| | Сообщение #2 | Вт, 30.04.2019, 17:59 | | |
|
Группа: wing
Сообщений: 27420
| Не о сверхбольших столкновениях речь пойдет в предлагаемом материале, но для нас - вполне себе Большое.
https://vladsergeev.livejournal.com/117859.....jIgytNU
К ПРОБЛЕМЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АСТЕРОИДНО-КОМЕТНОГО АРМАГЕДДОН
Автор: проф. Васильев В.П.
Эта проблема возникла и выросла на базе достоверных научных фактов, а не безудержных фантазий, которыми так богата космическая тематика. Конечно, проще всего её не замечать. Под любым предлогом и уповая на всё что угодно. Или, если и замечать, то не «зрить в корень» детально, пребывая в плену беспечных заблуждений и отмахиваясь высказываниями типа: «Да ничего нам не угрожает в ближайшие сто лет – на сайте же НАСА написано (основная деталь в том, что это верно, но лишь для мизерной части околоземных астероидов – пока что обнаруженных, да и то – с точностью до ошибок прогнозирования орбит...), а будет угрожать – создадут небольшую чёрную дыру и используют ее в качестве «пылесоса» для астероидов – и всего делов, нет проблем!» Но, увы, все слишком серьёзно. Поэтому попытаемся рассуждать более адекватно.
Современная ситуация на самом деле выглядит следующим образом – при её популярном изложении, но с основными деталями, в которых и сидит, как обычно, «тот самый дьявол». Еще пару десятков лет назад известные астероиды, сближающиеся с Землёй, можно было пересчитать едва ли не по пальцам. Они, если формально и пересекали земную орбиту, то обещали это делать не одновременно с находящейся вблизи нашей планетой – как в ближайшем, так и в отдаленном будущем. Сейчас же всё изменилось кардинально. За последние годы, благодаря усилиям астрономов, человечество узнало о существовании как бы третьего пояса (или «роя») астероидов – околоземного. Кроме, по традиции называемого Главным, пояса, что расположен между орбитами Марса и Юпитера, и Койперовского, который локализован на окраинах Солнечной системы.
Число объектов в этих поясах и их средний размер растет с удалением от Солнца, вокруг которого они вращаются, подобно планетам. Но, тем не менее, в околоземном поясе предполагается наличие порядка миллиона (!) астероидов поперечником от десятков метров до километров. Это, конечно, «сверхмалые» тела по меркам двух остальных поясов, но для того, чтобы вызвать локальную, а то и глобальную катастрофу при столкновении с Землёй – вполне достаточные. Количество обнаруженных там астероидов, орбиты которых можно путем рассчётов предсказать на будущее, лавинообразно нарастает, достигая сейчас более 10 тысяч. Иногда их находят по нескольку ежесуточно, а когда заработают специализированные космические телескопы – счёт пойдёт уже на тысячи даже за такие короткие промежутки времени.
Итак, пока что всего менее двух процентов околоземных астероидов уже обнаружено и каталогизовано. Этого, разумеется, недостаточно для полностью корректной формулировки проблемы и даже для более-менее точной оценки вероятности или других определённых параметров возможной угрозы. Хотя люди, вроде бы, – не динозавры и способны активно реагировать даже на угрозу потенциальную... Значительная часть обнаруженных астероидов относятся к «потенциально опасным» (т.е., согласно определению НАСА, сближающихся с Землёй до расстояний, меньших 1/20 её удаления от Солнца – с точностью до ошибок рассчётов), которые могут в принципе со временем оказаться прямо по курсу нашей планеты – см. карту НАСА ихних орбит на рисунке. К счастью, согласно сегодняшнему прогнозированию изменения орбит под действием притяжения планет, ни один из них не столкнётся с нашей в ближайшие десятилетия.
Подавляющее большинство крупнейших тел околоземного пояса с размерами километр и более также находятся среди уже обнаруженных (что понятно – они выглядели ярче других) и по мере возможности отслеживаются. Многие из них входят и в число «потенциально опасных». Но самое неприятное заключается в том, что среди сотен тысяч необнаруженных тел еще остаются подобные «сюрпризы», причем субкилометровых, способных уничтожить цивилизацию, там еще многие тысячи... Среди комет наиболее опасными считаются так называемые «Кентавры» – очень большие и относительно далекие объекты, орбиты которых меняются хаотически.
Иными словами, угроза катастрофического столкновения с астероидами для нашей планеты все же существует вполне реальная, хотя и с неопределённой вероятностью во времени. Челябинский метеорит 2013 года – всего лишь напоминание об этом, а также о том, что подобные события случались в прошлом не раз. Так, по геологическим данным, за последние примерно 250 млн. лет земная жизнь «стиралась» практически полностью целых одиннадцать (!) раз именно за счет таких столкновений. То есть со средним промежутком около 23 млн. лет, а от последнего случая прошло уже ведь намного больше времени...
Это не причины для паники, но все имеющиеся факты указывают на срочную необходимость превентивных действий человечества по мерам защиты от подобного проявления враждебности космоса. Среди таких мер наиболее естественной и реальной считается отклонение, т.е. небольшое изменение траектории астероида или кометы, достаточное для пролёта мимо нас. Эта миссия должна быть среди наиболее приоритетных в мировой космонавтике до полной готовности землян к защите, несмотря на возможно огромную стоимость. Хотя даже части того триллиона долларов, что в мире тратится ежегодно на вооружение, вполне бы хватило для полной разработки оптимального набора методов и астероидного, и кометного отклонения.
Но параллельно и даже более срочно нужна полная «диагностика» проблемы – обнаружение всех астероидов околоземного пояса-роя, которые в той или иной мере могут угрожать нам катастрофическим столкновением. А затем желательно определить и их основные параметры – от размеров, формы и динамики до детального рельефа и химического состава. Как это ни парадоксально, ведущую роль в этом также непростом (большинство астероидов очень тёмные) и недешёвом деле пока что играют не наиболее мощные космические агенства мира типа НАСА и ЕКА, а неправительственные неприбыльные фонды и частные фирмы.
Наиболее реальные успехи на этом пути имеет сейчас фонд «В612», основанный и руководимый двумя бывшими американскими астронавтами – Швейкартом и Лю, и финаннсируемый за счёт благотворительных взносов. В его ближайших планах – вывод на околовенерианскую орбиту специализированного инфракрасного телескопа «Sentinel», стоимость которого вместе с запуском оценивается в 450 млн. долларов. Он уже почти изготовлен частной компанией, имеющей необходимый для этого опыт. Считается, что такой телескоп в состоянии обнаружить и предварительно исследовать едва ли не все околоземные объекты с размерами более 140 метров. К сожалению, как сообщалось недавно, его старт, запланированный на 2016 год, пришлось отложить на три года в связи с внезапным прекращением финансирования по договору с НАСА, по которому фонд должен был получить 30 млн. доллларов. Это крайне нежелательный тормоз в продвижении столь важного и актуального проекта.
Конкурентов у него пока нет, хотя уже ставшая знаменитой частная компания «Planetary Resources», в число инвесторов которой входит и один из авторов «ГУГЛа», также заявляла о намерениях создать похожий прибор. В сети проскакивали сведения и об уже запущенном Канадой космическом телескопе для обнаружения астероидов, но пока по этому поводу нет конкретных новостей. Остальные заинтересованные организации, видимо, уповают в основном на наземные наблюдения, возможности которых здесь намного более ограничены.
В самом начале 2016 года НАСА наконец-то официально взяло на себя координирующую роль в проблеме планетарной защиты, создав специальный «координационный офис» – PDCO. В итоге, общая ситуация сейчас – непростая и ещё не полностью осознана. А в мире в целом пока что сделано слишком мало полезного для спокойствия землян по поводу этой самой масштабной космической угрозы, источник которой находится не за тысячи световых лет, а рядом с нашей планетой. Несмотря на нередкие громкие заявления и существующие «целевые» бюрократические структуры на разных уровнях, включая международный. Структуры, которые по большей мере создают лишь видимость активности, не обладая финансовыми возможностями для поддержки реальных и перспективных программ и проектов.
Что же касается практических усилий и результатов по разработке эффективных методов отклонения крупных астероидов, то они пока находятся в эмбриональном состоянии. Почему именно крупных, ведь вероятность столкновения с мелкими намного выше? Во первых, потому, что крупные способны вызвать катастрофу, «стирающую» цивилизацию. Во вторых, если метод будет работать для массивных астероидов (и кометных ядер), то его наверняка можно использовать и для меньших тел, просто снижая величину воздействия. Но сделать наборот («сработает для мелких – успешно применим для крупных») – как правило, не получится... Об «исключении» (возможности масштабирования от небольших до километровых размеров) речь пойдёт в самом конце текста. Кстати, именно такое масштабирование соответствует формулировке требования к методу астероидного отклонения, который обещает профинансировать известный фонд «Xprize» – см. www.xprize.org/prizes/future-prizes/asteroid-deflection
Здесь сразу необходимо привести примерные величины, которые характеризуют затраты энергии и которые остаются почти без изменений для любого метода постепенного (да и при внимательном пересчёте – «мгновенного») отклонения глобально опасных тел – закон сохранения энергии не перепрыгнешь... А именно: чтобы достаточно (на величину земного диаметра) отклонить тот же субкилометровый астероид (а это масса около миллиарда тонн!) необходимо затратить энергию, которая эквивалентна работе ракетного двигателя (или, например, ионного ускорителя), израсходовавшего десятки тысяч тонн топлива (или рабочего вещества).
Или в других, более «приземлённых» терминах: чтобы сделать то же самое, нужно, как минимум, беспрерывно «давить» на астероид по направлению радиуса орбиты с усилием, эквивалентным сотне килограмм (т.е. силой в тысячу ньютон) в течение года (или десятку килограмм в течение десяти лет, и т.д.). Так что, если оценить лишь стоимость этого топлива и его транспортировки к астероиду, (а доставка только на геостационарную орбиту одного килограмма груза обходится более десяти тыс. долларов), то придём к суммам, сравнимым с бюджетами стран... С позиций, основанных на этих данных, и нужно рассматривать пригодность всех методов изменения орбиты, чтобы оставаться в рамках реальности.
Теперь можно пройтись по наиболее известным на сегодня подходам и методам отклонения с их кратким анализом и сравнительной оценкой.
Начнём с давно навязанного и разрекламированного милитаристами ряда стран подхода, основанного на применении ядерного взрыва (на поверхности астероида или над ней) – почти как в известном фильме «Армагеддон» с Брюсом Уиллисом в главной роли. Заведомо считается, что такой взрыв приведёт либо к полному разрушению опасного тела (вплоть до раздробления на мелкие части), либо к отклоняющему его ударной волной толчку.
Несмотря на кажущуюся доступность и, к сожалению, «привычность», этот способ избежания катастрофы не выдерживает никакой критики. Как с точки зрения безопасности, так и по эффективности. О стоимости лучше не упоминать, поскольку ядерных зарядов такой мощности (десятки мегатонн и более), которая, по оценкам, необходима для существенного воздействия, скажем, на субкилометровый и большие астероиды, до сих пор, вроде бы, не существует. И даже неизвестна технологическая возможность их качественного создания и уверенного использования.
Сначала о безопасности.
Во первых, для её же глобального обеспечения были разработаны, согласованы и приняты международные законы, запрещающие вывод ядерного оружия в космос под любым предлогом. Во вторых, многочисленные испытания и, тем более, давнее применение этого оружия, наряду с поведением «мирных» Чернобыльско-Фукусимовских объектов, уже, надо надеяться, окончательно развеяли миф о безопасности ядерных устройств как таковых (на всех стадиях – от добычи сырья до изготовления и использования изделий с ним). В современном, слишком террогенном мире тем более не может быть никаких гарантий, что подобное «бомбочудище» не рванёт на протяжении всего периода создания, и особенно – на стадии запуска в космос.
В третьих, даже при благополучном (авось?..) исходе работ на Земле и полёте к цели, после разрушающего взрыва на астероиде обломки разного размера прежний его центр масс, скорее всего, сильно не сместят, разлетевшись «веером» не слишком далеко, если взрыв будет локальным и не строго куммулятивным. А значит – можно обоснованно предполагать что они обеспечат столкновение с Землёй не цельного астероидного конгломерата, а его фрагментов, в том числе и немалых. И на нас полетит почти всё то же, но уже по частям и, вдобавок, – радиоактивное... То есть проблема не только остаётся, модифицируясь, но и в какой-то мере усугубляется. Это лишь доводы, которые «лежат на поверхности» и доступны неспециалистам. Незаангажированные же эксперты их еще смогут умножить на базе анализа технологических подробностей.
Остается разобраться с эффективностью на поверку крайне рискованного и опасного на всех этапах ядерно-взрывного подхода. Даже на базе не самых подробных деталей можно показать, что она, вопреки безапеляционным заявлениям его поклонников, оставляет желать лучшего. О квази-симметричном разрушении астероида, которое может произойти при максимально представимой мощности взрыва, практически сводя на нет результат всех усилий, уже упоминалось. Но и полное разрушение (тем более – раздробление) с определённой вероятностью предсказуемо, разве что, при условии взрыва на большой глубине, ближе к центру тела, что в данном случае нереально. Достижимость подобного результата для миллиарднотонной «горы» (даже не очень прочной) посредством внешнего (поверхностного или близповерхностного) взрыва в окружающем вакууме по меньшей мере вызывает обоснованные сомнения. Если не иметь в виду уж совсем фантастические мощности заряда.
При мощностях, недостаточных для разрушения, ожидать большого «толкающего» эффекта от взрыва также не приходится по простой и уже хорошо известной специалистам причине – исключительной неоднородности и разноуровневой «пористости» материала околоземных астероидов. Ведь это по всем данным не сплошная монолитная глыба, а удерживаемое когезией и другими природными механизмами скопление разного размера больших булыжников, средних камней, небольших камешков и более мелких частиц. Что подтвердило исследование астероида Итокава, на котором непосредственно (впервые в истории!) побывал японский космический аппарат «Хаябуса». Причём, по большей части – с металлическими вкраплениями (это обычно для метеоритов-хондритов), что также достоверно показал анализ привезенного им материала с этого астероида самого распространённого класса – силикатного.
Ударная волна любой природы в такой неоднородно рыхлой среде достаточно быстро затухает, растратив свою энергию на нагрев материала и перераспределение частей его структуры – слабо связанных фрагментов. Любые вакуумные пустоты между фрагментами просто убийственны для такой волны. А ведь для необходимой упругой передачи даже части своего импульса она должна дойти (за доли секунды) до противоположной поверхности тела, отразиться и вернуться обратно к месту взрыва. Уже опубликованы результаты соответствующих работ (к примеру, проведенных во всемирно авторитетной Ливерморской нацлаборатории – LLNL), которые демонстрируют негативную роль этого неустранимого фактора.
Направление выброса материала (также порождающего толчок), как следствия взрыва, существенно зависит от формы астероида и локального рельефа его поверхности. Преимущественно радиального (т.е. максимально действенного) выброса можно всегда ожидать лишь для сферического тела. В комплекте же с осевым вращением далекого от сферы астероида это направление труднопредсказуемо и поэтому не гарантирует его соответствия цели мероприятия – там ведь не будет известного киноактёра, который таскает бомбу по камням, выбирая оптимальное место... Например, при выбросе «вперёд», близком по направлению к касательной по отношению к усреднённому «контуру» объекта, его воздействие приведёт, в основном, лишь к ускорению или замедлению осевого вращения и компенсации действия самого взрыва.
Предложение создавать предварительную «воронку» тоже не спасает на крупномасштабных неровностях. А это означает, что и такой сопровождающий эффект далеко не обязательно помогает решению задачи. Все вышеприведенные доводы вряд ли невдомёк апологетам такого подхода. Но они, казалось бы, достаточны для полных и окончательных похорон этого «троянского коня», направленного на ядерную милитаризацию космоса. Тем не менее, снова и снова его пиарят вполне солидные люди и организации...
Второй из методов, основанных на единоразовом (импульсном) воздействии с целью порождения отклоняющей ударной волны, называется «кинетическим импактом» или «высокоскоростным соударением». Он заключается в «выстреле» по астероиду со скоростью несколько десятков километров в секунду (относительно мишени) многотонным ударником-импактором. Основная привлекательность этого метода состоит в возможности использования того (с одной стороны неутешительного...) факта, что высокие скорости астероидов относительно Земли уже объективно существуют, ввиду хотя и пересекающихся, но всё же разных орбит. Поэтому останется по большей части лишь «подставить» импактор под удар, выведя его на курс опасного астероида и не затрачивая огромного количества топлива для разгона. Воодушевила специалистов на применение для столь амбициозного сценария успешная миссия НАСА 2005 года по ударному выбросу материала (для его наблюдательного изучения) из ядра кометы Темпеля.
В данном случае прежняя успешность подтверждает возможность попадания небольшим ударником в достаточно большое кометное ядро, но не более того. А для целей отклонения – выглядит как будто привлекательно, но лишь до стадии разбора всё тех же деталей.
