​Итак, 60 лет с момента первого полёта человека в космос позади. Что дальше?

Вопреки распространённому мнению, прогресс в освоении космоса не остановился и по существу не останавливался ни на минуту. Учёные постоянно ищут (и находят!) новые решения, призванные облегчить и упростить космические полёты, расширить возможности человека в космосе и так далее. Давайте очень коротенечко посмотрим, каковы перспективные направления развития космических технологий сегодня.

Первое – это поиск способов уменьшить стоимость запуска и увеличить полезную нагрузку. Например, в прошлом году «Роскосмос» испытал новую экономичную траекторию полётов к МКС. Хотя лидером тут, пожалуй, является Илон Маск со своими ракетами с возвращаемыми ступенями многоразового использования.

Второе – это переход к новым видам топлива, обеспечивающим больший удельный импульс. Для понимания: чем больше удельный импульс, тем меньше топлива нужно затратить, чтобы разогнаться до той же скорости (точнее, импульса, а ещё точнее – количества движения). Сейчас большинство ракет (включая ракеты Маска) летает на смеси керосина и жидкого кислорода. Но более перспективным вариантом является смесь жидкого кислорода с жидким водородом, дающая примерно на треть больший удельный импульс. Так, двигатели на жидком водороде планируют использовать в строящейся американской ракете SLS, а также в проектируемых российских тяжёлых ракетах «Ангара-А5» и «Енисей».

Наконец, третье, самое перспективное направление – это переход к следующему поколению ракетных двигателей, электромагнитным, в которых тяга создаётся выбросом ионизированного газа, разогнанного в электромагнитном поле. Так как это поле ещё надо создать, такому двигателю требуется внешнее питание. И если двигатель достаточно мощный, то на корабле также должен стоять некий мощный источник энергии – например, ядерный реактор.

Электромагнитные двигатели обладают чудовищным удельным импульсом, на порядки превосходящим таковой у химических ракет. То есть, кораблю с такими двигателями не надо таскать на себе кучу топлива, что ограничивает грузоподъёмность при сколь угодно дальних полётах до смешных значений. Их минусо (помимо потребности в дополнительном источнике энергии) является малая тяга: такие корабли не смогут взлетать с Земли сами, для этого им всё-таки потребуются химические ракеты. Но зато потом, уже в космосе, перед ними открываются поистине блестящие перспективы: реально достижимыми станут не только Марс или Венера, но и более удалённые планеты, такие как Юпитер или Меркурий.

Над электромагнитными двигателями активно работают в России и США, кроме того, в России идёт разработка пригодного для эксплуатации на борту космического корабля ядерного реактора. В настоящий момент речь идёт о строительстве т.н. трансорбитального буксира "Нуклон", который сможет возить грузы с орбиты Земли на орбиту Луны и обратно, что сильно поможет при строительстве предполагаемой лунной базы.

Похоже, корабль будет беспилотным, а людей к Луне будут пока возить корабли с обычными химическими двигателями. Тем не менее, это станет колоссальным прорывом в освоении космоса, который качественно расширит наши возможности.

На фото - один из вариантов макета ядерного буксира "Нуклон" (по состоянию на 2019 год).

​...но вернёмся к чёрным дырам.

Одним из наиболее известных эффектов, связанных с ними, является так называемая спагеттификация - и это вполне научный термин! Суть его в том, что тела, падающие в чёрную дыру, растягиваются вдоль направления на центр дыры.

Работает это так. Сила гравитационного притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния до гравитирующего тела. Проще говоря, чем ближе вы к центру источника притяжения, тем сильнее вас притягивает.

И если мы представим себе, скажем, космонавта, который ныряет в чёрную дыру "рыбкой", то голова его будет ближе к центру дыры, чем его ноги - как раз на длину его тела. И вот окажется, что чёрная дыра притягивает голову космонавта сильнее, чем его ноги. Получается, что гравитация как бы растягивает беднягу, стремясь превратить его в длинную вытянутую полосу, похожую на лапшу.

