В феврале 2016 года учредители фонда Breakthrough Юрий Мильнер и Стивен Хокинг на специальной пресс-конференции объявили о новой инициативе Фонда – Breakthrough Shotstar, что можно перевести как «Прорыв к звездам»..

Напомню, что этот Фонд был создан тремя миллиардерами (Мильнер – Интернет, Цукерберг – Фейсбук и Брин – Гугл) поощрения премиями до 3 млн долларов каждая ученых, совершивших выдающиеся прорывы в области физики, космологии, биологии и математики. С недавних пор Фонд начал поощрять также начинания, нацеленные на будущие научные прорывы, и объявленная сейчас инициатива – одна из них. Предыдущей была программа поиска сигналов от других цивилизаций (Breakthrough Search), и возглавить обе приглашен выдающийся астрофизик Ави (Авраам) Лёб. 

Мечта о прорыве к звездам давно вдохновляет ученых и инженеров на создание разного рода проектов ее осуществления. Но в отличие от планов изучения Солнечной системы этому прорыву препятствуют слишком большие расстояния. Даже до ближайшей звезды к нам звезды 4.34 свет. года и полет к ней, пусть и с помощью самых мощных ракетных двигателей занял бы тысячелетия. Осуществление такого полета за разумное время требует разгона корабля до релятивистских (т.е. околосветовых) скоростей (разумеется, если они окажутся совместимы с требованиями безопасности для космонавтов).

Скорость космического корабля, движущегося с помощью реактивной «отдачи», дается т.н. «ракетным уравнением» (его когда-то вывел Циолковский). Это уравнение говорит, что скорость, которую может набрать ракета, прямо пропорциональна скорости выброса газов, образующихся при сгорании топлива, и логарифмически пропорциональна отношению – начальной массы корабля (вместе с топливом) к его конечной массе (т.е. без топлива). Идти путем уменьшения конечной (т.е. полезной) массы корабля можно лишь до определенного предела. Увеличивать массу топлива тоже нельзя беспредельно - уже сейчас для разгона космических кораблей самого «ближнего полета» используются дополнительные ракеты, т.н. «отбрасываемые» ступени». Значит, искать нужно на пути максимального увеличения скорости выброса газов.

Первые надежды на осуществление таких планов были связаны с атомной энергией. Однако эти надежды по многим причинам оказались нереалистичны. Разрабатывались - и оказались столь же нереалистичны -  планы двигателей, получающих энергию от слияния вещества и антивещества. Все еще продолжают разрабатываться (в частности в НАСА) планы т.н. ионных, микроволновых и электрических двигателей разного рода. Они довольно перспективны в плане межпланетных перелетов. Но в том. Что связано с «прорывом к звездам», главные надежды инженеров и ученых со временем переместились на лазеры.

Почему именно на лазеры? Как известно, лазер – это устройство, в котором, за счет многократного усиления  света создается очень мощный световой луч. Поэтому можно было думать, что такой луч удастся использовать для «толкания» космического корабля. Проще всего было поместить лазер на корабле, чтобы его луч вылетал из кормовых дюз назад и этим толкал бы сам корабль вперед, но это невозможно. Не говоря уже о том, что «отдача» лазера довольно мала (она пропорциональна длине волны испускаемого лазером света, деленной на скорость света, которая, как мы знаем, громадна),  такой замысел сразу наталкивается на вопрос: а где корабль возьмет энергию для «накачки» своего лазера? Ведь лазеры – это просто преобразователи энергии: они превращают какую-либо энергию, «вкачанную» в них извне, в энергию своего светового луча, свойства которого (прежде всего – его способность собираться в очень узкие, мало расходящиеся с расстоянием пучки) весьма важны для решения ряда научных, технических и медицинских задач. Находясь внутри солнечной системы какой-нибудь фантастически сверхмощный корабельный лазер еще мог бы получать достаточную энергию накачки от Солнца, но в межзвездном полете это невозможно. А если, источник энергии такого лазера будет находиться на корабле в виде какого-то топлива, то мы опять вернемся к «уравнению ракеты». 

