КАК ПОСТРОИТЬ АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД

 

Стратегию колонизации космоса разумнее разрабатывать таким образом, чтобы максимизировать число колонизованных звездных систем и минимизировать затраты, обусловленные существующим уровнем технологий. Такие затраты могут быть сведены к минимуму двумя способами: во-первых, использовать максимально передовую технологию, чтобы снизить насколько возможно расходы на исследования и разработки; во-вторых, максимально использовать те ресурсы, которые нельзя больше ни на что употребить. Ресурсы, доступные в необитаемых звездных системах не могут быть использованы ни для каких других человеческих нужд (или нужд других живых существ), кроме строительства космических аппаратов; в самом деле, материалы, которые нельзя использовать вообще не имеют стоимости по определению. Следовательно, любая оптимальная стратегия колонизации должна максимально использовать материалы, доступные в других звездных системах. При нынешнем уровне развития технологии такое использование не может быть интенсивным, однако при уровне компьютерных технологий, рассмотренных в предыдущей части, эти бесполезные в других отношениях ресурсы могут полностью окупить программу колонизации. То, что нам нужно - это самовоспроизводящийся конструктор: машина, способная сделать любое устройство при наличии материалов и программы сборки. По определению, она может создать и собственную копию. Универсальный конструктор аналогичен универсальному компьютеру, обсуждавшемуся в предыдущей части: универсальный компьютер может вычислить все, что может быть вычислено, универсальный конструктор может сконструировать все, что возможно сконструировать. Тьюринг показал, как можно построить универсальный компьютер, фон Нейман разработал основные принципы создания универсального конструктора. Специальное исследование НАСА в 1980 г. показало, что при наличии средств универсальный робот-конструктор может быть построен в ближайшие 20 лет. Как и универсальные компьютеры, все типы машин являются универсальными конструкторами: в частности, человек - это универсальный конструктор, существующий в условиях Земли. Таким образом, программа колонизации космоса с участием пилотируемых космических кораблей - это лишь частный случай колонизации с применением универсальных конструкторов.

Полезным грузом зондов, запускаемых к другим звездным системам, должен быть универсальный конструктор с человеческим уровнем интеллекта, обозначаемый далее термином "зонд фон Неймана", оснащенный тормозным устройством и двигателем для перемещения в пространстве, последним может служить электрический реактивный двигатель или солнечный парус. Зонду фон Неймана будет дана задача поиска конструкционных материалов и создания из них собственных копий вместе с двигательными установками. Исходя из наблюдений в нашей солнечной системе, других звездных системах и сущствующих теорий их формирования, такие материалы должны быть доступны практически везде в форме астероидов, метеоритов, комет, и другого мусора, оставшегося после образования звездной системы. Последние наблюдения огромных количеств пыли вокруг Веги и других звезд показывают, что такие материалы имеются в любой звездной системе. Например, состав астероидов очень различен; многие из них являются огромными кусками никель-железных сплавов, в то время как другие состоят из углеводородов.

Те копии зонда фон Неймана, которые будут им созданы, должны быть запущены в направлении ближайших звезд. Например, мы скорее всего пошлем сначала зонд к Проксиме Центавра. Тогда его копии могут быть запущены к Альфа Центавра (звезда, ближайшая к Проксиме, иногда последнюю рассматривают как внешнего члена системы Альфа Центавра), а также к Сириусу, Эпсилон Эридана, Тау Кита и Проциону. Когда новые зонды достигнут этих звезд, процесс будет повторен снова и снова, пока зонды не достигнут всех звезд в Галактике. Экспоненциальный рост экспансии зондов фон Неймана показан на рис. II.2.

Когда достаточное число копий будет построено, можно будет запрограммировать зонд фон Неймана для исследования звездной системы, в которой он находится, и отправки полученной информации обратно на Землю. Его также можно запрограммировать для проведения научных исследований, которые слишком дороги или опасны для проведения их в нашей солнечной системе.

Зонд фон Неймана мог бы также заселить звездную систему людьми и другими формами земной жизни. Даже если в системе не окажется планет - это может быть система двойной звезды, содержащая только астероиды и их обломки, как например система Альфа Центавра - зонд фон Неймана может быть запрограммирован таким образом, чтобы превратить некоторые из доступных ему материалов в колонию О'Нейла, самоподдерживающуюся человеческую колонию в космосе, которая располагается не на планете, а на космической станции. Обитателей такой колонии может синтезировать зонд фон Неймана. Вся информация, необходимая для создания человеческого существа или любой другой земной формы жизни, содержится в генах одной единственной клетки этой живой формы. Таким образом, когда мы научимся синтезировать отдельные клетки (некоторые биологи говорят, что это произойдет в ближайшие 30 лет; главным в этом направлении является проект Геном Человека), тогда мы сможем научить зонд фон Неймана синтезировать оплодотворенные яйцеклетки любого земного вида. Для семян растений или птичьих яиц достаточно будет синтезировать единственную яйцеклетку, чтобы в скором времени получить взрослые формы этих организмов. Что касается людей, то оплодотворенные яйцеклетки нужно будет поместить в искуственную матку (такие технологии уже разрабатываются сейчас), и в этом случае люди появятся в данной звездной системе уже через девять месяцев после этого. Этих детей будут растить роботы-няньки, а когда они вырастут, то смогут произвести своих детей традиционным способом.

Таким образом проблема межзвездного путешествия может быть сведена к проблеме транспортировки самовоспроизводящегося универсального конструктора к другой звездной системе. Это может быть сделано уже при имеющемся уровне развития ракетных технологий. Ряд экспертов в этой области утверждали в 60-е годы, что используя тяготение Юпитера для ускорения в моменты его сближения с Солнцем и добавив ускорения в момент наибольшего сближения, скорость, с которой космический аппарат покинет солнечную систему достигнет 90 км/сек (около 3*10^-4c, где с - скорость света, 3*10^5 км/сек) даже для ракет с химическими двигателями. Вояждер, который миновал Непутн несколько лет назад имеет в данный момент скорость около 0,6*10^-4 с. С такой скоростью он достигнет ближайших звезд через 10^4 - 10^5 лет.

Зонды с очень малой массой рассматриваются сегодня как стандарт, это делает их гораздо дешевле в сравнении с теми возможностями, которые имел Вояджер. Программа "Быстрый пролет Плутона", запуск для которой намечен на февраль 1999 г. имеет в основе зонд массой 110 кг. Этому аппарату стоимостью в 400 миллионов долларов потребуется семь лет, чтобы достичь Плутона, по сравнению с двадцатью годами для Вояджера. Пройдя Плутон, зонд будет иметь скорость около 20 км/сек (около 0,6*10^-4 c), это означает, что он покроет дистанцию в пять световых лет - среднее расстояние между звездами в окресностях нашей солнечной системы за 80000 лет. Самая ближайшая звезда, Проксима Центавра, находится на удалении в 4,3 световых года. Она является частью тройной звездной системы (три звезды, связанные вместе силами взаимного тяготения), и по всей видимости не имеет планет, подобных Земле, хотя по-видимому в данной системе находятся астероиды и их обломки, оставшиеся после ее формирования. Две ближайшие отдельные звезды, имеющие энергию свечения подобно солнечной, - это Тау Кита (11,3 световых года) и Эпсилон Эридана (10,7 световых лет). Описываемый зонд, если его направить к Проксиме Центавра, достигнет ее за 70000 лет. Так что если бы мы могли создать устройства, способные выдержать десятки тысяч лет путешествия, и если бы мы были очень-очень терпеливыми, мы могли бы запустить межзвездный зонд прямо сейчас.

Но используя современную компьютерную технологию мы можем сделать лучше. Хитрость состоит в том, чтобы делать устройства очень маленькими, используя нанотехнологию, чтобы заставить каждый атом в космическом аппарате выполнять полезную функцию. (Нанотехнология - это технология в масштабе отдельных атомов, которые имеют размеры около нанометра. Мы знаем, что такая технология осуществима, и сейчас частные компании тратят сотни миллионов долларов на ее развитие). Давайте вообразим зонд массой в 100 грамм, далее я покажу, что это гигантская масса, если использовать каждый атом. Но 100 граммовый зонд очень мал с точки зрения космических реактивных систем. Можно легко разработать такой зонд, способный двигаться со скоростью в 90% от максимально возможной - скорости света. При такой скорости зонд покроет расстояние до Проксимы Центавра за пять лет, а расстояние до Тау Кита или Эпсилон Эридана примерно за двенадцать лет. Поскольку радиосигналы путешествуют со скоростью света, мы сможем получить информацию о Проксиме Центавра только через девять лет после запуска, это гораздо меньше, чем пришлось ждать известий о Нептуне от Вояджера. Имея скорость 0,9с межзвездные зонды становятся правдоподобными.

