Ядерные фонари

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 4(6) 2015/16

Тим Лайвенгуд (Tim Livengood), Центр космических полётов Годдарда, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА)

Ни один разумный человек не посчитает её разумной идеей. Ни один народ никогда не должен пытаться это сделать лишь по собственному усмотрению. Это просто Такая Вещь, Которую Никогда Нельзя Делать, глупейшее понятие, которое никто не должен по-настоящему рассматривать. Так давайте подумаем серьёзно о возможной пользе от запуска ядерных взрывчатых веществ в космическое пространство и поразмышляем, чему можно научиться, просто думая об этом. В настоящее время ядерные взрывные устройства просто «пылятся» в верхней части ракет-носителей, потребляя человеческое время и энергию в процессе их бесполезного поддержания в боевой готовности. Мы можем быть благодарны, что они по-прежнему не найдут своего применения, для которого они были предназначены, и мы можем представить себе будущее, в котором народы смогут понять, что больше совсем нет никакой необходимости держать ядерные устройства. Когда этот день наступит, будет весьма полезно избавиться от тех, которые уже существуют. Нет более эффективного способа, чем подорвать их все разом в каком-нибудь в безопасном месте. Закрепив несколько твёрдотопливных ракетных ускорителей на каждой ракете, мы сгенерируем достаточно тяги, чтобы развить нужную космическую скорость и отправить их так далеко, как это возможно. Задача состоит в том, чтобы получить некоторую пользу от этого процесса.

Ядерный взрыв высвобождает массу энергии, которая выпаривает само устройство и всё вокруг себя. Ядерные реакции в центре взрыва дают всплеск излучения любого вида: гамма-лучи и рентгеновские лучи, которые состоят из частиц высоких энергий (фотоны) света, а также множество менее энергичных излучений – ультрафиолетовое, длина волны излучения в видимой области спектра, инфракрасное, СВЧ-излучение и радиоволны – каждое последовательно несёт фотоны со всё более меньшей энергией. Также присутствуют нейтроны и другие частицы. Ударное действие излучения испаряет и ионизирует ядерное устройство и всё окружение, создавая быстро разрастающееся облако радиоактивной сверхгорячей плазмы. Если коротко: яркий свет, большой взрыв, радиоактивное послесвечение.

Ядерные взрывчатые вещества рассматривались с точки зрения движения в космосе крупных объектов. Конструкции космических аппаратов предусматривают сбрасывание ядерных бомб из задней двери, одна за другой, чтобы сдетонировать и двигать вперёд космический аппарат. Несколько тысяч таких действий в последовательности могут действительно заставить что-то двигаться. Ядерное импульсное движение требует проведения большого количества ядерных взрывов и оставляет след из радиоактивного мусора позади космического аппарата, поэтому не трудно понять, почему никто никогда на самом деле не построил ни один из таких космических летательных аппаратов.

Ядерные взрывчатые вещества также могут увести в сторону орбиту кометы или астероида. Энергия от детонации испарит поверхность соседней кометы или астероида и сгенерирует движущую силу. Проекты изменения направления движения комет и астероидов предполагают, что мы будем иметь возможность обнаружить опасные объекты и иметь достаточно времени, чтобы подготовить ответ. Все довольны, все смеются: за всё время человеческой истории мы не наблюдали каких-либо серьёзных объектов, намеревающихся столкнуться с Землёй. Увы, наша неспособность заметить какие-либо такие объекты не остановила их от нанесения таких ударов нам. Во всяком случае, нам повезло и ущерб был незначительным в пределах человеческой истории. Только метеорит, что взорвался над Челябинском, причинил существенный вред, но на много порядков меньше, чем удар Чикшулуб, который завершил эру динозавров 65 миллионов лет назад.

Проблема с поиском небольших камней и кусков грязного льда в космическом пространстве – «небольших» по сравнению с Чикшулуб, «размером с горы или города», – заключается в том, что они маленькие, в то время как космическое пространство большое; они обычно очень тёмного цвета, и, как правило, находятся далеко от Солнца в тот период, когда мы хотели бы их обнаружить задолго до того, как они выходят на орбиту, которая представляет какую-либо опасность воздействия.

