Перспективы заселения нашей галактики

Галактика «Млечный путь» содержит звёздный диск диаметром около 100 000 световых лет. Пригодна для заселения в нём «галактическая зона обитаемости» (ГЗО). Это кольцевая структура с внутренним радиусом ~ 20 000 св. лет, внешним радиусом ~ 30 000 св. лет и толщиной 500-1500 св. лет. Ближе к центру галактики плотность звёзд выше, поэтому там чаще происходят катастрофы — вспышки сверхновых, гамма-всплески. Кроме того, от центральной сверхмассивной черной дыры идёт мощное излучение. Это может «стерилизовать» планеты. На окраинах галактики же слишком мало «стройматериалов» для планет и поддержания жизни.

Количество звёзд в ГЗО оценивается в 30-40 миллиардов. Среднее расстояние между ближайшими звёздами ~ 5 св. лет, максимальное ~ 20 св. лет. Вероятность наличия материальных ресурсов — планет и астероидов вблизи звёзд близка к 100%. Предположим, что земляне научатся строить надёжные «межзвёздные ковчеги», способные лететь со скоростью в 1-2 % от световой. В этом случае расстояния между соседними звёздными системами могут преодолеваться за столетия. Для освоения самой дальней точки ГЗО при перелётах внутри неё, без учета времени на остановки в звездных системах, потребуется 10-20 миллионов лет. С учётом колонизации звёздных систем по пути (освоения ресурсов, размножения обитателей, строительства поселений и новых кораблей) оценка времени заселения ГЗО увеличится в несколько раз. Десятки миллионов лет — это долго по меркам человеческой цивилизации, но сопоставимо по меркам земной жизни. При покорении галактики может смениться ни один вид ведущих живых существ с предками на планете Земля. Технологии могут совершенствоваться, темп колонизации расти. Но возможны и катастрофы. Поэтому приведённая оценка времени заселения, конечно, неточна.

Корабли

Рассмотрим технически реализуемые в будущем варианты звездолётов. Прототип уже имеется: это Starship от компании SpaceX. Корабли на метановой тяге пригодны для колонизации солнечной системы. На смену им проектируются корабли с холловскими двигателями, использующие энергию ядерного реактора на борту. В перспективе ядерно-электрические корабли лучше подходят для полётов в окрестности солнечной системы без посадок на планеты. Они не требуют выведения большой массы топлива с планет (Земли) в космос, не имеют проблем с его хранением и перекачкой. Метановые и водородные «челноки» в будущем могут использоваться для доставки грузов с поверхности планет на их орбиты, к станциям и звездолётам. Все упомянутые виды кораблей пригодны для полётов в пределах одной звёздной системы, но имеют недостаточный запас энергии для перелётов к соседним звёздам на высоких скоростях.

Известны два типа высокоэнергетических реакций: аннигиляционные и термоядерные. Энерговыделение в первых на 1-2 порядка выше, чем во вторых. Однако, для использования аннигиляции в фотонных двигателях космических кораблей имеются непреодолимые в обозримом будущем технические препятствия. Во-первых, требуется синтез антивещества, пригодного для хранения в электромагнитных ловушках. При его синтезе потребляется больше энергии, чем выделяется при аннигиляции. Это невыгодно и технически сложно. Во-вторых, баки —  электромагнитные ловушки должны осуществлять динамическую стабилизацию заряженного или намагниченного антивещества. Сбой системы удержания или чрезмерное ускорение даже одной микроскопической частицы антивещества вызовет взрыв, запускающий цепную реакцию. Это крайне ненадежно. В-третьих, вес «баков» может иметь массу, значительно превышающую массу самого топлива. В-четвертых, жёсткое гамма-излучение, возникающее при аннигиляции, имеет высокую проникающую способность и губительно для корабля. Термояд же можно обуздать в ближайшем будущем, в том числе для космических двигателей. Топливо для него состоит из обычной материи, которую можно добывать из астероидов или планет и несложно хранить.

Термоядерный корабль

 Попробуем представить облик термоядерного корабля, способного долететь до ближайших звёзд.