Они указывают на то, что по эффективности импактный метод намного уступает вышеописанному ядерно-взрывному, будучи бесперспективным для коррекции орбит крупных астероидов и комет. В самом деле, если, к примеру, мысленно отмасштабировать процесс удара высокоскоростным и тяжёлым импактором по субкилометровому астероиду до лабораторного варианта, то он будет примерно равносилен выстрелу из пистолета (с учетом в десятки раз меньшей скорости пули) в весьма массивный (несколько тонн) подвешенный мешок, наполненный разного размера камнями, плохо перемешанными с песком и пылью.
Скорее всего, столь простой эксперимент покажет, что такой мешок при этом вообще не шелохнётся. Пока что сведения о подобных опытах отсутствуют, хотя их проведение и не выходит за пределы возможностей известной по познавательным телепередачам команды «Мифбастер». Но, тем не менее, логично предположить что и достаточного отклонения астероида в реальной ситуации не произойдёт, разве что, если он будет минимальной массы. И это – несмотря на на то, что максимальный запас кинетической энергии в импакторе будет сопоставим с требуемыми для отклонения ориентировочными величинами, которые приведны выше. Виной в этом все те же причины, что и вероятно снивелируют действие взрыва – неоднородность и разномасштабная пористость материала астероида (или кометы), делающие исключительно рыхлой его «анатомию». Всё это делает такой метод немасштабируемым, так как, уже начиная с размеров мишени в несколько сотен метров, он будет требовать недостижимых на практике скоростей сверхмассивных импакторов.
По поводу считающегося «дополнительным» выброса материала можно привести практически такие же аргументы, что и для ядерно-взрывного подхода: управлять высокоскоростным и тяжёлым импактором на стадии подлёта с целью попадания в нужную для действенного выброса зону вращающейся сложной поверхности будет весьма проблематично. Наконец, согласно рассчётам, несмотря на мгновенность воздействия, результата полного отклонения всё равно придется ждать годами и десятилетиями (то есть всегда необходимо «выстреливать» импактором по астероиду задолго до ожидаемого момента катастрофы) даже при не самом большом его размере. Поскольку требуемая для диаметра Земли «промашка» возникнет не сразу, а будет постепенно возрастать по мере движения астероида по орбите.
|
|
|
| | Сообщение #3 | Вт, 30.04.2019, 18:00 | | |
|
|
Группа: wing
Сообщений: 27420
| часть 2 https://vladsergeev.livejournal.com/118221.html
При разработке метода логично сначала провести его подробное исследование с обязательным экспериментальным наземным моделированием на базе последних научных данных, всесторонне сравнить с другими подходами и методами, а уже потом (если, разумеется, результаты будут обнадёживать) – предлагать тестирование в космосе. Но события развиваются по другому сценарию – 350 млн. долларов (не частных пожертвований «от щедрот», а денег налогоплательщиков...) решено сразу истратить на проект «АIDA», который совместно взялись финансировать НАСА и ЕКА. Согласно его уже реализуемому плану, два космических аппарата будут изготовлены и запущены к неопасному двойному астероиду Дидимос. Один из аппаратов будет служить «управляющим наблюдателем», другой – «ударником», который нужно направить на меньший (150 метров в поперечнике) компонент этой астероидной пары с весьма скромной целью – изменения (до какой степени – не сообщается...) локальной орбиты его совместного вращения с другим компонентом (размером 800 метров).
Всё остроумно, впечатляет и, в принципе, возможно для осуществления. Хотя бы потому что и результат можно будет пронаблюдать, не ожидая десятилетия, и топлива в больших количествах не понадобится для планируемой скорости соударения всего около 6 км/с при массе импактора всего около 300 кг. Но даже в случае упешного попадания в самый «плоский» центр этой небольшой мишени значительность результата далеко не гарантирована по описанным выше причинам. А если она и будет достигнута (например, если вдруг внутренняя структура меньшего напарника Дидимоса окажется не слишком пористой и рыхлой, а выброс материала произойдет в оптимальном направлении), то всё равно не станет показательной для борьбы с наиболее массивными оклоземными астероидами и кометами. О приоритетах же, которыми руководствуются отвечающие за этот проект, можно лишь догадываться...
Была также обнародована развивающая этот метод модификация – использование небольшого астероида в качестве природного ударника-импактора, который надо предварительно выбрать, захватить, отбуксировать и придержать недалеко от Земли, а потом уже (с нужной относительной скоростью и в нужный момент) вывести на курс опасного объекта для попадания им в цель. К сожалению, вероятные энергетические затраты здесь будут намного больше, а сложность миссии несоизмеримо выше, что сильно увеличит ее общую стоимость и риск неуспеха. Есть и основания предполагать, что демпфирующая роль рыхлого материала как массивного, так и малого астероидов здесь также помешает провести достаточное изменение орбиты, даже таким «тараном».
Более того, при уже обсуждавшейся сложности формы и локального рельефа поверхности вращающейся мишени (с учётом похожих свойств «тарана») и, как следствие, ещё большей неопределённости её ориентации и места удара, так можно, чего доброго, изменить лишь параметры осевого вращения, не устранив опасность, а – наоборот, добавив малого близкого соседа по орбите... Для уменьшения расхода топлива предлагалось применить так называемый «гравитационный манёвр», который предполагает использование гравитационного поля Земли для наведения астероида- тарана на астероид-цель. Но данный достаточно непростой вариант также связан с риском «добавки» этого тарана к опасному объекту еще в процессе манёвра...
Тем не менее, НАСА уже анонсировало проект по захвату небольшого астероида и доставки его на окололунную орбиту – пока лишь для изучения. Этот проект, подвергшийся резкой критике некоторыми ведущими специалистами-астрономами, пока, как будто бы, не вышел на стадию реализации.
Так что, исходя из законов физики и обоснованных предположений, импактный метод может пригодиться разве что для отклонения (если позволит время до предполагаемого момента столкновения с Землёй...) относительно небольших астероидов – «сити-киллеров», как их принято называть. А в аспекте предотвращения глобальной катастрофы особого оптимизма он не внушает.
