реакторе, который нагревает водород, то можно вести речь о 10-11 метрах в секунду, но пока что это лишь мечты. Единственное, что может давать хороший выход, – это так называемые ионные или плазменные двигатели. Энтузиасты говорят, что можно обеспечить скорость 100 километров в секунду, а то и больше.
Но чем выше орбита, на которую ракета должна доставить аппарат, тем больше энергии требуется для достижения этой орбиты. Вот и получается, что летать нам особо некуда, поскольку исходная масса должна быть очень большой. Здесь есть и непреодолимые вещи: ионные двигатели не помогут нам выйти на орбиту. Они эффективны в условиях космоса, где не требуется преодолевать гравитацию, но при этом обладают низкой тягой.
Можно помечтать об очень больших ракетах-носителях, которые сразу поднимут значительную нагрузку на орбиту. Американцы в свое время создали ракету «Сатурн-5», которая поднимала на орбиту комплекс «Аполлон» с лунной кабиной, а потом небесную лабораторию «Скайлэб». Тем не менее оказалось, что есть предел для ракет-носителей: бесконечно большие построить нельзя.
Почему? Дело в том, что материал должен выдерживать нагрузки. Он должен выдерживать собственный вес, а после старта – еще одну нагрузку – звуковую. Чем больше вы делаете массу, тем больше мощность. Короче говоря, роста полезной нагрузки не произойдет. Просто конструкцию необходимо будет делать все тяжелее и тяжелее. Есть такой предел – с Земли бесконечно большую массу запустить нельзя.
Борис Бояршинов о возникновении жизни
Возникновение жизни и многое другое обсудили с физиком-ядерщиком Борисом Бояршиновым.
Делимся мнением эксперта от первого лица.
У физиков есть множество вопросов к возникновению жизни. Конечно, сам факт происхождения жизни неоспорим, поскольку жизнь существует. Однажды я спросил академика Шувалова о возникновении жизни. Он сообщил, что известно только о появлении жизни, а как это произошло, рассказать не смог. Наука не имеет никаких взглядов на эту тему. Другой известный биолог сказал мне такую вещь: серьезные журналы по лингвистике не принимают статьи о происхождении языка, как и серьезные журналы по биологии не принимают статьи о происхождении жизни.