Топливо

Из всех видов термоядерных реакций для использования в двигателях звездолётов лучше всего подходит синтез протона с ядром бора: p + ¹¹B →3‧⁴He + 8.7 МэВ. В этой реакции не выделяется нейтронов, вызывающих разрушение, радиоактивность и нагрев окружающих конструкций. Кроме того, водород и бор —  более распространенные элементы, чем изотопы водорода или ³He. Для добычи H, ¹¹B хорошо подходят астероиды С-типа (углистые хондриты). Хранить эти элементы можно в виде декаборана (B₁₀H₁₄) в тонкостенных баках. Подавать в зону плазмы реактора такое топливо можно впрыском или выстреливанием гранул. Все образующиеся альфа-частицы можно выводить из корабля в виде реактивной струи. Рентгеновское излучение можно частично использовать для питания систем корабля, а остаток выбрасывать наружу. Минусом протон-борной реакции является требование по нагреву плазмы до температуры в несколько миллиардов градусов.

Двигатели

Наиболее подходящей конфигурацией реактора для протон-борной реакции является FRC. Требуемые температуры в ней могут достигаться магнитным сжатием, инжекцией нейтральных пучков, ВЧ нагревом (см. проекты TAE Technologies). Плазма в таком реакторе ограничивается преимущественно собственным магнитным полем кольцевых токов. Это позволяет удерживать горячий плазмоид магнитным полем до ~ 10 Тл. Для превращения FRC-реактора в термоядерный ракетный двигатель (или DFD- Direct Fusion Drive) потребуется изменить его геометрию, превратив симметричную «ловушку» в систему с направленным выбросом через магнитное сопло. Нагрев плазмоида можно осуществлять вращающимся на ВЧ магнитным полем и инжекцией струй топлива. В центре главного соленоида можно сделать зазор для вывода половины рентгеновского излучения из зоны реактора на фотоэлектрические панели — для электропитания систем корабля. Не задержанная панелями часть рентгена может выходить в космос через прозрачные конструкции. Оставшаяся в реакторе половина тормозного излучения составит ~ 10 % от его выходной мощности. Её могут поглотить экраны, охлаждаемые жидким теплоносителем, например, литием.

Масса DFD c реактором мощностью 100 ГВт, экранами, системой охлаждения из легких ферм радиаторов может достичь ~ 1500 т. Второй подобный двигатель с системой охлаждения можно разместить в носовой части корабля. Он понадобится для торможения без необходимости совершения опасных поворотов корабля, бомбардируемого потоками газа и пыли, а также для резервирования заднего двигателя. Реактивную струю альфа-частиц из носового двигателя можно разделить магнитным дефлектором на 3 струи, симметрично выходящие под углом 10-20 гр. к оси корабля, через массивный щит толщиной 10-20 м. При этом попадающие в сопла межзвёздные газ и пыль будут поглощаться материалом щита в дюзах для струй, не доходя до реактора. Тяга по оси при этом будет меньше незначительно: на ~ 5-10 %. При этом у корабля появляется возможность медленного маневрирования — путем изменения потоков альфа-частиц в струях. Кроме того, потоки альфа-частиц от носового двигателя будут частично ионизировать газ и пыль перед кораблём, которые затем могут отводиться в стороны магнитной системой дефлекторов. Отталкивание заряженных частиц можно использовать для медленного торможения корабля на высоких скоростях. Передний двигатель с системой охлаждения и радиаторами добавят ещё ~ 1500 т.

Для эффективного бокового смещения корабля можно использовать мощные химические маневровые двигатели, расположенные в носовой и кормовой частях корабля. Подходящее для них топливо — водород и кислород, пару сотен тонн которых можно хранить в баках. Остальное генерировать из запасов воды.

Щит и радиаторы

Носовой щит можно наполнить тем же термоядерным топливом. При толщине 10 м и диаметре 50 м его вес составит ~ 20 000 т. Он защитит корабль от газа, пыли и метеоритов размером до ~ 10 см. Расходовать декаборан из щита нужно будет при торможении, в последнюю очередь. Для защиты от метеоритов большего размера потребуется активная система отражения — мощным лазером. Для ближнего обнаружения опасных объектов нужна радарная или лидарная система. В детали возможных систем, реализацию вывода и приема излучения через щит вдаваться не будем. Большие объекты, которые не обезвредить лазером, потребуется облетать.