Приведенные в данном материале оценки методов астероидно-кометного отклонения могут показаться излишне критическими. Но уж больно жёсткие, нестандартные и масштабные требования предъявляет поставленная цель – именно для глобально опасных объектов. Поэтому даже из общих соображений было бы наивно считать, что с помощью стандартных и привычных подходов и приёмов (вроде «рванём-стрельнем-толкнём-потянем») удастся обеспечить «успешную сдачу суперэкзамена» по её достижению. Более вероятно, что такие попытки в большинстве своём обречены на неудачу, объективно и заведомо – это и отражается в качественных и количественных деталях методов. Да и для естественного и необходимого «выживания или забвения» того или иного метода подобные оценки все же более конструктивны и полезны, нежели простое перечисление с тиражированием сведений (в том числе и далеко не всегда обоснованных претензий авторов или последователей методов), которые кочуют из одной популярной (и не только) публикации в другую...
Следующим методом, который, в отличие от двух предыдущих, принадлежит к «постепенно-длительным» и почти всегда присутствует в перечнях примеров, якобы пригодных для решения обсуждаемой проблемы, является метод так называемого «гравитационного трактора». Начало его обсуждения и теоретического анализа было положено короткой заметкой 2005 года в полупопулярном журнале «Nature», где принято публиковать новые и выдающиеся научные результаты. Согласно этому методу, к опасному объекту запускается тяжёлый космический аппарат, который на протяжении длительного времени (от года до десятилетия) будет лететь рядом, оттаскивая его от прежней траектории за счёт своего гравитационного притяжения.
Особенности внутренней структуры астероида для постепенных методов уже не играют кардинальной роли, однако взаимная сила тяжести будет нуждаться в постоянной компенсации, иначе аппарат просто соединится с ним. В качестве компенсирующих двигателей предлагается использовать ионные ускорители (ядерно-электрические реактивные системы), пучки которых направлены в сторону астероида, но сбоку от него. Поэтому, если вернуться к количеству рабочего вещества, необходимому для такого процесса, то внешняя привлекательность и конкурентоспособность метода теряются. Поскольку это количество (хотя и меньшее по сравнению с ракетным топливом за счёт большей скорости вылета реактивного потока ионов) исключительно затратно для доставки с Земли. Даже если делать это отдельными порциями в периоды наибольшего сближения объекта с ней.
Кроме того, по данным его авторов, даже для отклонения астероида размером всего в 200 метров необходим «гравитрактор» массой в 20 тонн, который будет лететь рядом не менее года, а результата потом придется ожидать целых 20 лет. Причем, лететь достаточно близко к поверхности вращающегося тела (по рассчетам других авторов - на расстояниях менее десяти метров), что само по себе крайне проблематично, особенно при его сложной форме и обязательном требовании не попасть в него ионными пучками, чтобы ненароком не оттолкнуть. Тем более – с громоздкими фотопреобразовательными панелями при использовании для питания двигателей электричества, полученного из солнечного света (а больше его взять будет неоткуда...).
Ввиду практической немасштабируемости, в научных работах этот метод обычно даже не подвергается анализу и численному моделированию для более крупных объектов. Пока что неизвестны и чьи-либо планы его тестирования в реальных космических условиях. Возможно, практиков останавливает сомнительность безотказной работы реактивных устройств (мощностью несколько сотен киловатт, а для массивных тел - намного большей) непрерывно годами... Но энтузиасты метода не унимаются – модификация с использованием дополнительного природного «утяжелителя трактора» в виде небольшого захваченного астероида или его фрагмента обсуждается и для него. Но при этом, опять же, общая сложность миссии и затраты рабочего вещества с топливом только возрастают, так что эта модификация приближается к шутке о создании чёрной дыры...
Необходимо особо подчеркнуть «коварную» роль такой особенности большинства методов как необходимость очень длительных «времён ожидания» или «периодов заблаговременности» для отклонения даже не самых массивных тел – около десятилетия и больше. При слишком запоздалом обнаружении угрозы такие периоды превращают эти методы в совершенно бесполезные даже при их полной готовности (этот аргумент, кстати, умело используется сторонниками ядерно-взрывного подхода...). Также они будут выглядеть неприемлемыми с политической и психологической точек зрения, если крылатый гамлетовский вопрос вдруг действительно возникнет сразу перед всеми землянами.
Для глобального спокойствия необходимы гораздо более короткие сроки реализации отклонительных миссий (скажем, год и менее), которые, вдобавок, лучше осуществлять все равно задолго до предполагаемого столкновения. Чтобы при необходимости можно было продолжить или продублировать воздействие на опасный объект. А полученные результаты – всесторонне проанализировать, осмыслить и, что немаловажно, публично подробно обсудить, чтобы минимизовать влияние всевозможных домыслов, а также недоверие к официальной информации, основания для которого, к сожалению, по данной проблеме уже начали появляться. Иначе (в том числе и при длительных ожиданиях, когда результат будет сопровождаться положительными промежуточными тенденциями, но станет окончательно известным лишь непосредственно перед «часом Х» – без надежд на вторую попытку, а то и после него...) массовая паника может захлестнуть людей и привести к непредсказуемым последствиям.
Остаются еще предложенные в разное время методы отклонения, которые можно отнести к разряду фантастических, поскольку для них существуют не только сложнейшие нерешённые технологические, но и непреодолимые фундаментальные проблемы и ограничения. Ниже мы их также частично затронем. Кроме того, приводились в публикациях подходы и предложения, которые, хотя и интересны по содержанию, но по мизерности лежащих в основе механизмов воздействия безнадёжны для применения на практике. К ним относятся всевозможные «солнечные паруса», основанные на эффекте светового давления или похожего действия частиц солнечного ветра, а также «эффект Ярковского», связанный с неравномерным нагревом и тепловым излучением астероида. Поэтому мы их исключаем из обсужения.
Из фантастических сведений наибольшую огласку получили описания проектов с лазерным методом отклонения или даже полного испарения астероидов. По его поводу можно бы, вообще говоря, задать вопрос, сразу закрывающий тему: «Возможны ли небезызвестные «Звёздные войны» или нет?» Если ответ будет положительным, то это – совершеннейшая сенсация «не для открытой печати», преворачивающая понятие мировой безопасности с ног на голову, что крайне сомнительно. Если же ответ отрицательный (что естественно, так как эти самые войны «состоялись» лишь на словах, в картинках и кино...), то прямого отношения лазерные подходы к проблеме отклонения астероидов не имеют.
Тем не менее, предложения такого рода продолжают поступать и модифицироваться. Более того, лабораторное моделирование в этом направлении проводится, в частности, в одном из престижных американских университетов (Санта Барбара), благодаря финансовой поддерже НАСА, как ни странно. Хотя «подкормить» профессуру и потренировать студентов в процессе работы над интересным, но бесперспективным для практики проектом, тоже полезно...
Основой этого проекта «DESTAR» служит схема, по которой световые пучки большого количества диодных лазеров киловаттного класса, питаемых от электричества, полученного из солнечного света, сфазируются и направляются на локальную зону опасного объекта. Теоретически это приведет к интенсивному испарению материала астероида и превращению его в реактивный двигатель. Но лишь теоретически и лишь в масштабах и условиях, далеких от реальных в космосе около астероида. Увы, пассивные системы охлаждения для таких (и даже гораздо менее мощних) диодных лазеров крайне недостаточны, а активные в космосе работать не в состоянии.
Расхождение же светового пучка у мощных лазеров превышает предел, после которого на больших удалениях от самого источника его световое пятно будет давать плотности освещения меньшие, нежели прямые солнечные лучи в окрестности земной орбиты. В том числе и с применением дополнительной фокусирующей оптики. И, как следствие, для достижения испарительной способности светового пятна потребуется несколько тысяч (а то и десятков тысяч) таких недешёвых лазеров, которые вместе с солнечными панелями и радиаторами вырастут в громадную конструкцию, во много раз превышающую по размерам облучаемое тело. Которую, в свою очередь, (для соблюдения нужной геометрии облучения) придётся удалять ещё больше от мишени – и так далее, т.е. всё превращается в систему с отрицательной обратной связью...
Если же лазерная или фокусирующая оптика загрязнится испаренным потоком астероидного материала (что вполне предсказуемо), то это с неизбежностью приведёт к её перегреву и немедленному выходу из строя. Спрашивается, зачем тогда превращать солнечный свет в элетричество, а потом ещё и в свет лазера, вдобавок – с большими потерями при таких преобразованиях энергии из одного вида в другой? Не лучше и проще ли воспользоваться солнечным светом непосредственно, сфокусировав его до нужных величин концентрации? Этот (солнечно-концентраторный) подход мы обсудим в конце материала, поскольку он-то как раз и выглядит наиболее конкурентным из всех известных по сумме основных критериев. А у лазерного метода, с учётом приведенных аргументов, реальных перспектив не усматривается.
Похожим образом выглядит и вариант «постепенно-длительного» отклонения, основанный на применении разного рода ракетно-реактивных двигателей, установленных и закреплённых на поверхности опасного астероида. Хотя для него нет таких фундаментальных проблем и ограничений, как для лазерного. Но и нерешённых (и, вероятно, пока нерешаемых) технологических вполне достаточно для отнесения его к разряду научной фантастики. Одна из них уже обсуждалась выше. Это – большое количество топлива или рабочего вещества, которое необходимо доставить с Земли и истратить для процесса отклонения. Здесь можно дабавить еще и опасность повреждения ёмкостей с топливом микрометеоритами за длительный период реализации миссии.
Не менее серьёзный комплекс проблем связан с установкой и режимом работы одного или нескольких мощных (мегаваттного класса) реактивных устройств, которые понадобятся в случае глобально опасных размеров отклоняемого тела. Во первых, астероид (со всеми уже не раз упоминавшимися особенностями его поверхности) – это с очевидностью не специально подготовленный бетонный фундамент. Так что, понятия «установка», «закрепление» и прочие в автоматическом режиме (с учётом той же мощности и соответствующих ей размеров вместе с системой управления) не выглядят наполненными практическим смыслом. Присутствие же там бригады монтажников с необходимым оборудованием еще дальше от реальности.
Во вторых, поскольку астероид вращается вокруг своей оси со средним периодом всего от нескольких часов до суток (для пока обнаруженных и изученных околоземных тел), а реактивную струю нужно направлять всё время в одну и ту же сторону от него относительно орбиты, то двигатель должен работать лишь эпизодически в течение небольшой части этого периода вращения. Это в разы уменьшает его эффективную мощность. Кроме всего, мегаваттный источник реактивной тяги – это не телевизор, который можно постоянно и часто включать-выключать при необходимости штатной работы годами – наличие у него ресурса для такого циклического режима неочевидно и нуждается в экспериментальном доказательстве. Если ресурс окажется недостаточным, то двигатель придется тогда периодически обслуживать, ремонтировать или заменять «вахтовым методом»?
Можно, конечно, пофантазировать на предмет установки таких двигателей вблизи астероидного полюса или, скажем, реактивной остановки вращения, чтобы оно не мешало процессу. Но нет гарантий, что это не приведёт к «кувырканию» астероида, разрушающего все планы. Данный вариант отклонения по сути еще не вышел из состояния идеи и его количественные параметры и технические детали остаются во многом неопределёнными. Поэтому и его сравнительный анализ, в основном, находится в рамках общефизических и общетехнических соображений. С учетом которого можно развивать гипотезы в любом направлении, особенно при отсутствии ответственности за полученные результаты. Пока отрезвляющий образ рукотворной чёрной дыры со свойствами «астероидного пылесоса» не замаячит на горизонте...