Понимая это, инженеры и ученые с самого начала выбрали путь придания кораблю нужной скорости с помощью мощных лазеров, находящихся вне корабля – на Земле или на околоземной орбите. И первые проекты такой «лазерной тяги» (laser propulsion) были основаны на идее преобразования энергии лазерного пучка в какой-нибудь другой вид энергии, дающий космическому кораблю нужный толчок. В работах Мирабо, Кэйра, Кантровица и других были теоретически (а затем и экспериментально) исследованы возможности поджигания, с помощью наземного лазера, какого-либо топлива, находящегося на корабле – например, водорода или каких-нибудь металлов.

Действительно, лазерный пучок может почти мгновенно разогреть эти вещества в камере сгорания корабля до температур в тысячи и десятки тысяч градусов, а это должно вызвать истечение газов с огромной (взрывной) скоростью и тем самым создать нужную тягу. В одном из экспериментов легкое летательное средство  и впрямь поднялось с помощью таких лазерных импульсов на 70 с лишним метров и продержалось там 12.5 секунд, но пока это наивысшее достижение такого «двигателя».

В другом варианте космическую тягу должны создавать находящиеся на корабле электрические батареи, а подзаряжать их – через фотоэлементы - призваны лазеры с Земли. (Ракеты на электрической тяге были придуманы Циолковским и впервые созданы Королевым и Курчатовым: они широко используются сейчас в космонавтике). Реальность такого варианта тоже подтверждена экспериментально, но опять-таки (на данный момент) в практически ничтожных масштабах.

Все проекты такого рода имеют два принципиальных недостатка.

Во-1-х, топливо или аккумуляторы и здесь находятся на корабле, так что «тирания ракетного уравнения» остается в силе и здесь.

А во-2-х, можно еще представить себе такую «помощь» лазера при полете  на Луну или даже на Марс, но на межзвездных расстояниях точное попадание лазерным пучком в камеру сгорания корабля или на фотоэлементы корабля выглядит чистой фантастикой (да и сохранит ли этот пучок  нужную энергию на таких расстояниях?) 

Принципиально иной подход предложил американский инженер Форвард. В его проекте лазер должен толкать межзвездный корабль, посылая свой световой пучок в гигантский парус, развертываемый кораблем уже в космосе. Собственного топлива иди иного источника энергии корабль уже нести не должен. Снимается также вопрос о точности попадания пучка или его расширении с расстоянием – и то, и другое можно компенсировать, увеличив нужным образом площадь парусов.

 Впрочем, Форвард допускает возможность создания на окраинах Солнечной системы (разумеется, в далеком будущем) системы гигантских зеркал и линз, которые будут концентрировать и фокусировать лазерный пучок с большой точностью даже на межзвездных расстояниях. А систему лазеров соответствующей мощности он «планирует» расположить на орбите Меркурия¸ где для них будет достаточно солнечной энергии. (Чтобы понять, о какой чудовищной мощности идет речь, поясню, что только для  вывода на околоземную орбиту тела весом в 1 кг требуется лазерная мощность в 1 мегаватт).

Все это, понятно, фантастика, но крайне впечатляющая. Смотрите, как увлекательно описывает Форвард полет к системе Эпсилон Эридана (10.8 свет.лет. от нас):

«Диаметр паруса будет 1000 км (вы не ослышались – тысяча километров!) и он будет освещаться через 1000-километровую линзу. Полная масса корабля будет 80 тысяч тонн, из них 3000 тонн для команды и приборов. Лазеры мощностью в 75 тысяч Тераватт будут давить на парус с постоянной силой в 3 грамма и за 1.6 года придадут кораблю скорость в 0.5 световой. Весь полет займет 20 лет по часам Земли и 17 – по корабельным. На расстоянии 0.4 свет.года до цели из кругового паруса выделится центральная часть диаметром 320 км, которая повернется лицом к оставшемуся парусу. Отражая на оставшуюся часть паруса лазерный пучок, она будет тормозить корабль, пока он не остановится. Далее он будет двигаться за счет своих парусов и света звезды Эпсилон Эридана. Для обратного полета из паруса в 320 км выделится его центральная часть диаметром в 100 км, которая станет напротив него, «спиной» к Земле. Пучок лазера с Земли будет попадать на стоящий к ней «лицом» парус в 320 км, отражаться от него и, попадая на парус в 100 км, толкать его – и с ним весь корабль - к Земле». 

Следующий за Форвардом важнейший принципиальный шаг в этом «межзвездном проектировании» сделал другой американский инженер Бае. Разрабатывая, по приглашению НАСА, способы точной ориентации космических телескопов и зондов, он нашел радикально новое решение – т.н. «открытый лазер».

 У обычного лазера усиление света происходит в «накачиваемой» трубке, один конец которой закрыт полностью отражающим зеркалом, а другой – зеркалом полупрозрачным (для вывода образовавшегося светового пучка). Бае перенес это второе зеркало с накачиваемой трубки на корму миниатюрной модели космического корабля, поставил этот кораблик на рельсы, практически не имевшие трения (имитация невесомости) и убедился, что свет в таком лазере усиливается за счет всей его длины, от отражающего зеркала лазера до зеркала на кораблике, т.е. куда больше, чем в лазере обычной длины. Даже в лабораторных условиях давление усиленного таким способом лазерного пучка оказалось достаточным для перемещения кораблика по рельсам с заметной скоростью.

Теоретические же расчеты показали, что такой «фотонный лазерный привод» (ФЛП) обладает еще одной замечательной особенностью: его КПД растет по мере набора кораблем скорости. Причина такого роста связана с известным всем явлением: звук или свет, подаваемый движущимся источником, меняет частоту (эффект Допплера). По мере того, как корабль, набирая скорость, отдаляется от заднего зеркала, приходящие к зеркалу корабля фотоны отражаются (за счет его движения) с пониженной частотой. А поскольку энергия фотона пропорциональна частоте, то выходит, что по мере набора кораблем скорости отраженные им фотоны уносят все меньше энергии, а значит - передают ему все больше. Это позволяет кораблю очень быстро набрать даже релятивистскую скорость (0.2-04 световой)

Более того – как показал Бае, с помощью эффекта ФЛП можно создать систему своего рода «космических рельсов», по которым без затраты топлива (!) будут двигаться грузовые и пассажирские космические корабли будущего.

Бае разработал 4-стадийный план создания такой системы. На первом этапе два корабля, образующие открытый лазер, выходят на околоземную орбиту, один остается на ней и толкает второй до Луны. После этого с Земли стартует третий корабль, идущий к Марсу. После старта его толкание перенимают на себя сначала земной лазер, а затем лунный. Они приводят его на Марс, где он создает «силовую подстанцию» второго порядка. И так далее. На 3-й стадии такими «подстанциями» будет оснащена вся Солнечная система, а на  4-й  начнется их создание между Солнцем и ближайшими звездами. Кстати, каждую межзвездную подстанцию Бае предлагает выводить  на ее место с помощью «парусов» Форварда.

На этом грандиозном фоне объявленный сейчас «Прорыв к звездам» может показаться довольно скромным. Создатель проекта, калифорнийский профессор Любин предлагает, в сущности, то же, что Форвард, только в предельно малых масштабах: использовать давление лазерного пучка с Земли на дециметровые паруса крохотных зондов (весом в граммы каждый), несущие в себе устройства связи с Землей и различные сенсоры, и, поочередно разогнав каждый из них  до скорости в 0.2 световой, направить их в сторону Альфа Центавра; при такой скорости полет займет всего 20 лет. Для его реализации нужно найти принципиальные решения пары десятков сложных технических проблем (начиная с постройки гигаваттной системы лазеров стоимостью около 1 триллиона), и именно на это фонд Breakthrough и выделяет свои 100 миллионов. 

Но сама затея, согласитесь, дерзкая. Столько говорили о межзвездных перелетах, всегда понимая, какая это далекая фантастика, а оказывается, это можно сделать уже сегодня! Чье сердце на забьется от волнения?! Ведь правильно сказал Оскар Уайльд (слова которого напомнил на пресс-конференции Фонда профессор Лёб): «Все мы живем, мягко говоря, в сточной канаве, но некоторые при этом смотрят на звезды».