Самый научно-обоснованный проект межзвездного корабля в кинематографе - из фильма «Аватар»?

Что послужило прообразом МКК «Звезды риска» из знаменитого фильма и мог ли такой корабль существовать в реальности? Разбираемся в истории создания аппарата, его устройстве и реалистичности на примере отдельных элементов конструкции. Приятного чтения!

В 1993 году Чарльз Пеллегрино опубликовал книгу «Полет в Валхаллу», в которой описывал путешествие к четвертой планете в системе звезды α Центавра А на космическом корабле «Валькирия», оснащенном двигателем на аннигиляции материи-антиматерии. «Валькирия» имела ряд уникальных черт в своей конструкции, которые резко выделяли ее на фоне обычных научно-фантастических звездолетов: тянущий движитель (двигательная установка располагается перед полезной нагрузкой) и многослойный майларовый экран для защиты от столкновения с частицами межзвездной пыли. Книга была умеренно успешна и пережила несколько переизданий и в XXI веке ее автор был приглашен Джеймсом Кэмероном в качестве научного консультанта для разработки проекта космического корабля для фильма «Аватар».

Межзвездный космический корабль «Звезда риска» (англ. ISV Venture Star) унаследовал от «Валькирии» тянущую движущую установку и источник энергии в виде реакции аннигиляции материи-антиматерии. Майларовый зонтик также сохранился, но получил дополнительную функцию защиты от лазерного излучения на этапе разгона к цели или торможения на пути к Земле. Таким образом, «Звезда риска» стал одним из самых достоверных с научной точки зрения космических кораблей в истории Голливуда. Дизайн корабля разработал Бен Проктер.

Действие кинофильма «Аватар» происходит в 2154 году. Человечество добывает ценный минерал анобтаниум на Пандоре, обитаемом спутнике газовой планеты в системе Альфы Центавра. Межзвездный летательный аппарат (МЛА) «Звезда риска» – один из двенадцати межзвездных транспортников, постоянно путешествующих между планетными системами Солнца и Альфы Центавра. Корабль перевозит припасы, оборудование, пассажиров в криосне, очищенную руду и данные между Землей и Пандорой.

Устройство корабля

Дальность полета «Звезды риска» составляет 4,4 световых года, что обусловлено имеющимися на борту запасами топлива и пищи, а также ресурсом систем жизнеобеспечения.

• Крейсерская скорость: 209 537 километров в секунду (70% от скорости света, или 0,7с)
• Максимальное ускорение: 1,5g
• Грузоподъемность: 350 метрических тонн

Конструкция

Основу конструкции корабля образует силовая ферма из углеродных нанотрубок. Двигательная установка состоит из двух двигателей и их радиаторов, закрепленных на ферме и вынесенных на достаточное расстояние от нее и фотонного паруса, крепящегося на переднем конце фермы. Ферма защищена от теплового излучения работающих двигателей мощным тепловым экраном. Далее располагаются сферические баки с рабочим телом (жидким водородом) и сверхпроводящим магнитным кольцом для хранения частиц антиматерии. Ферма соединяет двигательный отсек с отсеком полезной нагрузки, включая жилые помещения, криокамеры для пассажиров, контейнеры для аватаров и грузовой отсек. Завершает конструкцию защитный экран. Силовая ферма, несмотря на свою кажущуюся хрупкость, достаточно прочна, чтобы выдерживать вес кормового отсека во время ускорения и торможения.

Вектора тяги двигателей находятся под углом относительно оси корабля, чтобы струи плазмы из двигателей проходили мимо корпуса корабля. Это приводит к небольшим потерям в эффективности тяги. Реакция взаимодействия материи с антиматерией, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc², приводит к полному превращению материи в энергию. Антиматерия (в данном случае антиводород) содержится в сверхпроводящем магнитном кольце в почти идеальном вакууме, где она циркулирует, охлажденная до практически нулевой температуры. Когда антиматерия и материя (обыкновенный водород) соединяются, они мгновенно аннигилируют и производят колоссальное количество энергии в виде жестких гамма квантов, которые ионизируют нейтральный водород и получившаяся плазма выпускается через магнитное сопло, порождая тягу, сообщающую ускорение кораблю.