Проблема использования ракет для ускорения космических аппаратов до очень больших скоростей заключается в том, что само топливо тоже необходимо разгонять. Так что если мы говорим о ракетах, то почти вся их масса - это масса ракетного топлива. Решение очевидно: то, что, разгоняет космический корабль не должно быть его составной частью. Известно, что свет способен оказывать давление, и таким образом, космический корабль, состоящий в основном из гигантского паруса, может ускоряться светом, отраженным от него. НАСА изначально планировало послать такой зонд к комете Галлея, во время ее сближения с Солнцем в 1986 г., но отказалось от этой идеи ввиду отсутствия средств. В этом проекте предполагалось использовать Солнце в качестве источника света. Однако, для того, чтобы разогнать парус до скорости в 0,9с, энергии Солнца недостаточно, так что для межзвездного зонда таким источником мог бы служить очень мощный стационарный лазер.

Проблемой при использовании лазера для ускорения межзвездного зонда является его торможение, когда цель уже достигнута. Американский физик Роберт Форвард разрешил эту проблему. Он предолжил сделать парус, отражающий свет лазера, из двух частей, которые разделяются, когда звезда-цель достигнута. Тогда одна часть паруса будет отражать свет обратно на другую часть, которая и содержит зонд и таким образом замедлять ее. Если рассмотреть предложение Форварда в деталях, получится следующее. Я полагаю, что масса полезной части зонда будет около 100 грамм, а общая масса, включая обе секции паруса, - 1 килограмм. Парус будет состоять из шестиугольника размахом в 8 километров, в центральной части которого будет находится другой шестиугольник, размером в 3 километра. В этой центральной части будет находится сам зонд. Внешняя часть будет замедлять скорость малого шестиугольника при приближении к месту назначения

При использовании лазера мощностью в 250 мегаватт, зонд будет иметь ускорение 8g, при этом он достигнет скорости 0,9с через полтора месяца. Существуют детальные проекты лазеров мощностью в 10 гигаватт - такие лазеры предполагалось использовать в 80-е годы как часть стратегической оборонной инициативы президента Рейгана - так что 250-гигаваттный лазер вполне технически возможен. Нам также потребуется огромная линза Френеля, миллиард километров в диаметре, чтобы сфокусировать свет на пятне с размерами большого шестиугольника на расстоянии в 4,3 световых года, расстоянии до Проксимы Центавра. Хотя эти размеры линзы огромны (больше диаметра Солнца), она может состоять из тонкой петли на орбите вокруг Солнца, и таким образом ее масса будет всего 2 триллиона тонн, это размер среднего астероида. (Допплеровский сдвиг при скорости 0,9с составляет 4, так что замедление у звезды-цели будет немного меньше, чем 8g, если только не использовать более мощный лазер). Для того, чтобы обеспечить такой лазер энергией за счет солнечного излучения потребуется площадь в 40 квадратных километров; очевидно, что такой лазер, вместе с источником энергии тоже должен находится на околосолнечной орбите, как и линза.

Поскольку сам зонд будет по видимому изготовлен в космосе, на своего рода космическом заводе, трудно точно оценить его стоимость. Однако, обычно стоимость зондов примерно равна стоимости конструкционных материалов, поскольку зонд фон Неймана могут изготавливать сами себя (они ведь самовоспроизводящиеся машины), а исходные затраты на исследования и разработки будут невелики, поскольку разумные самовоспроизводящиеся машины изнчально будут изготовлены для других целей. Мы знаем, что стоимость ядерной электростанции мощностью в 1 гигаватт составляет (в ценах 1993 года) около 1 миллиарда долларов. Линзы нужно будет изготавливать из металлов, но большие железно-гикелевые астероиды необходимых размеров существуют.

Давайте предположим, что такой астероид стоит 10 миллиардов долларов. Если стоимость зонда примерно равна стоимости такого астероида, а лазер будет получать энергию от атомных электростанций, о которых говорилось, то стоимость межзвездного зонда будет составлять 260 миллиардов долларов, примерно в пять раз больше, чем стоимость программы Аполлон, и примерно половину той суммы, в которую оценивается пилотируемая экспедиция на Марс. Таким образом стоимость космического зонда с беспрцендентной миссией сравнима со стандартными сегодняшними межпланетными программами.

Масса зонда и в самом деле может быть всего 100 грамм. Как я говорил выше, такая малая масса потребует, чтобы каждый атом зонда был бы использован. Дрекслер провел детальное исследование того, как при помощи нанотехнологии заставить работать каждый атом устройства. Он сделал вывод, что машины - универсальные конструкторы, возможны начиная с размеров в несколько миллиардов атомов, так называемые молекулярные универсальные конструкторы. Кроме того, в принципе возможно хранить один бит информации на один атом в расширенном массиве. Физики компании NEC в Японии уже открыли, как закодировать один бит на 20 атомов. 100 грамм материи содержат примерно 10^24 атомов, если это элементы, более легкие, чем железо, так что в таком зонде возможно будет закодировать 10^24 бит информации, и снабдить его соответствующими устройствами, чтобы он мог самовоспроизводится, используя те материалы, которые будут доступны в районе звезды назначения. Чтобы представить, что можно закодировать в 10^24 бит, вспомним из предыдущей части, что разум человеческого уровня можно симулировать имея 10^15 бит. Полагая, что симуляция системы биологической поддержки такого существа потребует в 100000 раз больше памяти, симуляция целого человека может уложиться в 10^20 бит. Таким образом 100 граммовый зонд может нести симуляцию целого города в 10000 человек! (Другая важная задача, которая стоит перед универсальным конструктором - это изменение конфигурации паруса во время перелета, чтобы уменьшить площадь всего устройства. При скорости в 0,9с эффект от столкновения с пылью может быть очень серьезным. Даже столкновение с отдельными молекулами газа в межзвездной среде может разрушать парус на такой скорости).

В ранних дискуссиях по поводу межзвездных путешествий одной из первых причин для разгона до скорости близкой к скорости света была необходимость использовать эффект релятивистского замедления времени. Для космического корабля, движущегося со скоростью 0,9с время идет примерно в половину медленнее чем для тех, кто остался на Земле. Если корабль отправится к Проксиме Центавра и вернется обратно на такой скорости, на Земле пройдет 9,6 лет, и только 4,2 года для тех, кто будет на корабле. Эта необходимость в высокой скорости отпадает, если люди будут путешествовать как эмуляции: течение времени для них может быть симулировано с каким угодно замедлением по отношению ко времени вселенной. Такая симуляция может исполняться гораздо медленнее, чем та скорость, с которой существует жизнь на Земле, так что для тех людей, которые будут симулированы в космическом корабле путешествие займет несколько часов или дней.

В наши дни, когда существует огромный дефицит бюджета сумма в 250 миллиардов долларов кажется невозможной. Однако, стоимость материалов относительно доходов падает экспоненциально с порядком в 50 лет за последние 150 лет. Это означает, что средний человек сегодня в 20 раз богаче, чем средний человек 150 лет назад. Если такая тенденция сохранится в течение следующих 400 лет, зонд стоимостью в 250 миллиардов долларов будет стоить людям того времени примерно как 80 миллионов долларов для нас теперешних. Сейчас в мире есть несколько сотен людей, чей доход больше, чем 80 миллионов долларов, так что я полагаю, что межзвездный зонд будет обязательно запущен в ближайшие несколько веков.

Также очень вероятно, что предполагаемые затраты снизятся. Когда я впервые начал заниматься исследованиями межзвездных путешествий, в начале 70-х годов, наиболее детально разработанным проектом межзвездного путешествия являлся проект Daedalus, выдвинутый британским межпланетным обществом в 1978 году. Зонд фон Неймана, используя предлагаемый в проекте носитель (ядерная реактивная ракета, которая ускорялась за счет взрывов сбрасываемых ею ядерных бомб) мог бы двигаться между звездами со скоростью в 0,16с и стоил бы 200 триллионов долларов, если исходит только из стоимости топлива. Зонд фон Неймана, использующий лазер Форварда и нанотехнологию может двигаться в шесть раз быстрее и стоит в тысячу раз меньше. Нанотехнология и лазерный парус были новыми идеями в 80-е. В 90-е может появиться еще больше идей, применение которых способно снизить стоимость.

Новая реактивная технология в комбинации с нанотехнологией может быть существенно дешевле. Ключевым в реактивном движении ракеты является получение энергии для выброса газа. Самым большим источником энергии является масса, как все знают из уравнения Эйнштейна E=mc^2. Химические реакции очень неэффективны: энергия при взрыве одной мегатонны ТНТ соответствует примерно 50 граммам массы. Даже ядерные реакции преобразуют меньше 1% массы в энергию. Однако, при аннигиляции материи и антиматерии вся масса переходит в энергию. Таким образом, ракета должна использовать аннигиляцию в качестве источника энергии.

