Нанокорабли

Мы давно привыкли к спецэффектам в фильмах вроде «Звездных войн» и «Звездного пути»; при мысли о звездолетах возникают образы громадных футуристических машин, ощетинившихся со всех сторон последними изобретениями в сфере высокотехнологичных приспособлений. А между тем есть и другая возможность: создавать при помощи нанотехнологий крохотные звездолеты, не крупнее наперстка или иглы, а то и еще меньших размеров. Мы заранее уверены, что звездолеты должны быть огромными, как «Энтерпрайз», и нести целый экипаж астронавтов. Но при помощи нанотехнологий основные функции звездолета можно будет заложить в минимальный объем, и тогда к звездам отправится не один громадный корабль, в котором экипаж должен будет жить многие годы, а миллионы крохотных нанокораблей. До места назначения долетит, возможно, лишь небольшая их часть, но главное будет сделано: добравшись до одного из спутников системы назначения, эти корабли построят завод и обеспечат производство неограниченного числа собственных копий.

Винт Серф считает, что нанокорабли можно использовать как для изучения Солнечной системы, так — со временем — и для полетов к звездам. Он говорит: «Если мы сконструируем маленькие, но мощные наноустройства, которые несложно будет перевозить и доставлять на поверхность, под поверхность и в атмосферу соседних с нами планет и спутников, исследование Солнечной системы станет значительно более эффективным… Эти же возможности можно распространить на межзвездные исследования».

Известно, что в природе млекопитающие производят на свет всего по несколько отпрысков и заботятся о том, чтобы все они выжили. Насекомые, напротив, производят на свет огромное количество детенышей, но выживает из них лишь небольшая часть. Обе стратегии достаточно успешны, чтобы позволить видам существовать на планете в течение многих миллионов лет. Точно так же мы можем послать в космос один очень дорогой звездолет — или миллионы крохотных звездолетиков, каждый из которых будет стоить копейки и потреблять совсем немного топлива.

Сама концепция нанокораблей основана на очень успешной стратегии, которая широко используется в природе: стратегии стаи. Птицы, пчелы и другие подобные им часто летают стаями или роями. Дело не только в том, что большое число сородичей гарантирует безопасность; кроме того, стая работает как система раннего предупреждения. Если в одном конце стаи происходит что-то опасное — к примеру, нападение хищника, вся стая мгновенно получает информацию об этом. Стая весьма эффективна и энергетически. Птицы, летая характерной V-образной фигурой — клином, используют турбулентные потоки от крыла соседа впереди и тем самым облегчают себе полет.

Ученые говорят о рое, стае или муравьиной семье как о «сверхорганизме», который в некоторых случаях обладает собственным разумом, не зависящим от способностей отдельных составляющих его особей. Нервная система муравья, к примеру, очень проста, а мозг очень мал, но вместе муравьиная семья способна построить сложнейшее сооружение — муравейник. Ученые надеются воспользоваться уроками природы при разработке «стайных» роботов, которым однажды, возможно, предстоит отправиться в далекий путь к иным планетам и звездам.

В чем-то все это напоминает концепцию «разумной пыли», разработкой которой занимается Пентагон: миллиарды частиц, снабженных крохотными датчиками, рассеиваются в воздухе и осуществляют разведку. Каждый датчик сам по себе разума не имеет и дает лишь крохотную крупинку информации, но вместе они могут обеспечить своим хозяевам горы всевозможных данных. DARPA спонсировало исследования в этой области с прицелом на военное применение в будущем — к примеру, при помощи разумной пыли можно следить за вражескими позициями на поле боя. В 2007 и 2009 гг. ВВС США выпустили подробные планы вооружения на ближайшие несколько десятилетий; там есть все — от продвинутых версий беспилотного самолета Predator (сегодня он стоит 4, 5 млн долларов) до огромных стай крохотных дешевых датчиков размером с булавочную головку.

Ученых также интересует эта концепция. Стаи разумной пыли пригодились бы для наблюдения в реальном времени за ураганом с тысяч различных точек; точно так же можно было бы наблюдать за грозами, вулканическими извержениями, землетрясениями, наводнениями, лесными пожарами и другими природными явлениями. В фильме «Смерч», к примеру, мы наблюдаем за командой отважных охотников за ураганами, которые рискуют жизнью и здоровьем, размещая датчики вокруг торнадо. Мало того что это очень рискованно, но и еще не слишком эффективно. Вместо того чтобы с риском для жизни расставлять несколько датчиков вокруг вулканического кратера во время извержения или вокруг гуляющего по степи столба торнадо и получать с них информацию о температуре, влажности и скорости ветра, гораздо эффективнее было бы рассеять в воздухе разумную пыль и получить данные одновременно с тысяч различных точек, разбросанных по площади в сотни квадратных километров. В компьютере эти данные сложатся в трехмерную картинку, которая в реальном времени покажет вам развитие урагана или различные фазы извержения. Коммерческие предприятия уже работают над образцами подобных крошечных датчиков, и некоторые из них размерами действительно не превосходят булавочной головки.