Разгон на пути к системе α Центавра

На этапе удаления от Солнца батарея орбитальных лазеров освещает фотонный парус диаметром 16 километров, прикрепленный к носу корабля. Лазеры разгоняют корабль с ускорением 1,5g за 0,46 года. По завершении фазы ускорения корабль достигает скорости, равной 70% скорости света (210 000 километров в секунду), и далее движется с этой скоростью в течение следующих 5,83 лет в направлении α Центавра.

Лазерная установка

Орбитальная лазерная установка должна быть огромной, чтобы толкать световой парус на 1,5g. Это не мелкий спутник на низкой околоземной орбите. Мы не можем с точностью определить необходимую энергию луча ввиду отсутствия точных данных о массе космического корабля.

Из уравнения:

где V_s - ускорение звездолета,

E_b - энергия луча,

M_s - масса звездолета,

c - скорость света в вакууме.

Получается, тяга равна примерно 6,7 ньютонам на гигаватт. Если оценить массу корабля в 10000 тонн, это даст примерно 200 ПВт (10¹⁵ Ватт) необходимой мощности. Для сравнения, в 2013 году вся Земля потребляла электричество со скоростью около 18 тераватт в год. Технически такая лазерная установка является компонентом двигательной установки, а не оружием, но на практике с ее помощью также легко можно испарить боевой флот инопланетян в случае вторжения.

Парус

Весьма тонкая чашеобразная конструкция составляет 16 километров в диаметре, стабилизируется при помощи вращения. Толщина паруса составляет всего несколько молекул, он выполнен из ткани, сплетенной из углеродных наноэлементов. Рабочая сторона паруса покрыта осажденным в вакууме многослойным дихроичным отражателем. Тепло проходит и излучается из тыльной части паруса. Углеродные нанокабеля соединяют парус с корпусом корабля, эти кабеля также покрыты дихроичным напылением. По завершении фазы лазерного ускорения паруса складываются вдоль молекулярных линий сгиба сервисными роботами и упаковываются в грузовой отсек. Свернутый парус занимает удивительно мало места и хранится в грузовом отсеке, вместе с катушками соединяющих кабелей.

Фаза торможения при подлете к Альфе Центавра

На Альфа Центавра нет лазерной установки, поэтому парус нельзя использовать для торможения. Вместо этого используются двойные гибридные двигатели термоядерного синтеза / вещества-антивещества. Эти двигатели не используются на этапе удаления из Солнечной системы, поскольку это приведет к увеличению потребности в топливе примерно в четыре раза при соответствующем уменьшении грузоподъемности. Двигатели работают в течение 0,46 года, обеспечивая ускорение в 1,5g, тем самым тормозя корабль со скорости 70% скорости света до нуля. Вещество и антивещество аннигилируют, а выделение энергии используется как в форме фотонов, так и для нагрева водородного топлива для тяги. Ряд тепловых экранов рядом с двигателями защищает конструкцию корабля от избыточного тепла. Двигатели повернуты наружу на несколько градусов, чтобы выхлопная система не подожгла остальную часть корабля. Это уменьшает эффективную тягу на величину, пропорциональную косинусу угла, но является приемлемым. Почему большая часть корабля стоит за выхлопом двигателя? Потому что это уменьшает массу корабля. И когда вы разгоняете корабль до 70% от скорости света или тормозите до нуля, каждый грамм считается. Обычные космические корабли имеют двигатели внизу, а остальная часть корабля строится сверху, как небоскреб. В этой конструкции двигатели расположены сверху, а остальная часть корабля тянется сзади на длинном тросе (силовой ферме). Результатом является значительное уменьшение массы конструкции.

Радиаторы

Двигатели увенчаны монументальными радиаторами, которые используются, чтобы избавиться от избыточного тепла от реакции аннигиляции вещества-антивещества. После того, как работа двигателей прекращается, радиаторы будут светиться тускло-красным в течение полных двух недель.

Грузовые модули

Грузовая секция состоит из четырех рядов по четыре модуля в каждом. Каждый модуль содержит 6 грузовых контейнеров. Мобильный транспортер с удлиненным манипулятором перемещается в пределах грузового отсека. Груз доставляется с планеты на корабль и обратно на «Валькириях».

«Валькирии»

Два транс-атмосферных летательных аппарата «Валькирия» («шаттлы с поверхности на орбиту») пристыкованы к герметичным туннелям, соединенным с жилой секцией. Каждый способен транспортировать либо:

• содержимое двух грузовых контейнеров и 100 пассажиров, либо
• содержимое шести грузовых контейнеров без пассажиров.