Антиматерия - это все еще экзотика, так что сначала скажем немного о ее свойствах. Согласно законам физики все материальное существует в двух формах: частиц и античастиц. Античастица в точности такая же, как соответствующая ей частица, за исключением того, что она имеет противоположный электрический заряд. Например, электрон заряжен отрицательно, а его античастица, позитрон, имеет положительный заряд, но во всем остальном он абсолютно такой же, как электрон. Протон имеет положительный заряд, и таким образом, антипротон заряжен отрицательно. Точно так же, как протон в соединении с электроном дает один атом электрически нейтрального водорода, антипротон в соединении с позитроном дает электрически нейтральный антиатом антиводорода. В принципе могут быть созданы любые антиатомы, хотя до сегодняшнего дня в лаборатории создан только антигелий. Приложив усилия мы можем создать антиуглерод, антижелезо и так далее.

Антиматерию трудно хранить, поскольку если частица приходит в контакт с античастицей они неедленно аннигилируют, превращаясь во вспышку радиации. Если смешать антиводород с воздухом, позитроны будут притягиваться к электронам атомов воздуха за счет разности в зарядах и аннигилировать. То же самое произойдет и с антипротонами. Тем не менее, существуют способы производства и хранения больших количеств антиматерии. Многие миллиарды антипротонов созданы и хранятся в ионных ловушках в лаборатории CERN в Женеве. Антипротоны сейчас можно продавать, стоимость их примерно 1 доллар за миллиард. Разработан детальный план для заводов, которые смогут производить миллиграммы антиводорода в год при стоимости в 1 миллион долларов за миллиграмм при широкомасштабном производстве.

Форвард предложил использовать обычный водород в качестве газа, выбрасываемого ракетой, разогревая его путем добавления малых количеств антиводорода. Такой ракете с полезной нагрузкой в 100 грамм потребуется всего лишь 1,6 кг жидкого водорода и 3,6 миллиграмма антиводорода в качестве источника энергии, если исходить из того, что такая ракета разгонится до скорости 0,1с, проделает путь к звезде назначения и там затормозится. Предполагая, как и выше, что стоимость зонда складывается в основном из стоимости конструкционных материалов, такой зонд обойдется всего в 4 миллиона долларов, почти вся сумма будет затрачена на антиводород. В настоящее время существует по крайней мере миллион человек, которым по силам такие затраты. И покупатель сможет держать свой межзвездный зонд фон Неймана на собственной ладони! Сейчас существуют очень детальные разработки ракеты Форварда на антиматерии, и некоторые лаборатории объявили, что они начали эксперименты по изготовлению такого аппарата. Мы сможем запустить межзвездный зонд со скоростью 0,1с уже к концу этого десятилетия, если у нас будут необходимые компьютерные технологии, универсальные конструкторы молекулярных размеров и компьютеры атомных размеров. Исходя из темпов развития нанотехнологии, я полагаю, что необходимые компьютерные технологии будут существовать к тому времени, когда мы получим компьютер, способный пройти тест Тьюринга. Как показано в предыдущей части, это должно произойти к 2030 году. Зонд фон Неймана может быть запущен в середине следующего века.

       Такому зонду потребуется всего пять или десять лет после запуска, чтобы достичь звезд. Вопрос в том, сколько времени ему понадобится, чтобы изготовить копию самого себя? Если мы сравним зонд фон Неймана с единственной известной нам самовоспроизводящейся машиной, человеком, последнему требуется около двадцати или тридцати лет, чтобы воспроизвести себя. Если мы сравним зонд фон Неймана с целой технической цивилизацией, то ей понадобилось около трехсот лет, чтобы превратить Соединенные Штаты в индустриальную державу. Большая часть этого времени была потрачена на разработку технологических решений, а не самих машин. Владея необходимыми технологиями, Германия и Япония воссоздали свою промышленность всего за 10 лет после второй мировой войны, пользуясь при этом минимальными инвестициями извне. Уже упомянутый физик Джерард О'Нейл вычислил, что космические колонии могут быть самодостаточными и воспроизводить себя менее чем за сто лет. Я считаю, что таким образом есть все основания полагать, что зонд фон Неймана может начать изготовлять копии самого себя в течение пятидесяти лет после достижения звезды-цели. Если он разошлет эти копии к звездам в радиусе 10 световых лет вокруг себя, колонизация галактики может происходить со скоростью в 10 световых лет в 60 лет, или 1/6 светового года в год. Поскольку наша галактика имеет диаметр около 100000 световых лет, потребуется около 600000 лет, чтобы колонизовать ее. Эта колонизация может начаться уже в середине следующего столетия.

 

Дата: 2018-12-28, просмотров: 107.