Все на выход

Достаточно ли энергии, чтобы всех людей убрать с планеты?

— Адам

Есть куча научно-фантастических фильмов, в которых из-за загрязнения, перенаселения или ядерной войны человечество покидает Землю.

Но подъём человека в космос — сложное дело. Возможен ли запуск человечества в космос без их массового уничтожения? Давайте не будем думать, куда мы направимся, и предположим, что нам не нужно искать новый дом, мы просто не можем оставаться на Земле.

Чтобы понять, насколько реализуем такой вариант, мы должны определить энергию, необходимую для подъёма человека в космос. Достаточно 4 гигаджоулей на человека. Не имеет значения как мы это сделаем: ракетой, пушкой или космическим лифтом, — подъём 65 килограммового человека или 65 килограмм чего угодно за пределы гравитации Земли будет требовать именно такого количества энергии:

$$ \text{Потенциальная энергия силы притяжения} = \frac{1}{2} \times 65\text{ кг} \times \text{(Вторая космическая скорость)}^{2} $$

Энергия, требуемая для подъёма чего-нибудь с поверхности Земли в космос, равна кинетической энергии при движении со второй космической скоростью.

И насколько это много — четыре гигаджоуля? Это около мегаватт-часа: примерно столько электричества потребляет типичный дом в США за месяц или два. Это же количество энергии содержится в микроавтобусе, заполненном батарейками, или в 90 кг бензина.

Четыре гигаджоуля умножить на семь миллиардов людей даст нам $2{,}8 \times 10^{19}$ или 8 петаватт-часов. Это около 5% годового мирового потребления энергии. Много, но не невозможно.

Но это минимум. На практике всё зависит от того, как будет происходить транспортировка. Если будем использовать ракеты, потребуется намного больше энергии. Причиной этому фундаментальная проблема ракет: они поднимают в том числе и своё собственное топливо.

Давайте вернёмся к моменту с 90 килограммами бензина (около 30 галлонов), потому что это поможет проиллюстрировать основную проблему в космических путешествиях.

Если мы захотим поднять 65-килограммовый корабль, то нам потребуется сжечь около 90 килограмм топлива. (Бензин имеет сравнимую энергоэффективность с ракетным топливом, так что будем придерживаться этого варианта). Мы заправляем корабль топливом, и теперь он весит 155 килограмм, 155 килограммовый корабль требует 215 килограмм топлива, так что мы погрузим ещё 125 килограмм…

К счастью, мы избежим этого бесконечного цикла, добавив по 1,3 килограмма топлива на каждый килограмм веса — нам ведь нет необходимости тащить это топливо на протяжении всего пути наверх. Мы будем сжигать его, и ракета будет становиться всё легче и легче, значит, нам будет нужно всё меньше и меньше топлива. Но нам всё же придётся поднимать топливо по пути. Формула, по которой мы сможем определить сколько топлива нам нужно, чтобы двигаться с нужной скоростью, называется формулой Циолковского:

$$ \Delta v = v_\text{истечения} \ln \frac{m_\text{начало}}{m_\text{конец}} $$

$m_\text{начало}$ и $m_\text{конец}$ — масса корабля с топливом до и после того, как оно будет отработано. $v_\text{истечения}$ — удельный импульс — что-то около 2,5–4,5 км в секунду для ракетного топлива.

Что действительно важно, так это соотношение между $\Delta v$ и $v_\text{истечения}$ — скоростью, с которой мы хотим двигаться, и удельный импульс, с которым топливо выходит из ракеты. Килограммы топлива, необходимые для подъёма корабля, пропорциональны экспоненте, функция которой растёт очень быстро. Для выхода за пределы Земной гравитации нам необходима скорость $\Delta v$ выше 13 км/с и $v_\text{истечения}$ не более 4,5 км/с, что даёт нам соотношение массы топлива к массе корабля как минимум $\text{e}^{\frac{13}{4{,}5}} \approx 20$.

В итоге для преодоления земного притяжения при помощи ракет нам понадобится от 20 до 50 тонн топлива. Запуск всего человечества (суммарный вес около 400 миллионов тонн) будет требовать около 10 триллионов тонн топлива. Это очень много: если мы будем использовать углеводородное топливо, то исчерпаем почти все мировые запасы. И это мы не беспокоимся о весе самого корабля, воде, еде и наших животных (домашних собак около миллиона тонн только в США). Нам также понадобится топливо, чтобы создать эти корабли, перевезти людей к стартовым площадкам и так далее. Конечно, это не невозможно, но уж точно неправдоподобно.

Но ракеты — не единственный вариант. Как бы глупо ни звучало, может быть лучше попробовать просто забраться в космос по верёвке, или взорвать ядерную бомбу и подлететь на ударной волне. Это действительно серьёзные, хоть и безумные способы запуска, с которыми возятся со времён начала космической эры.

Суть идеи космического лифта, столь любимого авторами фантастики, в том, что мы подсоединим трос к спутнику, вращающемуся по орбите таким образом, чтобы он натягивался центробежной силой. Потом мы сможем поднимать людей при помощи обычного электричества и моторов, питаемых солнечной энергией, ядерными реакторами, ну в общем тем, что будет лучше работать. Самая большая инженерная проблема: трос должен быть во много раз прочнее, чем что-либо из того, что мы можем создать сейчас. Есть надежда, что материалы, основанные на углеродных нанотрубках^[1]↲Про нанотрубки можно почитать на Википедии.↳ будут давать необходимую прочность, и эта проблема лишь одна из длинного списка тех инженерных проблем, которые могут быть решены при помощи приставки «нано-».

Вторая идея состоит в том, чтобы использовать импульс, создаваемый ядерным взрывом. Это достаточно правдоподобный способ перемещения большого количества вещей. Основная идея состоит в том, чтобы подорвать ядерную бомбу позади космического корабля. Есть вероятность, что корабль испарится, но это решаемо при помощи хорошо спроектированного щита, который будет отражать взрыв назад, до того, как у него получится что-либо уничтожить. Если удастся сделать достаточно надёжный щит, то в перспективе мы сможем поднять целые районы города на орбиту и, вероятно, этот способ поможет достичь цели.

Инженерный принцип в основе идеи был достаточно проработан ещё в 1960-х годах, когда под руководством Фримэна Дайсона американское правительство на самом деле попробовало построить подобный космический корабль. История этой попытки, названной «Проект Орион», отлично описана в одноимённой книге сына Фримэна, Джорджа Дайсона. Защитники проекта ядерного двигателя до сих пор разочарованы тем, что проект был закрыт до того, как построили прототип. Противники же приводят довод, что если взять весь ядерный арсенал, запустить его высоко в атмосферу и подорвать его последовательно, страшно представить, что из этого бы вышло.

Итак, ответ таков: отправка одного человека в космос достаточно проста, но отправка всех нас затребует такого количества ресурсов, которое может уничтожить нашу планету. Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества.