Первого сентября этого года мимо Земли на расстоянии в 7 миллионов километров прошёл четырехкилометровый астероид Florence. Это событие не представляло угрозы для людей, однако дало хороший повод поговорить и о проблеме потенциально опасных астероидов, и о тех технологиях, которые способны избавить от нее. «ФедералПресс» побеседовал на эту тему с работавшим в NASA известным ученым, профессором Сколковского института науки и технологий Игорем Ужинским.
– Игорь Константинович, можем ли мы на сегодняшний день в принципе защититься от столкновения с астероидами?
− Столкновение Земли с астероидом, который может представлять угрозу для всех нас − неизбежно. Увы, это так. Рано или поздно оно произойдет, вопрос в том, когда именно и сможем ли мы предсказать это столкновение. Пояс астероидов между Марсом и Юпитером нам хорошо известен, а вот объекты из пояса Койпера за орбитой Нептуна могут прилететь в любой момент. Там их очень много, но из-за слабой освещённости и огромного расстояния мы их не видим − мы можем увидеть только то, что движется в нашу сторону. Далее, если удалось такой астероид засечь, все зависит от его размеров и NASA предлагает выделять три класса потенциально опасных объектов
– Очевидно, все дело в размере и массе?
− Да. Первый это сравнительно небольшие, массой меньше ста тонн. Они не несут серьёзной угрозы. Второй это объекты массой в сотни тонн, а третий − большие астероиды, которые представляют угрозу для существования нас на Земле в принципе. Тот проект, который мы прорабатываем, касается второго класса.
С теоретической точки зрения вопрос эффективной защиты от той или иной угрозы требует в первую очередь анализа величины рисков. Крупные астероиды, способные при столкновении вызвать катастрофу планетарного масштаба, встречаются редко. Объектов меньших размеров значительно больше, однако самыми маленькими можно пренебречь. Камень диаметром в пару метров и массой в несколько тонн опасен разве что при прямом попадании в ядерный реактор, химический завод или в место с большим скоплением людей. Хотя куда вероятнее его падение в океан или посреди малонаселённой местности.
Суть нашей идеи заключается в отклонении астероидов при помощи гравитационного буксира. Беспилотный космический аппарат массой порядка полусотни тонн подходит к астероиду и повисает перед ним вблизи. Гравитационное притяжение тянет астероид и аппарат навстречу друг другу, создавая, по сути, связку подобную тросу. Если на нашем аппарате стоят постоянно работающие двигатели, то он будет сохранять постоянное расстояние до астероида и тянуть его в нужном направлении, медленно меняя орбиту.
– А почему не толкать астероид напрямую, сев на него?
− Многие астероиды могут быть слишком рыхлыми. На них сложно зацепиться и они могут развалиться в процессе.
– Если они разваливаются, то, может, проще их уничтожить ядерным взрывом?
− Расколоть астероид на части это не очень хорошая идея. Части все равно будут двигаться по той же орбите и мы вместо одного столкновения получим несколько.
– Но сила притяжения, и, соответственно, придаваемое астероиду ускорение со стороны гравитационного буксира будут невелики. Это от силы килограммы, при массе небесного тела в сотни тонн.
− Наш проект предполагает непрерывную работу двигателей в течении десяти лет. За это время небольшая сила обеспечит необходимое изменение скорости астероида. Скорость − величина векторная, то есть имеющая как величину, так и направление. Поворот вектора в сторону тоже требует воздействия внешней силой.
– А какие двигатели смогут работать десять лет подряд? Ресурс ракетных двигателей же составляет в лучшем случае часы, чаще даже минуты.
− Речь об ионных двигателях. Они используют не химические реакции при высоких температурах, а испускание потока ионов. Современные ионные двигатели, устанавливаемые на спутниках и космических аппаратах, работают на инертных газах, лучше всего на ксеноне. Ксенон очень плотный, легко превращается в занимающую мало места жидкость и при этом его атомы легко ионизируются. Ионы ксенона ускоряются электрическим полем до скоростей в десятки километров в секунду, это много эффективнее ракетных двигателей. Но, конечно, ионные двигатели дают малую тягу: не сотни тонн, а меньше сотни грамм.
Мы рассматриваем плазменный двигатель, это разновидность ионного. Такой двигатель может использовать не ксенон, а водород. Водород это самые простые атомы, один протон и один электрон, поэтому после ионизации водород превращается в смесь протонов и электронов. Такая смесь очень эффективно нагревается радиочастотным излучением, гораздо эффективнее плазмы на основе других газов. Нагрев вещества радиочастотным излучением − технология, которая используется почти в каждом доме, именно этот принцип применяется в микроволновых печах.
– Но насколько мощным может быть такой двигатель?
− Теоретически можно достигнуть тяги в килограммы или даже десятки килограмм. Главное достоинство плазменного двигателя это простота конструкции: он просто греет плазму и выбрасывает её через магнитное сопло. Такие системы могли бы работать сотни тысяч часов, в них практически нечему ломаться.
– Магнитные ловушки для плазмы и радиочастотный нагрев − это те технологии, которые используются в токамаках? Проект ITER, международный экспериментальный термоядерный реактор, к примеру?
− Именно. Другое дело, что ITER − это плазма с гораздо большей плотностью и температурой, так что нам надо скорее отмасштабировать те технологии «вниз», сделав подобные системы легче, меньше и рассчитанными на менее жёсткие условия. Вероятно, это можно было бы сделать на протяжении десяти лет: разумеется, я говорю о порядке величины.
– То есть «может пять лет, может 15, но никак не сто»?
− Да.
– А работать такой двигатель от чего будет и на чём? Солнечные батареи и запас рабочего тела с Земли брать?
− Ну, во-первых, солнечные элементы, а не «батареи» - они всё-таки энергию получают, а не запасают. Во-вторых, они непригодны для нашего проекта, который предполагает перехват астероидов из пояса Койпера, за орбитой Юпитера и вплоть до Плутона, там попросту нет столько солнечного света, там слишком темно уже. Кроме того, мы просчитываем массу аппарата в пределах 20-30 тонн, иначе его не поднять с Земли на тяжёлых ракетах − на «Ангаре» в тяжёлом варианте, например.
Мы предполагаем использовать ядерную энергетическую установку, ЯЭУ. Она может быть в двух вариантах: либо это уже используемые радиоизотопные источники энергии, либо ядерный реактор. Реактор, конечно, предпочтительнее: его мощность можно уменьшить и таким образом сберечь запас топлива на значительный срок, аппарат с реактором мог бы десятки лет дежурить на орбите вокруг Солнца. Радиоизотопные же источники основаны на использовании тепла от постоянно распадающегося плутония, они постоянно греются − их нельзя сделать менее или более мощными. Кроме того, плутониевые установки со временем теряют мощность, а нам хотелось бы иметь ресурс вплоть до ста лет.
– Ста лет? Не многовато ли?
− Американским спутникам «Вояджерам» уже сорок. Они до сих пор работоспособны. Это много, но в пределах возможного.
– А сколько потребуется топлива?
− Много. И один из ключевых моментов в нашем проекте − то, что наш «всеядный» двигатель можно питать водородом. Который не только хорош с точки зрения получения плазмы, но и тем, что он легко выделяется из воды. А воду можно брать на астероидах в основном поясе.
– ЯЭУ и плазменные двигатели это то, что обеспечивает тягу и возможность долететь до астероида из пояса Койпера раньше, чем тот выйдёт на, скажем так, финишную прямую на встречу с Землёй. Но с учётом «дозаправки» на астероидах из пояса между Марсом и Юпитером система ещё усложняется. Как будет выглядеть всё в целом?
− Мы смоделировали разные сценарии и предполагаем постройку шести аппаратов, выводимых сначала к астероидам для «дозаправки», а потом на сильно вытянутые эллиптические орбиты вокруг Солнца, с самой дальней точкой в районе орбиты Юпитера и с перегелием (самая ближняя к Солнцу точка) примерно на уровне орбиты Земли. При обнаружении астероида из этих шести аппаратов − тот, что проще всего направить в нужном направлении — уходит на перехват объекта.
– Вы говорите о том, что плазменные двигатели это идеальный выбор для аппарата, способного перехватывать потенциально опасные астероиды. Но, вероятно, это не единственное применение связки ЯЭУ и плазменных двигателей?
− Конечно. Даже перехват астероидов мог бы быть не только ради защиты Земли, но для добычи полезных ископаемых с предварительной коррекцией орбиты так, чтобы с астероида было удобнее транспортировать те или иные ресурсы. Ядерная установка сама по себе могла бы решить массу иных задач. Скажем, когда я работал в проекте Constellation над системой энергоснабжения лунной базы ночью, мы в NASA прорабатывали химические источники тока. Это было довольно сложной задачей, используемые на Земле повсюду литиевые батареи нам не подходили из-за ограниченного ресурса и пришлось искать другие варианты. Был бы у нас реактор подходящей мощности, проблема была бы решена; для всего, что работает дальше Юпитера, реактор вообще практически единственный способ обеспечить себя энергией. А мощный двигатель мог бы буквально в десять раз ускорить полёты по Солнечной системе, это, по сути, космический грузовик. Это и исследовательские миссии и, если говорить опять про астероидную опасность, наблюдательные посты в районе орбиты Нептуна.
Фото МФТИ
Рисунок Андрея Соколова, РИА Новости