Успешное завершение миссии «Артемида-2» (Artemis II) доказало, что человечество готово снова летать дальше низкой земной орбиты. Но пока мы заново осваиваем Луну, физики и инженеры уже смотрят на звезды. Проблема в том, что ни химические ракеты, ни даже перспективные термоядерные двигатели не способны доставить нас к Альфе Центавра за время одной человеческой жизни. Астрофизик Итан Сигель объясняет, почему аннигиляция материи и антиматерии — это единственный физически возможный сценарий покинуть Солнечную систему.
Кстати, физики уже умеют синтезировать антиматерию и даже возить ее на обычном грузовике по территории ЦЕРН, но до создания реального варп-двигателя предстоит решить три монументальные инженерные проблемы.
Межзвездные расстояния чудовищны даже по меркам нашей планетной системы. Если мы отправим к ближайшей звезде корабль на современных химических ракетах, путешествие займет сотни тысячелетий. Главный ограничитель здесь — максимально достижимая скорость, которая, в свою очередь, жестко упирается в эффективность источника энергии.
В космонавтике правит бал «тирания ракетного уравнения» (уравнения Циолковского). Суть ее безжалостна: чтобы разогнать килограмм полезной нагрузки, вам нужно топливо. Но чтобы разогнать это топливо, вам нужно еще больше топлива. В химических двигателях (например, работающих на жидком кислороде и водороде) в чистую кинетическую энергию переходит менее одной миллионной доли процента массы покоя горючего.
Если человечество однажды освоит ядерные реакторы деления для космоса, мы сможем преобразовывать в энергию около 0,1% массы топлива. Термоядерный синтез (процесс, питающий наше Солнце) повысит эту планку до 0,7%. Это огромный скачок, но для межзвездного перелета этого все еще катастрофически мало. Чтобы разогнать корабль, вам потребуются миллионы тонн водорода и гигантский реактор. В итоге более 99% массы вашего звездолета будет составлять «мертвый груз» — пропеллент, который нужно тащить на себе, расходуя на это энергию.
Единственный известный науке источник со 100% эффективностью — это аннигиляция материи и антиматерии. При встрече частицы и античастицы их масса полностью, без остатка, переходит в чистую энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2. Если мы не откроем совершенно новые законы физики, антиматерия — наш единственный билет к звездам.
При столкновении частицы с её античастицей происходит аннигилация, в результате которой образуется чистая энергия. Это означает, что при столкновении любых двух частиц с достаточной энергией можно создать пару материя-антиматерия. Но если энергия во Вселенной ниже определённого энергетического порога, возможна только аннигилация, а не создание. Путь к использованию антиматерии в качестве топлива в космосе предполагает её производство в больших количествах здесь, на Земле, хранение, а затем контролируемое аннигилирование с материей внутри реактивного двигателя космического корабля.
На пути к двигателю на антиматерии стоят три фундаментальные преграды.
Проблема №1: Создание
Мы давно умеем создавать антиматерию в лабораториях: достаточно разогнать протоны до колоссальных скоростей и столкнуть их друг с другом на коллайдере (например, на БАК или Теватроне). При достаточно высокой энергии столкновения часть кинетической энергии «высвобождается» в виде новых пар протон-антипротон.
Но вот незадача — нам нужны промышленные объемы. Чтобы создать хотя бы один грамм антиматерии, нужно затратить колоссальное количество энергии, а текущие ускорители обладают крайне низким КПД для этой задачи. Если собрать вместе всю антиматерию, когда-либо произведенную человечеством за всю историю, получится около одного микрограмма. Для того чтобы питать корабль, нам нужны килограммы.
Проблема №2: Хранение (и поездки на грузовике)
То самое свойство, которое делает антиматерию идеальным топливом (она аннигилирует со всем, чего коснется), делает ее сущим кошмаром для хранения. Ее нельзя просто налить в бак. Она должна висеть в идеальном вакууме, не касаясь стенок контейнера.
Для этого физики используют ловушки Пеннинга — устройства, где с помощью сложной комбинации квадрупольных электрических и однородных магнитных полей заряженные частицы «левитируют» в пустоте. Однако у ловушек есть предел. Если поместить туда слишком много антипротонов, их взаимное отталкивание преодолеет сдерживающее поле, они ударятся о стенки и исчезнут.
