Альфред Адлер однажды заметил: «Мы знаем гораздо больше, чем понимаем». Эта фраза удивительно точно ложится на историю космических двигателей на антивеществе. Казалось бы, аннигиляция материи и антиматерии — удел далёкого будущего, фантастических романов и смелых гипотез. Но если присмотреться к разработкам маленькой компании из Санта-Фе, окажется: полёт к Марсу на позитронах может быть куда ближе, чем принято думать. И сравнительно недорогим, и — что важнее — безопасным.

Полтора месяца до Марса вместо полугода

Представьте: лёгкий пилотируемый корабль, который достигает Красной планеты за 45–90 дней. Для сравнения — нынешние химические двигатели тащат туда же примерно полгода, сжигая сотни тонн топлива. Ионные двигатели, питаемые солнечными батареями размером с пару футбольных полей, тоже не подарок. А тут — доля грамма антивещества, и путь открыт. Именно такую перспективу рисует компания Positronics Research, которую финансирует Институт перспективных концепций аэрокосмического агентства США (NIAC).

Компания эта не первый год возится с антиматерией: строит опытные устройства, магнитные ловушки, ищет способы приручить самую взрывоопасную субстанцию во Вселенной. Недавно она представила две новые концепции двигателей — и обе опираются на позитроны, а не на антипротоны или ядра антигелия, как предлагалось раньше. Выбор не случаен, и за ним стоит холодный расчёт.

Почему позитроны, а не антипротоны

Античастицы — зеркальные двойники обычных частиц. У электрона — позитрон с положительным зарядом, у протона — антипротон с отрицательным. При столкновении материи и антиматерии происходит аннигиляция, и в мир выплёскивается энергия, подчиняясь формуле E=mc². Казалось бы, чем массивнее частица, тем больше энергии — бери антипротоны и радуйся. Но в том-то и загвоздка: аннигиляция протонов рождает гамма-лучи высокой энергии. От них нужна тяжелейшая защита, а значительная часть энергии попросту улетает прочь, не принося пользы. Для пилотируемого корабля это катастрофа.

Позитроны же, аннигилируя, дают гамма-излучение с энергией примерно в 400 раз меньшей. Разница колоссальная. Её хватает, чтобы всерьёз рассматривать позитронный двигатель как основу для марсианской миссии. И Positronics Research предлагает два конкретных варианта.

Теплообменник и водородная струя

Первый — позитронный реактор. Схема такая: на Земле нарабатывают сотые доли грамма позитронов и упаковывают их в множество миниатюрных магнитных капсул-ловушек. В полёте капсулы одна за другой, с высокой частотой, подаются в центр реактора. Там ловушку отключают, позитроны встречаются с веществом матрицы-теплообменника, и короткая вспышка излучения нагревает её. Через матрицу пропускают водород — он разогревается и с огромной скоростью вырывается из сопла, создавая тягу.

Хитрость в деталях: часть горячего водорода отводят на привод насоса, а холодный водород из бака, прежде чем попасть в реактор, пропускают через двойные стенки сопла — для охлаждения. Получается самодостаточная система с удельным импульсом около 900 секунд. Это значит, что на каждый грамм рабочего тела, израсходованный за секунду, двигатель даёт 900 граммов тяги. Примерно в 2–3 раза выше, чем у химических аналогов. А значит — меньше топлива, легче корабль, меньше потребная сила тяги.

Ионные двигатели, конечно, выдают куда больший удельный импульс, но они требуют мощного внешнего источника энергии: либо гигантских солнечных панелей, либо компактного атомного реактора на борту. Позитронный же реактор сам себе электростанция, и в этом его колоссальное преимущество. К тому же ионники неспособны оторвать корабль от Земли — они хороши только в межпланетном пространстве. А позитронный привод, в теории, может вывести аппарат на орбиту.

Свинец, рентген и испаряющееся сопло

Второй вариант назван абляционным позитронным двигателем. Здесь капсулы с позитронами покрывают слоем свинца. Зачем? Свинец поглощает гамма-радиацию от аннигиляции и переизлучает энергию в виде рентгеновских лучей. А рентген, в отличие от гамма-излучения, прекрасно поглощается тончайшим слоем специального покрытия сопла. Слои эти постепенно испаряются — и создают тягу. Расчётный удельный импульс такой схемы — 5 тысяч секунд. Впечатляющий скачок.

Обе концепции объединяет одно, и это, пожалуй, самый неожиданный плюс: безопасность. Джеральд Смит, физик из Йельского университета и один из лидеров Positronics Research, подчёркивает: установки не производят высокоактивных отходов, как атомные реакторы. Если на старте случится немыслимое — откажут сразу все капсулы-ловушки — корабль не выбросит в атмосферу радиоактивных веществ. Будет лишь короткая гамма-вспышка и взрыв, сравнимый по силе с аварией обычной химической ракеты. Зона безопасности вокруг стартовой площадки — всего километр.

Цена вопроса: $250 миллионов за 10 миллиграммов

Сколько же стоит такое топливо? По грубой оценке Смита, производство 10 миллиграммов позитронов — а именно столько нужно для пилотируемой марсианской миссии — обойдётся примерно в $250 миллионов. Цифра немаленькая, но исследователь напоминает: с развитием технологии стоимость неизбежно упадёт, как это было с ядерной энергетикой. И если сопоставить эти расходы с бюджетами космических программ, сумма уже не выглядит заоблачной.

NIAC явно разделяет этот оптимизм: институт выделил Positronics Research средства на дальнейшее изучение и отработку позитронной технологии. И это не единственная попытка приручить антиматерию. Ранее американцы показывали эскизы двигателей на антипротонах, но там античастицы использовались скорее для катализа ядерных и термоядерных реакций, а не для прямой тяги. Удельный импульс у тех «гибридов» был бы выше, но сложность и практическая реализуемость в обозримом будущем — явно ниже.

Что дальше?

Если специалисты из Санта-Фе продолжат в том же темпе, позитронный привод может дойти до стадии опытных образцов как раз к первым пилотируемым полётам на Марс. Конечно, пока это лишь концепции и лабораторные эксперименты с магнитными ловушками. Но сам факт, что крошечная компания всерьёз проектирует двигатели на антивеществе, а государственное агентство их финансирует, заставляет задуматься: не стоим ли мы на пороге эпохи, когда аннигиляция перестанет быть пугающей экзотикой и станет рабочим инструментом?

Адлер был прав: мы знаем гораздо больше, чем понимаем. Возможно, ключ к Марсу уже лежит в лаборатории — осталось только понять, как его правильно повернуть.