В заключение остановимся на методе отклонения, основанном на использовании сфокусированного с высокой концентрацией на поверхности астероида/кометы солнечного света. Он был впервые предложен более 20 лет назад американским профессором Мэлошем совместно с московским учёным Немчиновым публикацией в том же престижном для инноваций журнале «Nature». Принципиальная схема метода проста и понятна: огромное вогнутое зеркало-концентратор сводит солнечные лучи в своём фокусе на поверхности космического тела, после чего его материал, в течение секунд нагревшись до температур порядка двух тысяч градусов, начинает испаряться. Благодаря высокоскоростному потоку испаренного материала, астероид будет двигаться, подобно ракете. При известной величине плотности мощности солнечного излучения вблизи земной орбиты (почти полтора киловатта на квадратный метр) концентратор, к примеру, диаметром 200 метров способен обеспечить в фокальном пятне размером около трёх метров суммарную мощность порядка 30 мегаватт, даже с учетом потерь при отражении.
Такой размер фокального пятна (соответсвующий фокусному расстоянию – удалению от астероида 300 метров) приводит к степени концентрации солнечного света в несколько тысяч раз – достаточной для интенсивного процесса испарения. Теоретически возможные степени концентрации у вогнутых параболоидных зеркал намного выше, но на практике для больших размеров они достижимы лишь в центре фокального пятна при высоком качестве оптики. Реактивный поток испаренного материала, созданный зеркалом с указанными параметрами, будет толкать опасный объект с усилием в сотню килограмм до его достаточного отклонения. Чем крупнее астероид или кометное ядро, тем еще больше зеркало и «толкающее» усилие потока, вполне способное отклонить крупные тела за периоды меньшие одного года. Но даже для такого эффективного отклонения объектов размерами вплоть до километра, диаметр зеркала может не превышать их величину, обеспечивая нужное реактивное усилие.
Решающие преимущества этого метода в том, что для его работы нет необходимости доставлять с Земли рабочее вещество или топливо (кроме как для обеспечения небольших «фокусирующих манёвров») – его роль играет астероидный материал, а источник энергии для него также находится здесь же – на месте использования. Естественно, при этом астероид потеряет те же десятки-сотни тысяч тонн своего материала, вылетевшего в виде пара со скоростями около километра в секунду, но это лишь на пользу делу. Медленное осевое вращение астероида (как и его небольшие неровности) не помешает испарению, а быстрое может быть замедлено или вовсе остановлено за счёт манипуляции расположением фокального пятна и основным направлением реактивного потока.
Всего лишь за час фокальное пятно может «выжечь» на поверхности невращающегося тела (или в режиме сопровождения медленного вращения) яму глубиной около метра, так что аналогия с ракетной дюзой будет еще ближе, а реактивный поток может стать достаточно узким. Астероиды менее распространённых классов, нежели силикатные, потребуют для испарения несколько иных температур: богатые углеродом – более высоких, а преимущественно металлические – более низких, хотя сравнительно быстрое растекание тепла в них может и не позволить снизить концентрацию солнечного света.
Что касается кометных ядер, то наличие льда приведет к многократной интенсификации их испарения и, не исключено, что и отклоняющего воздействия. Несмотря на меньшую скорость потока водяного пара, поскольку в реактивный процесс может включиться также «отстреливание» макроскопических фрагментов поверхности. Таким образом, ожидаемые мощности работающего на солнечной энергии природного реактивного двигателя (для отклонения субкилометровых и больших тел – сотни мегаватт при силе отталкивания десятки тысяч ньютон), не ограниченные количеством топлива, позволяют надеяться на то, что с его помощью удастся резко сократить общую длительность отклонительной миссии по сравнению с другими методами. В том числе и минимизовать «периоды заблаговременности», приблизив их к временам непосредственного воздействия на объект концентрированным солнечным светом (плюс время доставки коллектора к астероиду), что крайне важно при запоздалом обнаружении опасности, а также в политико-психологическом аспекте, о котором шла речь выше.
Без рассмотрения более специфических деталей подобный сценарий, казалось бы, сравнительно легко осуществим, а необходимые действия по его наземному обеспечению просты. Но за прошедшее с момента этого предложения немалое время появилось не так много серьёзных публикаций по его обсуждению и развитию. О практической разработке и говорить не приходится. И всё это, несмотря на то, что сам по себе процесс испарения твёрдых материалов таким способом далеко не нов – высокотемпературные «солнечные печи» с подобными зеркалами-концентраторами (тоже немалыми по размерам) работают в ряде стран уже десятилетиями. То есть имеющегося опыта и конструкций прототипов и аналогов было не занимать. Более того, к настоящему времени в ряде лабораторий показано, что даже при помощи сравнительно небольших концентраторов солнечный свет хорошо испаряет и лунный грунт, и аналоги, близкие по свойствам к астероидному материалу.
Не будем здесь для краткости вдаваться во все возможные причины такого невнимания к солнечно-концентраторному методу. Остановимся сначала лишь на его недостатках в рамках первоначальной схемы, которые, скорее всего, сыграли в этом определённую роль. Первый и главный: с помощью привычных вогнутых зеркал практически невозможно нагреть даже тёмный материал астероида до его интенсивного испарения. Нагреть отдельный небольшой обломок можно, а локальную зону крупного тела в реальных условиях – нельзя.
Дело в том, что, если расположить такое зеркало оптимальным для его работы образом, то есть прямо «за» астероидом, то этот же астероид его просто закроет своей тенью. А расположив зеркало даже немного «сбоку», мы, ввиду фундаментальных свойств оптики, всегда получим совершенно искажённое и сильно увеличенное фокальное пятно, которое не сможет работать должным образом. Это – практически неустранимое препятствие для обычных концентрирующих зеркал-коллекторов. Разве что – сооружать уж вовсе гигантские зеркала, во много раз превышающие по диаметру размер мишени, но это не выглядит реально для глобально опасных объектов.
