Чтение онлайн

Что почитать и посмотреть

• Путешествие вокруг и внутри черной дыры, Ален Риазуэло: https://www.youtube.com/watch?v=uSrIlRaljKg.

• Документальный фильм Лор Делесаль, Марка Лашьез-Рея и Жана-Пьера Люмине «Бесконечный изгиб»:(часть 1),(часть 2).

• Торн К. Интерстеллар. Наука за кадром. — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2015.

• Thome К. S. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy («Черные дыры и искривления времени»), W. W. Norton Company, 1995.

• Научная статья Кипа Торна и его группы моделирования изображения: Classical and Quantum Gravity («Классическая и квантовая гравитация»). Доступна бесплатно по адресу: http://iopscience.iop.Org/0264-9381/32/6/065001/article.

• Интервью с Кипом Торном (на английском) в журнале «Сайентифик Америкэн»: http://blogs.scientificamerican.com/observations/2014/11/28/parsing-the-science-of-interstellar-with-physicist-kip-thorne.-

• Формулы с досок профессора Бранда выложены на этом сайте: http://www.its.caltech.edu/~kip/scripts/INTERSTELLAR/BrandBlackBoards.

Часть вторая.

Новые горизонты

Глава 4.

Космические колеса

Если человечеству когда-нибудь вздумается ринуться прочь с Земли, то решений, как это сделать, у него будет наперечет: либо найти подходящую планету и создать на ее поверхности базу, либо построить большие космические станции, значительно превосходящие размерами МКС.

Преимущество новой планеты в том, что она, скорее всего, располагает ресурсами: атмосферой, водой (жидкой или замороженной), сырьем. Кроме того, планета обладает гравитацией. Чтобы надолго поселиться на станции, нужно доставить на нее главные ресурсы жизнеобеспечения и запустить эффективную систему переработки отходов жизнедеятельности, чтобы меньше зависеть от дальнейших затратных поставок. Необходимо также создать искусственную гравитацию, потому что продолжительное пребывание в невесомости вредно для обмена веществ. Она влияет на кровообращение и на токи всех других жидкостей в организме, вредит чувству равновесия и ориентации, приводит к деградации опорно-мышечной системы. Поэтому, во избежание вредного воздействия невесомости на организм, при длительном нахождении на космической станции не обойтись без искусственной гравитации.

В серии комиксов «Посол теней» (1975) о приключениях Валериана и Лорелина (воспроизведенной в 2017 году Люком Бессоном в фильме «Валериан и город тысячи планет») авторы, Пьер Кристен и Жан-Клод Мезьер, изобрели «гравитационный колодец», генерирующий гравитацию на огромной космической станции «Центральный пункт» (в фильме — «Альфа»). В реальности проще будет заставить станцию вращаться вокруг собственной оси симметрии: возникающая от этого центробежная сила создаст в жилом отсеке подобие гравитации. Так происходит во многих фильмах. В «Космической одиссее 2001 года» Стенли Кубрика (1968) показана незабываемая сцена причаливания челнока к вращающейся космической станции V под звуки вальса «На прекрасном голубом Дунае» Иоганна Штрауса. То же самое сделал Льюис Гилберт в «Лунном гонщике» (1979): там злодей Драке замыслил истребить человечество и повторно заселить Землю специально отобранными парами со своей вращающейся орбитальной станции. Большинство станций в прекрасном сериале «Пространство» Марка Фергуса и Хоука Остби (2015), в частности «Тихо», тоже вращаются для создания искусственной силы тяжести. Наконец, в «Элизиуме» (Нил Бломкапм, 2013) богатейшие из землян в XXII веке покидают Землю, задыхающуюся от перенаселенности, загрязнения и насилия, и селятся на огромной вращающейся орбитальной станции.

Итак, поговорим об этих невероятных космических станциях с точки зрения упрощенной физики.

Давняя история

Идею орбитальной станции выдвинул инженер-словенец Герман Поточник (1892–1929), специалист по ракетной технике и пионер космонавтики. В своей книге Das Problem der Befahrung des Weltraums («Проблема космического полета»), изданной в 1928 году, он первым описал орбитальную станцию в форме вращающегося колеса, которую предложил поместить на геостационарной орбите.