Существуют более веские научные причины, чтобы узнать больше о небольших объектах в пространстве вокруг нашего Солнца, кроме нашего страха перед астероидами-убийцами. Эти крошечные объекты остались от гравитационной самоорганизации Солнечной системы. Состав их материала свидетельствует об условиях в предварительно солнечной туманности, которые сформировали наше Солнце и планеты. Современные орбиты этих объектов являются результатом процессов орбитальной динамики в древнем прошлом. История наша написана кометами, астероидами и ударными кратерами, которые они оставили на каменистых телах Солнечной системы. Если бы мы просто могли развернуть действительно яркий свет туда, куда нам нужно, и малые тела можно было найти, мы могли бы увеличить шансы их обнаружения и определить, сколько их и какого они размера.

У нас есть достаточные доказательства того, что существуют два орбитальных региона, далёких от Солнца, которые наполнены бесчисленным количеством малых тел: Пояс Койпера и Облака Оорта. Пояс Эджворта-Койпера (ЕКВ) распространяется по всей орбите планеты Нептун и вне её, возможно, в пару раз орбитального расстояния Плутона. Сам Плутон является первым известным жителем ЕКВ, но есть ещё более тысячи объектов Пояса Койпера (EKBOs), известных нам в настоящее время. Облако Оорта является условным сферическим облаком мелких тел, вращающихся вокруг Солнца в межзвёздном пространстве на расстояниях от светового года до ближайшей части и до, возможно, двух световых лет, примерно на полпути к следующей ближайшей звезде. Кометных тел на орбитах, которые в конечном итоге достигают внутренней области Солнечной системы, пришедшие из внешних пределов ЕКВ, на орбитах, отклонённых в течение долгого времени гравитационным влиянием Нептуна, проходящими звездами и, возможно, другими телами, о которых мы знаем очень мало или ничего.

Мы можем сделать некоторые приблизительные оценки населённости ЕКВ. Пояс простирается примерно от 20 AU и далее до около 100 а.е., где AU – астрономическая единица, среднее расстояние от Солнца до Земли. Форма Пояса напоминает пончик объёмом около трёх четвертей миллиона кубических AU. Там, по оценкам, находится около ста тысяч КБО – объектов Пояса Койпера размером больше, чем 100 км в диаметре, так что средний объём незаселённого пространства вокруг каждого из них составляет около 7,5 кубических AU и расстояние между объектами, таким образом, будет около 2,4 AU. Объекты диаметром 100 км примерно в десять раз больше, чем «ударник» Чикшулуб. Если мы предположим, что общая масса объектов, которые примерно в десять раз меньше, чем 100 км, составляет примерно столько же, как объекты в 100 км, то число таких объектов примерно в десять тысяч раз больше, или около миллиарда тел приблизительно диаметром 10 км. Это даёт нам расстояние между такими объектами вплоть до около 0,1 AU.

Ядерная вспышка в какой-то случайной точке в космическом пространстве в пределах пояса Койпера будет находиться, в среднем, около 0,05 а.е. от ближайшего объекта диаметром 10 км, но около 100 а.е. от нас. Взрыв в одну мегатонну выпустит около 4,1 миллиона миллиардов джоулей энергии. При отсутствии более подробной информации предположим, что потребуется около секунды, чтобы остановить светоизлучающую энергию (это занимает миллисекунды для начального ядерного взрыва), но плазме от испарившегося устройства потребуется некоторое время, чтобы излучать свою энергию. К тому времени он достигает поверхности EKBO на расстоянии 0,05 а.е., энергия взрыва сильно ослабляется расстоянием до односекундного импульса – около пяти микроватт на квадратный метр. Получается гораздо меньше, чем общая мощность, получаемая от Солнца, которая составляет около 0,14 Вт на квадратный метр. Даже будучи самой разрушительной, энергия, контролируемая человечеством, ничтожна по сравнению со звездой.