Туннели присоединены к герметичному проходу внутри силовой фермы корабля, который ведет к обитаемой зоне.

Жилые модули

Жилая секция состоит из трех крупных модулей, содержащих криокапсулы и амниотические (воспроизводящие внутриутробные условия) резервуары для аватаров. Жилые модули сконструированы почти полностью из неметаллических материалов, чтобы предотвратить вторичное излучение от галактического космического излучения. Жилые модули рассчитаны на поддержание жизнеобеспечения пассажиров в фазе бодрствования только в течение ограниченного времени.

Модули экипажа

За жилыми модулями идут два блока для дежурного персонала, расположенные по обе стороны поперечной балки. Внутри нее проходит герметичный туннель, соединяющий блоки. Во время полета, в целях создания эффекта искусственной гравитации для дежурного персонала, они вращаются вокруг силовой фермы. Во время фаз ускорения и торможения, поперечная балка складывается пополам, так что модули становятся параллельны главной оси корабля вдоль направления силы тяжести. Во время стоянки на орбите Пандоры модули также обеспечивают искусственную гравитацию.

Щиты

Зеркальный экран защищает корабль от излучения лазеров. Толщина щита – всего несколько молекул, но его светоотражательная способность чрезвычайно эффективна. По завершении фазы ускорения, корабль разворачивается на 180 градусов, так что его зеркальный щит находится спереди. Теперь экран служит иной цели, работая как многослойный щит от межзвездного пылевого вещества. Несмотря на то, что магнитные поля отражают газовые молекулы, необходим физический барьер для отражения пыли. Щит является многослойным устройством, расстояние между каждым из слоев составляет сто метров. Столкновение частицы пыли (на релятивистской скорости в 0,7 скорости света) с первым слоем испаряет её до состояния плазмы. Частицы плазмы сталкиваются со вторым слоем и разрушаются, остатки останавливаются третьим слоем. Четвертый слой является резервным, на случай, если что-то прорвется сквозь первые три.

Менее реалистичные аспекты проекта

Анобтаниум

Во вселенной сюжетной линии «Аватара» первые межзвездные корабли были более четырёх километров в длину из-за гигантских радиаторов, необходимых для отвода тепла для поддержания температуры близкой к абсолютному нулю для работы сверхпроводящих магнитов, удерживающих запас антивещества в магнитных ловушках и формирующих магнитное сопло для создания тяги с помощью плазмы получающейся от реакции аннигиляции материи-антиматерии . Только после открытия на Пандоре нового высокотемпературного сверхпроводника — анобтаниума — межзвездные полеты и, соответственно, торговля, стали коммерчески оправданы. Корабли вроде «Звезды риска» были разработаны как раз с использованием этой технологии, они вчетверо меньше прежних кораблей и во много раз эффективнее них.

Криосон

Пассажиры проводят полет в криосне в криоконсервационных боксах. В начале полета пассажиров закрепляют в боксах с термодатчиками, датчиками сердцебиения, мозговой активности и пр. Эти данные понадобятся затем при размораживании. После закрепления пассажирам вкалывают обезболивающее и усыпляют, сердце искусственно останавливают, а жидкий азот заполняет бокс и замораживает тело. Проблема, с которой столкнулись анабиотические хирурги XX столетия — деформация клеточного вещества под влиянием ледяных кристалликов — была решена при помощи небольших доз микроволнового излучения, которое с понижением температуры выталкивает молекулы воды и противодействует образованию льда. Перед окончанием полета тело автоматически размораживается до комнатной температуры, а электроимпульс запускает сердце. На этой стадии обезболивающее должно еще действовать, чтобы вместо внезапного пробуждения пассажир мог спокойно проснуться. После пробуждения детектор отмечает мозговую активность и автоматически открывает криогенную камеру. За процессом разморозки должны следить все члены экипажа, поскольку до сих пор он является весьма рискованным.

Итог

В дизайне МЛА «Звезда риска» решены все основные проблемы межзвездных путешествий: экономия массы конструкции за счет разгона и торможения с помощью системы лазеров в Солнечной системе, защита экипажа от воздействия межзвездной среды во время длительного полета, наличие радиаторов для охлаждения двигателей и искусственной гравитации для дежурного экипажа, наличие вспомогательных шаттлов для сообщения с поверхностью планеты.