В 1950-е Вернер фон Браун (1912–1977) и Вилли Лей (1906–1969) вернулись к этой идее в статье, опубликованной в журнале «Кольер»[28], где говорилось о полете на Марс[29]. Они придумали колесо диаметром 76 м, вращающееся вокруг своей оси со скоростью 3 оборота в минуту для создания на внешнем периметре искусственной гравитации, равной трети земной и эквивалентной той, что существует на поверхности Марса[30]. Вернер фон Браун, проявляя дальновидность, уточняет: «Космическая станция будет также отелем, астронавты смогут жить там месяц-два подряд. Они станут курсировать между Землей и станцией для проведения специальных работ». Следуя этому предложению, комитет НАСА пришел в 1959 году к мнению, что логическим продолжением программы «Меркурий», запущенной вскоре после создания американского космического агентства, станет такая космическая станция. Тем не менее конкретного воплощения эта идея не получила.

В 1975 году небольшой коллектив ученых и студентов под руководством Джерарда О'Нила (1927–1992) из Стэнфордского университета разработал более продвинутую версию концепции фон Брауна. Их станция представляла собой колесо диаметром 1,8 км, вращение которого со скоростью 1 оборот в минуту создавало бы центробежное ускорение, эквивалентное земному тяготению. Такая станция могла бы вмещать до 10 000 постоянных обитателей! Она, без сомнения, послужила прототипом станции «Элизиум» и для объекта в видеоиграх Halo. В дальнейшем О'Нил развил эту концепцию во впечатляющий проект Island Three («Остров Три»), орбитальную колонию из двух вращающихся цилиндров диаметром 3 км и длиной 30 км каждый. Для динамической стабильности всего комплекса цилиндры должны вращаться в противоположные стороны. Стабильность вращения объекта достигается его обращением вокруг свой главной оси инерции, той, у которой самый высокий инерционный момент[31]. В случае цилиндра требуется также, чтобы соотношение между его длиной и радиусом было меньше 1,66. Цилиндр, стабильно вращающийся вокруг своей оси симметрии, имеет форму огромной банки с арахисом, внутренней площади которой недостаточно для размещения значительного населения. С точки зрения увязывания динамической стабильности вращения и большой внутренней площади два цилиндрических модуля, вращающиеся в разные стороны, — это удачное решение.

Принцип цилиндрической станции неоднократно использовался в научной фантастике. В частности, в романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» описано обследование землянами огромного пустого межзвездного корабля (цилиндра длиной 50 км с радиусом 10 км), пересекающего Солнечную систему. В кино станция «Купер» из фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014), вращающаяся вокруг Сатурна, — тоже цилиндр вроде о'ниловского. Идея строительства огромной орбитальной станции не умерла: французские инженеры Оливье Буазар и Пьер Маркс предложили в 2009 году проект космического города на 10 тыс. жителей «Апогейос» (в переводе с греческого «далеко от Земли»).

НАСА никогда не пыталось строить ни такую крупную космическую станцию, ни станцию меньших размеров как по техническим причинам (ограниченная возможность запуска, трудности сборки, стоимость), так и из научных соображений, потому что считает, что невесомость позволяет заниматься интересными экспериментами, невозможными на Земле. Тем не менее в 2011 году НАСА опубликовало проект космического корабля «Наутилус X» с вращающимся жилым отсеком, где экипаж будущей экспедиции, к примеру, на Марс имел бы лучшие условия жизни. Прототип этой «центрифуги» можно было бы разместить на МКС для натурных испытаний и для обеспечения космонавтам сна при уменьшенной, но все же не нулевой гравитации. Великолепный космический корабль «Авалон» из фильма «Пассажиры» (Мортен Тилдум, 2016) тоже имеет три вращающихся отсека, три «крыла», образующих «тройной пропеллер» и создающих искусственную гравитацию, полезную для 5000 пассажиров, пребывающих в состоянии заморозки.

Что чувствуют люди на вращающейся орбитальной станции

Цель вращения — создание внутри станции искусственной гравитации, но ее обитателям все же надо двигаться с осторожностью. Чтобы понять это, начнем с простого и посмотрим на орбитальную станцию в форме уплощенного цилиндра (что-то вроде огромной банки арахиса), вращение которого вокруг собственной оси симметрии является, как мы видели, динамически стабильным. Внутри пассажир может ставить занятные физические эксперименты.