И Солнце, и ядерный взрыв выбрасывают радиацию в широком диапазоне длин волн, а также излучение частиц. В отличие от Солнца мы можем смоделировать выходное излучение от ядерного взрыва, чтобы сделать его различимым, несмотря на то, что оно относительно слабое. Для сравнения, радиопередатчик в космическом аппарате Voyager 2 излучает только 20 Вт мощности в узком диапазоне частот на текущем расстоянии около 103 а.е. Если предположить, что фокусирование радиосигнала Voyager повышает его эффективность на коэффициент примерно 100, что эквивалентно широковещательному передатчику 2000W, всё же это ещё гораздо, гораздо меньше, чем ядерный взрыв. Ограничение вывода энергии из детонации в радиодиапазоне, если это будет осуществимо, может резко увеличить вероятность детектируемого сигнала, отражённого от КБО.

Когда ядерный взрыв происходит в атмосфере Земли, он производит электромагнитный импульс (ЭМИ) – мощный взрыв радиоизлучения от ионизированного воздуха, который окружает устройство, сжатое ударной волной взрыва. Всё будет не как в космическом пространстве, где ядерный взрыв расширяется в вакууме только с небольшим количеством плазмы (ионизированного газа), которая исходит от испарения самого ядерного устройства. Это может быть возможным – смоделировать обёртку или оболочку для ядерной взрывчатки так, чтобы она выполняла ту же роль, что атмосфера Земли, но с заданными свойствами. Понижающее преобразование энергетических фотонов и излучения частиц, от атомного импульса до практически полного излучения в радиочастотном спектре, позволит ядерный импульс использовать для радара. Радиоволны рассеиваются гораздо более эффективно с ледяных тел, чем видимый свет, который, в основном, поглощается. Радарные передатчики мегаватт-уровня используются регулярно в обсерваториях Голдстоун и Аресибо для исследований объектов Солнечной системы на расстоянии нескольких AU – энергия всё ещё далеко менее эффективная, чем ядерный импульс в одну мегатонну.

Техническая задача преобразования ядерного взрыва в источник радиолокационного излучения остаётся как есть: решается она нами или решается с помощью инопланетной цивилизации на орбите другой звезды. Это означает, что ядерный источник радиолокационного излучения, управляемый инопланетной цивилизацией, каковы бы ни были его отличительные свойства, мог бы привести к решению интеллектуальной проблемы нами – придём мы к решению или нет – когда-либо построить и эксплуатировать подобное устройство. По сравнению с радиопередатчиком Voyager, 2, 2-киловаттный эквивалент Voyager является приблизительно в 2х10¹² раз менее мощным, чем взрыв в одну мегатонну. Это означает, что взрыв, вероятно, можно обнаружить в миллионы раз превышающем диапазоне, в котором в настоящее время находится Voyager 2. Это составляет около 2 300 световых лет – диапазон, который включает в себя миллионы звёзд.

В поисках внеземного разума всегда негласно считается, что любая цивилизация, которая будет обнаружена, может находиться далеко за пределами нашей собственной технологии просто потому, что нам не хватает способности управлять радио- или оптической передачей мощности достаточной, чтобы прослеживаться на межзвёздных расстояниях. На самом деле это может быть и не так. Мы имеем ядерные устройства в течение 70 лет, но никогда не было основания подумать, что мы можем превратить их в импульсные лампы. Возможность передачи сигнала на другую звезду не может находиться так далеко за пределами нашего понимания, и, таким образом, любая цивилизация, которую мы обнаружим, не может настолько превосходить нас. Информационный контент, который может быть передан посредством изолированного ядерного импульса мал, но содержит наиболее важную информацию, которую можно себе представить: мы существуем.

Примечание. Получается, что это не на 100% уникальная идея. В частности, очень похожая концепция была предложена в рассказе «Планета Убийца» Геса Сегера и Кевина Грейзиера, опубликованной в «Алмазы в небе» (ред. М. Бразертона). В рассказе, как и в этом обсуждении, идея никогда не была на самом деле реализована.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Nuclear Flashlamps in Space
 журнал ROOM № 4(6) 2015/16