В наземных солнечных печах эту проблему частично обходят за счёт применения дополнительных плоских зеркал, следящих за Солнцем (гелиостатов), и сложной многозеркальной (фацетной) конструкции самого концентратора. Не в последнюю очередь это удаётся благодаря тому, что облучаемые объекты и неподвижны, и невелики. Так что, там можно выбрать такую фиксированную геометрию всего устройства, при которой мишени не заслоняют зеркал, раз и навсегда оптимизованных именно для этой геометрии.
В одной из недавних университетских публикаций предлагалось даже концентрировать солнечные лучи «летающим роем» из тысяч небольших автономных отражателей. Что, однако, не изменит ситуации – барьеры и ограничения остаются, независимо от количества, вида, кривизны и расположения таких отражателей при громадной и движущейся мишени. А создание и запуск космических аппаратов с отдельными зеркалами сразу тысячами приближает этот подход к «искусственной чёрной дыре»...
Несколько позднее появления пионерской статьи в «Nature» её же авторами было предложено использовать характерные для телескопов более сложные схемы со вторичными зеркалами, которые позволяют расположить концентратор «перед» астероидом. Но, к сожалению, такой вариант тоже не приведёт к успеху. Во первых потому, что вторичное зеркало (в отличие от оптики телескопов, работающей со слабыми световыми потоками), быстро перегреется и необратимо повредится уже частично сконденсированным пучком солнечных лучей мощностью в десятки мегаватт и более.
Во вторых, – по причине того же увеличения эффективного фокусного расстояния, которое также приводит к росту размеров фокального пятна (ввиду непараллельности падающих солнечных лучей – они расходятся на величину углового диаметра солнечного диска). Для неизменности степени концентрации света требование здесь непреклонное: увеличили в разы фокусное расстояние – увеличивайте во столько же раз диаметр коллектора. По этой причине, кстати, создание «сверхдальнодействующих» оптических устройств концентрированного солнечного излучения также невозможно принципиально.
Еще один минус первоначальной схемы – возможное загрязнение обращённого «лицом» к астероиду концентраторного зеркала (как и вторичного в телескопической схеме, что ускорит его деградацию) испаренным потоком. Это помешает ему отражать солнечный свет и тоже приведёт к потере испарительной способности фокального пятна. Приведенные два недостатка-ограничения вполне способны затормозить разработку солнечно-концентраторного метода. Казалось бы, он также далёк от оптимальности наряду со всеми остальными. Напрашивается мрачный вывод о полной (даже теоретически) безоружности цивилизации перед лицом возможной глобальной астероидно-кометной угрозы – тупиковая ситуация...
Адекватный выход был найден нами и опубликован в статье международного реферируемого научного журнала «Earth, Moon and Planets» за 2013 год. Он базируется на использовании нового типа концентраторного коллектора солнечных лучей. Который, в отличие от обычных, состоит из специально ориентированных и, как бы, вложенных друг в друга отдельных «конусных» колец со внутренней отражательной поверхностью. Благодаря такой конструкции, коллектор, оставаясь зеркальным рефлектором, тем не менее, работает подобно прозрачной рефракционной линзе, а значит – может быть направлен на Солнце прямо и «спереди» от астероида. Поэтому первое из указанных выше ограничений, связанное с деформацией и увеличением фокального пятна, полностью устраняется. Второе (загрязнение зеркальных поверхностей) – существенно уменьшается (чтобы обосновать его полное устранение, необходимо ещё проверить ряд идей), поскольку отражательные кольца повёрнуты к астероиду тыльной стороной и, благодаря широким зазорам между ними, не создают сплошного барьера для парового потока.
Эта оптическая новинка лучше понятна по картинке или анимации – см. https://www.youtube.com/watch?v=9u7V-MVeXtM ,
чем по словесному описанию.
К настоящему времени она нами запатентована, рассчитана и подробно исследована, а также изготовлена и практически испытана (уже как нами, так и независимо другими), причём – для разных масштабов, количеств кольцевых элементов и профилей отражательных поверхностей. Полученные теоретические и экспериментальные результаты подтверждают перспективность использования нового типа коллектора для обсуждаемых целей.
учётом описанной модернизации солнечно-концентраторный метод теперь имеет все шансы стать по всем критериям наиболее эффективным, масштабируемым, дешёвым и безопасным для отклонения угрожающих астероидов и комет.
Но это ни в коей мере не снижает актуальности дальнейшего творческого поиска альтернатив! Так как достаточным щитом, который сможет прикрыть цивилизацию от этой космической угрозы, будет лишь набор из нескольких эффективных методов с их возможными комбинациями и потенциальной взаимной подстраховкой.
Предварительные результаты, разумеется, не означают, что здесь всё уже окончательно ясно и понятно. Сопровождающих технологических задач, которые ещё предстоит решить для возможного перехода к стадии тестирования в космосе, в рамках этого метода тоже остаётся немало. Во всяком случае, конструкция космического мультикольцевого коллектора должна быть модульной и лёгкой при более чем солидных размерах и одновременно высоком качестве и правильности формы отражательных поверхностей. А уже это требует совершенно новых (даже по сравнению с уже апробированными для него же) принципов оптимизации оптической схемы, опорного каркаса, узлов и соединений, так же как и использования других материалов.
Следовательно, ещё придется провести и большую работу по созданию адекватных прототипов его космического варианта, предварительному наземному моделированию процесса, и так далее. Потом нужно будет разработать все приёмы и устройства для контроля и динамики управления огромным, почти плоским оптическим сооружением в реальных условиях, хотя эти задачи уже будут более универсальны и привычны для разработчиков космической техники. Всё это в принципе преодолимо, хотя и далеко не просто. Но отвод «дамоклова меча» астероидно-кометной опасности, который, хотим мы этого или нет, висит и всегда будет висеть над человечеством, этого стоит.
Февраль, 2016.
|
|
|