Забавный факт: В марте 2026 года физики из коллаборации BASE (проект BASE-STEP) совершили исторический прорыв — они впервые смогли перевезти ловушку с антиматерией на грузовике по территории ЦЕРН. Установка представляла собой сверхпроводящий магнит с криогенным охлаждением массой около тонны. Внутри находилось 92 антипротона. В любом случае, это триумф: антиматерия каталась по кампусу 20 минут и не взорвалась. Но давайте будем честны: чтобы накопить один килограмм антиматерии для полета, вам понадобится более 1027 антипротонов.
Кстати, в 2023 году эксперимент ALPHA-g в ЦЕРНе окончательно разбил мечты фанатов научной фантастики об антигравитации. Физики создали антиводород, поместили его в магнитную «бутылку» и отключили поле, чтобы проверить, куда упадут частицы. В полном соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна, антиматерия послушно упала вниз.
23 марта 2026 года антиматерия была успешно доставлена грузовиком, не будучи уничтоженной или потерянной. Устройство, известное как ловушка Пеннинга, которое сейчас загружают на транспортный грузовик, содержало почти 100 антипротонов, все из которых были успешно учтены после завершения поездки грузовика. Это также представляет собой самую маленькую и легкую ловушку Пеннинга, когда-либо успешно использованную.
Проблема №3: Как получить тягу?
Допустим, вы создали и сохранили килограмм антиматерии. Как превратить ее в двигатель? Вы не можете просто смешать ее с материей в камере сгорания. Результатом аннигиляции станут высокоэнергетические гамма-кванты (фотоны). Это жесткое излучение просто прошьет корабль насквозь (ионизируя атомы корпуса и облучая экипаж), не давая почти никакой полезной тяги.
Здесь на помощь приходит астрономия. При создании рентгеновских и гамма-телескопов (таких как Chandra) ученые столкнулись с той же проблемой: обычные зеркала не отражают такие лучи, фотоны просто поглощаются материалом. Решением стала оптика скользящего падения (grazing angle mirrors). Если вы когда-нибудь пускали камни «блинчиком» по воде, вы понимаете принцип: направленный под очень острым (касательным) углом к поверхности фотон отрикошетит.
Система из таких зеркал в хвостовой части корабля позволит улавливать гамма-кванты и направлять их строго назад, создавая 100% эффективную фотонную тягу со скоростью выхлопа, равной скорости света .
Если все эти инженерные кошмары удастся преодолеть, механика перелета будет предельно простой:
- Обычные ракеты выводят капсулу с экипажем и антиматериальным двигателем на орбиту Земли.
- Корабль включает двигатель и начинает непрерывное ускорение с комфортным для человека показателем в 1 g (9.8 м/с²). Для астронавтов это будет ощущаться как обычная земная гравитация.
- На середине пути корабль разворачивается на 180 градусов и вторую половину пути тормозит с тем же ускорением.
Расчеты поражают воображение. Представьте себе небольшую полезную нагрузку массой 500 кг (капсула, системы жизнеобеспечения, экипаж). Чтобы лететь с ускорением 1 g целую секунду, понадобится всего 16 миллиграммов топлива (8 мг обычного вещества и 8 мг антиматерии). За 10 часов полета двигатель сожжет 600 граммов горючего и разгонит полутонный корабль до 368 км/с (более 1,3 миллиона км/ч). Это в два раза быстрее максимальной скорости зонда Parker Solar Probe — самого быстрого рукотворного объекта на сегодняшний день.
Но чтобы долететь до системы Альфы Центавра (около 4 световых лет) за время жизни одного поколения, придется разогнаться до 20% от скорости света (около 60 000 км/с). Для этого капсуле потребуется 10 недель непрерывного ускорения, на что уйдет 50 кг антиматерии и 50 кг материи. Затем последует около 20–25 лет полета по инерции, и еще 50 кг антиматерии уйдет на торможение у цели. Итого на всю миссию — около 100 кг антиматерии.
Сравните это с миллионами тонн в случае использования любого другого топлива. Только аннигиляция позволяет везти с собой полезный груз, а не гигантские баки с горючим.
Все это звучит как безумная научная фантастика. Сегодня транспортировка жалких 92 антипротонов в тонной бочке считается исторической вехой, а для межзвездного полета требуются килограммы нейтральных антиатомов. Тем не менее, фундаментальные законы физики этого не запрещают. Использование антиматерии — это вопрос исключительно технологического прогресса, инженерии и получения колоссальных объемов энергии для ее синтеза. И если человечество когда-нибудь захочет стать межзвездным видом, у нас просто нет другой альтернативы.
Комментарии (0)