Для рассеивания 10 ГВт тепла от одного двигателя двусторонними радиаторами, нагретыми до 1000 °C, их площадь должна составлять ~ 2,6 га. Когда двигатель работает на пониженной мощности, может использоваться только часть радиаторов и теплоносителя. Оптимальная форма радиаторов — продольные ребра (панели), расходящиеся радиально от центральной фермы корабля к периферии. Материал —  лёгкий и термостойкий композит. Панели радиаторов пронизаны ниобиевыми трубками с жидким литием и кабелями подогрева. Радиаторы и охлаждающие трубки размещены в прочной раме внешним диаметром ~ 50 м.

Подходящие параметры панелей для рассеивания 10 ГВт тепловой мощности:

• Количество — 8 штук (расположены каждые 45° по кругу)

• Ширина (радиальный размер от центральной фермы диаметром 10 м до края щита) —  20 м

• Длина ~ 80 м

• Масса композитных панелей (углерод-керамика) ~ 300 т

Структура корабля

 Звездолёт вписан в цилиндр диаметром ~ 50 м. По направлению от носа к корме содержит:

1. Щит от газа, пыли и мелких метеоритов. Длина ~ 10 м.

2. Секция носовых двигателей. Спереди в центре размещён тормозящий двигатель. Вокруг него: системы охлаждения, генерации электроэнергии, разведки и отражения метеоритов, магнитная система дефлекторов + подвижное  кольцо с двумя маневровыми двигателями по краям. Сзади размещено термоядерное топливо, баки с водородом и кислородом, вода, установка электролиза. Длина секции ~ 30 м.

3. Цилиндрическая ферма с рёбрами радиаторов. Внутри проложены трубопроводы для топлива, воды и теплоносителя, силовые кабели. Размещены разные материалы. Длина секции ~ 80 м. 

4. Обитаемая секция с оборудованием. Длина ~ 100 м.

5. Цилиндрическая ферма с рёбрами радиаторов, как в п. 3.  Длина ~ 80 м. 

6. Секция кормовых двигателей. Спереди размещено термоядерное топливо, баки с водородом и кислородом, вода, установка электролиза. Сзади в центре размещён разгонный двигатель. Вокруг него: системы охлаждения, генерации электроэнергии, связи  + подвижное кольцо с двумя маневровыми двигателями по краям. Длина секции ~ 40 м.

Маневрирование и зонды

Маневровые двигатели в каждой секции можно направить по касательной к окружности, проходящей через них. Тогда они смогут создавать боковые смещения и вращение корабля. Для этого кольцо с маневровыми двигателями может быстро поворачиваться относительно корабля их же реактивной тягой (принцип сегнерова колеса). Два двигателя в задней секции должны быть развёрнуты на 180 градусов относительно двух передних — для создания вращения заднего кольца в противоположную сторону. Это позволит выполнять боковые смещения корабля в точно заданном направлении, без его вращения. Перед манёвром уклонения угол поворота колец точно выставляется для направления одного из двигателей в обоих секциях в сторону от препятствия. Для смещения потребуется включить тягу одного маневрового двигателя спереди и одного сзади. Маневровые двигатели также могут выполнять роль ориентационных: поворачивать весь корабль в любую сторону. Для поворота вокруг главной оси одно из колец фиксируется относительно секции корабля, затем включаются двигатели на нём.

Смещение корабля вбок для облета редких астероидов потребует заблаговременного включения маневровых двигателей. При их тяге ~ 10 000 кН смещение корабля массой ~ 100 000 т вбок на 100 м займёт ~ 45 сек. На скорости 0,02 с корабль пройдёт за это время ~ 270 000 км. Для разведки астероидов прямо по курсу на таких расстояниях потребуются разведывательные зонды. Они могут сканировать пространство спереди и передавать информацию об опасных объектах на корабль по лазерному лучу. Можно использовать два лёгких зонда, летящих параллельно на расстоянии ~ 50 000 км друг от друга. Запускать зонды потребуется на этапе разгона корабля. Толкать их вперёд можно лазерными лучами из звездолёта. Манёвры и торможение зонды могут выполнять своими ионными двигателями. Топливо для двигателей (водород) они могут аккумулировать из встречного потока межзвёздного газа.