Еще одно преимущество нанокораблей состоит в том, что им, чтобы добраться до космического пространства, требуется совсем немного топлива. Если громадные ракеты-носители способны разогнаться лишь до скорости 11 км/с, то крошечные объекты вроде нанокораблей относительно несложно вывести в космос с невероятно высокими скоростями. Скажем, элементарные частицы можно разгонять до субсветовых скоростей при помощи обычного электрического поля. Если придать наночастицам небольшой электрический заряд, их тоже легко можно будет разгонять электрическим полем.

Вместо того чтобы тратить огромные средства на отправку межпланетных зондов, можно наделить каждый нанокорабль способностью к самокопированию; таким образом, даже один нанобот сможет построить фабрику по производству наноботов или даже лунную базу. После этого новые самокопирующиеся зонды отправятся исследовать иные миры. (Проблема в том, чтобы создать первого нанобота, способного к самокопированию, а это пока еще дело очень далекого будущего.)

В 1980 г. NASA воспринимало идею самокопирующегося робота достаточно серьезно, чтобы заказать в Университете Санта-Клары специальное исследование под названием «Продвинутая автоматика для космических задач» и подробно рассмотреть несколько возможных вариантов. Один из сценариев, рассмотренных учеными NASA, предусматривал отправку небольших самокопирующихся роботов на Луну. Там роботы должны были наладить производство себе подобных из подручных материалов.

Отчет по этой программе был посвящен в основном созданию химического завода по переработке лунного грунта (реголита). Предполагалось, к примеру, что робот приземлится на Луну, разделится на составляющие его части, а затем соберет из них новую конфигурацию, — в точности как игрушечный робот-трансформер. Так, робот мог собрать большие параболические зеркала, чтобы сфокусировать солнечный свет и начать плавить реголит. Затем он при помощи плавиковой кислоты извлек бы из расплава реголита пригодные к использованию металлы и другие вещества. Из металлов можно было бы построить лунную базу. Со временем робот соорудил бы и небольшой лунный заводик по производству собственных копий.

Исходя из данных этого отчета, Институт перспективных концепций NASA запустил целую серию проектов, основанных на использовании самовоспроизводящихся роботов. Мейсон Пек (Mason Peck) из Корнеллского университета был одним из тех, кто всерьез принял идею крошечных звездолетов.

Я побывал у Пека в лаборатории и своими глазами видел верстак, заваленный всевозможными компонентами, которым однажды, может быть, суждено отправиться в космос. Рядом с верстаком имелась и небольшая чистая комната с пластиковыми стенами, где собирались тонкие компоненты будущих спутников.

Представление Пека об исследовании космического пространства очень отличается от всего, что мы видим в голливудских фильмах. Он предполагает возможность создания микросхемы размером сантиметр на сантиметр и весом один грамм, которую можно разогнать до 1 % скорости света. К примеру, он может воспользоваться эффектом пращи, при помощи которого NASA разгоняет свои межпланетные станции до огромных скоростей. Этот гравитационный маневр предусматривает облет планеты; примерно так же камень в праще, удерживаемый ремнем-гравитацией, разгоняется, летя по кругу, и выстреливает в нужном направлении. Здесь тяготение планеты помогает придать космическому аппарату дополнительную скорость.

Но Пек вместо тяготения хочет использовать магнитные силы. Он рассчитывает заставить микрозвездолет описать петлю в магнитном поле Юпитера, которое в 20 000 раз превосходит по интенсивности магнитное поле Земли и вполне сравнимо с полями в земных ускорителях, способных разгонять элементарные частицы до энергий в триллионы электронвольт.

Он показал мне образец — микросхему, которая, по его замыслу, могла бы однажды отправиться в долгое путешествие вокруг Юпитера. Это был крошечный квадратик размером меньше кончика пальца, буквально набитый всякой научной всячиной[47]. Вообще, межзвездный аппарат Пека будет очень простым. С одной стороны на чипе имеется солнечная батарея, которая должна обеспечивать его энергией для связи, с другой — радиопередатчик, видеокамера и другие датчики. Этот аппарат не имеет двигателя, а разогнать его должно будет магнитное поле Юпитера. (К сожалению, в 2007 г. Институт перспективных концепций NASA, с 1998 г. финансировавший этот и другие инновационные проекты для космической программы, был закрыт в связи с сокращением бюджетных расходов.)

Мы видим, что представление Пека о звездолетах сильно отличается от принятого в научной фантастике, где громадные звездные корабли бороздят просторы Вселенной под управлением команды отважных астронавтов. К примеру, если бы на одной из лун Юпитера появилась научная база, на орбиту вокруг газового гиганта можно было бы выпустить десятки таких маленьких кораблей. Если бы, помимо всего прочего, на этой луне появилась батарея лазерных пушек, крохотные корабли можно было бы разогнать до скорости, составляющей заметную долю от скорости света, придав им ускорение при помощи лазерного луча.

Чуть позже я задал Пеку простой вопрос: может ли он уменьшить свой чип до размеров молекулы при помощи нанотехнологий? Тогда не потребуется даже магнитное поле Юпитера — их можно будет разогнать до субсветовых скоростей в обычном ускорителе, построенном на Луне. Он сказал, что это возможно, но подробности он еще не прорабатывал.

Так что мы взяли лист бумаги и вместе начали исписывать его уравнениями и прикидывать, что из этого получится. (Именно так мы, ученые, общаемся между собой — идем с мелом к доске или берем лист бумаги и пытаемся решить проблему при помощи различных формул.) Мы написали уравнение для силы Лоренца, которую Пек предполагает использовать для разгона своих кораблей возле Юпитера. Затем мы мысленно уменьшили корабли до размеров молекул и мысленно же поместили их в гипотетический ускоритель вроде Большого адронного коллайдера. Мы быстро поняли, что при помощи обычного ускорителя, размещенного на Луне, наши нанозвездолеты можно без особых проблем разогнать до скоростей, близких к скорости света. Уменьшив размеры звездолета с сантиметровой пластинки до молекулы, мы получили возможность уменьшить необходимый для их разгона ускоритель; теперь вместо Юпитера мы могли воспользоваться традиционным ускорителем частиц. Идея показалась нам вполне реальной.

Однако, проанализировав уравнения еще раз, мы пришли к общему выводу: единственная проблема здесь — стабильность и прочность нанозвездолетов. Не разорвет ли ускоритель наши молекулы на части? Подобно мячику на веревочке, эти нанокорабли при разгоне до околосветовых скоростей будут испытывать на себе действие центробежных сил. Кроме того, они будут электрически заряжены, так что даже электрические силы будут угрожать их целостности. Общий вывод: да, нанокорабли — это реальная возможность, но потребуются десятилетия исследований, прежде чем чип Пека можно будет уменьшить до размеров молекулы и усилить настолько, чтобы разгон до околосветовой скорости не мог ему ничем повредить.

А пока Мейсон Пек мечтает отправить рой нанозвездолетов к ближайшей звезде в надежде на то, что хотя бы некоторые из них преодолеют разделяющее нас межзвездное пространство. Но что они будут делать, когда прибудут на место назначения?

Здесь на сцену выходит проект Пэй Чжана (Pei Zhang) из Университета Карнеги — Меллон в Кремниевой долине. Он создал целую флотилию минивертолетов, которым когда-нибудь, возможно, суждено подняться в атмосферу чужой планеты. Он с гордостью показывал мне свой рой миниботов, напоминающих игрушечные вертолетики. Однако внешняя простота обманчива. Я прекрасно видел, что в каждом из них имеется чип, набитый сложнейшей электроникой. Одним нажатием кнопки Чжан поднял в воздух четыре минибота, который тут же разлетелись в разные стороны и начали передавать нам информацию. Очень скоро я был окружен миниботами со всех сторон.

Такие вертолетики, рассказал мне Чжан, должны оказывать помощь в критических обстоятельствах вроде пожара или взрыва; их задача — сбор информации и разведка. Со временем миниботы можно будет оснастить телекамерами и датчиками температуры, давления, направления ветра и т. д.; в случае природной или техногенной катастрофы такая информация может оказаться жизненно важной. Тысячи миниботов можно будет выпускать над полем сражения, лесным пожаром или (почему бы нет?) над неизученным инопланетным ландшафтом. Все они непрерывно поддерживают связь между собой. Если один минибот наталкивается на препятствие, остальные сразу же узнают об этом.

Итак, один из сценариев межзвездных путешествий — выстрелить в направлении ближайшей звезды тысячами дешевых одноразовых чипов, похожих на чип Мейсона Пека, летящих с околосветовой скоростью. Если хотя бы небольшая их часть доберется до места назначения, минизвездолеты выпустят крылья или винты и, подобно механическому рою Пэй Чжана, полетят над невиданным инопланетным ландшафтом. Информацию они будут посылать по радио прямо на Землю[48]. Как только будут обнаружены перспективные планеты, в путь отправится второе поколение минизвездолетов; их задачей уже будет постройка у далекой звезды заводов по выпуску все тех же минизвездолетов, которые затем отправятся к следующей звезде. Процесс будет развиваться бесконечно.

Дата добавления: 2015-08-02