Общие параметры и время перелёта

Общие параметры термоядерного корабля:

• Сухая масса ~ 30 000 т

• Масса термоядерного топлива ~ 60 000 т (1/3 хранится внутри носового щита)

• Масса воды ~ 3 000 т

• Масса полезной нагрузки ~ 7 000 т

• Суммарная масса на старте ~ 100 000 т

• Внешний диаметр ~ 50 м

• Длина ~ 340 м 

• Тяга при разгоне/торможении ~ 11/10 кН

При данных параметрах время разгона звездолёта до скорости 0,02 с составит ~ 1,6 года. Начальное ускорение ~ 10^-4 м/с². Дистанция разгона ~ 0,05 св. года. Время полёта на крейсерской скорости до ближайшей звёздной системы Альфа Центавра (расстояние ~ 4,36 св. года) займёт ~ 214 лет. Время торможения ~ 0,6 года. Ускорение в конце пути ~ 3·10^-4 м/с². Общее время перелёта ~ 216 лет.

Корабли без отброса массы

Ахиллесова пята всех кораблей с реактивной тягой в том, что они требуют отброса продуктов сгорания топлива, которое нужно хранить и ускорять вместе с ними. Это ограничивает дальность полёта и возможности маневрирования. Такой проблемы нет в проектах кораблей со световыми и магнитными парусами. Однако, они малопригодны для межзвёздных перелётов, т. к. требуют достаточно интенсивного освещения или магнитного поля, которых не получить на огромных расстояниях от источников при компактных размерах корабля. Отталкивание от набегающего потока ионов межзвёздного газа магнитным полем корабля в автономных вариантах магнитного паруса слабо из-за низкой плотности потока. Оно может использоваться на начальном этапе торможения термоядерного корабля для экономии топлива.

 В атмосфере винт самолёта отталкивается от воздушной среды. Но от чего и как можно оттолкнуться в космическом “вакууме”? Известно, что в ускорителях не удаётся разогнать элементарные частицы до скорости света. Раньше считали, что это происходит из-за увеличения их массы. Ныне в стандартной модели говорится о релятивистском увеличении импульса. Но есть и альтернативное объяснение: при приближении к скорости света на частицы всё сильнее действует сопротивление их движению “вакуумной” среды. Есть механическая аналогия — резкий рост сопротивления движению летательного аппарата при приближении его скорости к скорости звуковых волн. До сих пор в экспериментах с околосветовыми элементарными частицами не измеряли напрямую (механически) их импульс. Рост энергии, затрачиваемой на разгон частиц вблизи скорости света, можно объяснить сопротивлением среды. Если это так, откроется возможность проектирования ракетных двигателей без отброса массы. Рабочее тело в них (мощные пучки ионов), разогнанное до околосветовых скоростей, тогда может передавать свой механический импульс среде космического “вакуума”, толкая её против движения. Согласно 3-му закону Ньютона, при этом должна появиться тяга ускорителя и всего корабля в противоположную сторону.

Есть ещё фантастические концепции варп-двигателей, позволяющих перемещаться со сверхсветовыми скоростями. Физической основы под ними не видно, поэтому они скорее всего так и останутся фантастикой.

Обители и обитатели

Допустим, через несколько столетий удастся построить термоядерные корабли, пригодные для межзвёздных перелётов. К этому моменту солнечная система уже может быть колонизирована нашими потомками. Возникают вопросы. Какими будут космические станции и базы? Какие условия будут на них? Какими будут их обитатели — пассажиры звездолётов? Обсудим.

В ближайшие десятилетия есть большие шансы создать первые поселения на Луне и Марсе. Затем могут появиться обитаемые космические станции на орбитах планет и Солнца. Затем — поселения на удаленных планетах. На первых космических станциях могут делать вращающиеся жилые секции с искусственной гравитацией. Но по мере совершенствовании тел обитателей, потребность в гравитации должна снижаться. На станциях будущего могут быть только небольшие центрифуги, необходимые для производства и содержания отдельных биологических существ. Орбитальные базы и корабли будущего должны будут обеспечивать жильцов: информационными и материальными ресурсами, энергией, защитой от космического излучения, метеоритов и мусора. Для добычи материальных ресурсов могут использоваться станции на астероидах и планетах. Базы и станции могут иметь разный вид и функциональность, в зависимости от локальных условий и вида их жильцов.

Первыми поселенцами в космосе, вероятно, будут роботы. Затем будут переселяться люди, потом — киборги. Последние могут быть людьми с расширенными возможностями: вероятно, благодаря интегрированному в мозг чипу-коммуникатору с ИИ и бионическим частям тела. Биологические потребности киборгов с Марса, других планет и орбит небесных тел могут адаптироваться к условиям обитания. Такие существа будут всё ещё мало пригодными для межзвёздных перелётов. Биологическая основа тел требует гравитации, хорошей защиты от излучения, комфортного микроклимата, регулярной подачи воды и еды. Средняя продолжительность жизни киборгов может существенно вырасти, но значительно неприхотливее людей они вряд ли станут. Несмотря на несовершенства, к ближайшей звезде могут полететь уже они. На звездолёте киборги могут обустроить себе подходящий «ковчег», использовать технологии крионики. 

Надежнее и безопаснее могут стать путешествия по галактике последующих, небиологических живых существ: андроидов и не антропоморфных существ с AGI, адаптированных для длительного перелёта и колонизации целевой звёздной системы. Их тела могут состоять из более тонко и эффективно организованных физических систем, нежели биологические части тел предшественников. Мозг может быть реализован на основе перестраиваемых нейросетевых наноструктур из электронных и ядерных спинов. Цепочки электронных спинов могут отвечать за мышление и выполнять роль аксонов. Кластеры ядерных спинов в местах контактов цепочек — за их оперативную память, выполняя функцию весов синапсов. Для обеспечения взаимодействия ядерных спинов с магнонами цепочки их кластеры могут упаковываться в магнитные дефекты-наноточки. Долговременная (ассоциативная) память может обеспечиваться геометрией связей спиновых цепочек в сочетании с наноструктурными деформациями вблизи них (аналог внутриклеточной памяти). Деформации могут возникать в области “синапсов” цепочек благодаря магнитострикции — при частом и интенсивном возбуждении (долговременной потенциации). Стирание памяти может осуществляться локальным разогревом деформированного участка “синапса” при подаче в него потока магнонов на резонансной частоте.

Ведущие обитатели станций и кораблей более отдаленного будущего могут быть виртуальными (информационными) существами, не привязанными к телам и местным ресурсам. Они, вероятно, смогут «вселяться» в подходящие тела для решения стоящих задач (совместно с роботами и телесными помощниками) и покидать их, когда потребуется. Перемещаться в космосе они смогут, например, по лазерным лучам между терминалами в разных обителях. Такие существа тоже не будут вечными из-за устаревания своей архитектуры и накопления дефектов. Для длительных космических миссий же они отлично подойдут.

Подробнее тему разумных обитателей космоса раскрыл в  предыдущей статье.

Стратегия расселения

Расселение цивилизации в соседние звёздные системы возможно при наличии подходящих ресурсов в месте прибытия и всего необходимого на борту звездолётов. Разведку ресурсов перед миссиями могут осуществлять исследовательские зонды. Полезная нагрузка звездолётов для расселения же должна быть воспроизводимой. Известна концепция самовоспроизводящегося корабля фон Неймана. Для воспроизводства себя кораблю не потребуется перевозить заводы. Для начала цикла воспроизводства необходимы только информация, инструменты и живые представители.

Состав части полезной нагрузки для воспроизводства цивилизации может быть таким:

1. Цифровая библиотека. Содержит необходимые знания цивилизации в сжатом виде.

2. Нанофабрики/3D-принтеры. Должны быть способны изготавливать, в первую очередь, детали для самих себя. Мелкие детали могут изготавливается методами самосборки. Чтобы нанофабрика не создала «мутанта», она должна передать своей копии полный информационный код — описание каждого элемента в своей конструкции. При этом система должна уметь исправлять ошибки (мутации), возникающие из-за космической радиации.

3. Представители разных форм жизни в состоянии анабиоза/консервации.

4. Разумные существа.

 Предположим, корабль с киборгами когда-то прибудет в систему с ресурсами, подобную Солнечной. Попробуем представить процесс колонизации системы и подготовки к дальнейшему полёту поэтапно.

Этап 1: Разведка и закрепление (1–10 лет)

• Автоматические зонды сканируют систему. Корабль паркуется у богатого ресурсами астероида.

• Развёртывание фотоэлектрических панелей и нанофабрик.

• Создание первых «роботов-рабочих».

Этап 2: Промышленная база (20–50 лет)

• Начало добычи материальных ресурсов.

• Строительство орбитальных заводов и добывающих станций.

• Производство термоядерного топлива.

• Создание инфраструктуры для жизнеобеспечения.

  К концу этого этапа система готова принять «биологических» колонистов.

Этап 3: Размножение и развитие общества (50–100 лет)

• Синтез биосферы в закрытых модулях. Рождение и воспитание нового поколения киборгов.

• Формирование устойчивой популяции (несколько тысяч).

Этап 4: Строительство нового корабля (20–50 лет)

• Для постройки копии описанного звездолёта требуется зрелая экономика. С учётом добычи редких материалов, репликации нанофабрик и отладки систем, строительство может занять десятилетия.

Весь цикл — от прибытия одного корабля с киборгами до готовности отправить «дочерний» корабль к следующей звезде, по оптимистичным оценкам выше, займет 100 — 200 лет. С учётом непредвиденных трудностей и катаклизмов этот срок может быть в несколько раз больше. Однако, более совершенным существам, использующим технологии будущего, может потребоваться меньше времени.

Заключение

Развитие и расселение земной цивилизации в космосе, вероятно, продолжится. Экспансия жизни — естественный процесс. Однако, она может прерваться в любой момент из-за глобальной катастрофы (мировая война, смертельная болезнь, экологический или космический катаклизм и проч.). При этом цивилизация может как полностью погибнуть, так и оставить выживших представителей, способных построить новый мир. Чем же дальше будет расселяться цивилизация, тем жизнеспособнее она будет. Потомки землян могут жить обособленно, эволюционируя в разные виды. Крах одной ветви цивилизации при этом может мало сказаться на других.

Если помимо земной цивилизации в нашей галактике обитают и иные, в процессе их экспансии могут происходить встречи. Цивилизации могут как конфликтовать за ареалы расселения, так и договариваться об их разделе, помогая друг другу знаниями и ресурсами. Тут нужно упомянуть т. н. парадокс Ферми. Его суть заключается в недоумении о том, почему достаточно развитые внеземные цивилизации при их существовании не оставили следов на Земле. Это говорит нам о том, что заселение галактики, если оно где-то уже происходит, — это редкий и тернистый путь. Впрочем, отсутствие сведений у людей о посещении инопланетянами нашей звёздной системы не означает, что его не было или не будет.

Перспективы заселения нашей галактики хоть и туманны, но технически осуществимы в обозримом будущем. А что насчёт заселения других галактик, их скоплений, сверхскоплений? Тут есть два фундаментальных препятствия. Во-первых, расстояния: между соседними галактиками в скоплениях ~ 10⁵-10⁶ св. лет, между скоплениями ~ 10⁷ св. лет, сверхскоплениями ~ 10⁸ св. лет. Во-вторых, по современной теории, наша вселенная будет расширяться. Поэтому для межгалактических перелётов требуется движение со сверхсветовыми скоростями. Это ныне неизведанная область, на которую наложено табу постулатом СТО. Если помимо  четырёхмерного пространства Минковского существуют и иные измерения, гипотетически, сущности оттуда могут как-то связывать дальние объекты Вселенной путём влияния на способные к их приему тела. Но это уже на грани научной фантастики и мистики.

P. S. Статья написана в соавторстве с Gemini 3.1 Pro. Численные оценки могут быть неточны.