Разумеется, эффект тем сильнее, чем мощнее гравитация тела и чем ближе к нему находится спагеттифицируемый объект.

Этот эффект присутствует не только в чёрных дырах, он есть и у обычных планет и называется приливными силами. Собственно, дело в том, что аналогичные процессы с Луной в роли гравитирующего центра вызывают приливы на Земле.

Те же процессы, похоже, привели к формированию колец планет-гигантов: по одной версии, приливные силы разрушили ближайшие к планете спутники, по другой - не дали им сформироваться из протопланетного вещества, как это произошло с более отдалёнными спутниками.

Но ярче всего эффект проявляется с наиболее мощными источниками гравитации, коими являются чёрные дыры. В них приливные силы настолько велики, что разрушают ("спагеттифицируют") уже на подлёте к чёрным дырам. И пытающийся погрузиться в чёрную дыру космонавт погибнет задолго до горизонта событий - условной сферы, ограничивающей область вокруг центра дыры, из которой уже ничто и никогда не может выбраться наружу.

Впрочем, в наиболее массивные чёрные дыры, вероятно, можно всё-таки погрузиться, не погибнув в результате спагеттификации. Дело в том, что радиус горизонта событий чёрной дыры быстро растёт в зависимости от её массы.

Например, типичная чёрная дыра массой в 10 солнечных с радиусом горизонта событий в 30 километров спагеттифицирует вас уже в 300 километрах: до самой границы чёрной дыры вы не долетите.

Чёрная дыра с радиусом в 10 000 солнечных разорвёт вас ещё раньше: уже в трёх тысячах километров. Но дело в том, что радиус такой чёрной дыры составляет уже свыше 30 тысяч километров, так что влететь внутрь такой дыры всё-таки можно.

Итог, правда, будет тем же самым: гравитация чёрной дыры всё-таки убьёт вас. Но перед этим у вас будет возможность всё-таки узнать, как это всё выглядит изнутри.

Так что - да, в этой части в "Интерстелларе" показали правду: залететь внутрь сверхмассивной чёрной дыры можно (по крайней мере, вас не порвёт на лапшу на подлёте, хотя не исключено наличие трудностей иного рода, но о них позже). Всё, что происходило в фильме после этого, оставим на совести авторов.

​В космос под парусом? Вполне реально!

Одним из перспективных вариантов движителя для космических полётов является так называемый солнечный парус. Принцип его работы заключается в следующем.

Солнечный свет, как и любое другое электромагнитное излучение, оказывает определённое давление на любую поверхность, на которую падает. Это давление очень мало (на земной орбите - миллионная доля ньютона на метр квадратный), но если мы установим достаточно большой парус на достаточно лёгкий космический аппарат, то сможем получить ощутимую тягу.

Ключевая проблема заключается в том, что для изготовления паруса нужен особый материал: достаточно лёгкий с одной стороны и достаточно прочный - с другой. Пока что в экспериментах применяются материалы на основе покрытой алюминием полимерной (каптоновой) плёнки толщиной порядка 2 микрометров. Сейчас обсуждаются варианты создания паруса на основе современных материалов вроде графена или аэрографита.

Преимущества кораблей с солнечными парусами очевидны: к примеру, они не требуют (или почти не требуют) топлива (как химические ракеты) или мощных источников энергии (как электромагнитные двигатели). С другой стороны, паруса для межпланетных или тем более межзвёздных путешествий должны иметь поистине циклопические размеры. К тому же для дальних полётов понадобится значительное время: ближайшей к нам звезды, Проксимы Центавра, "солнечный парусник" достигнет не менее чем за 180 лет.

В настоящее время наиболее реалистичным вариантом использования солнечных парусов является их применение на искусственных спутниках Земли для коррекции и изменения их орбит вместе используемых сегодня ионных двигателей, имеющих ограниченный срок действия. Космический аппарат LightSail 2, созданный некоммерческой организацией "Планетарное общество" уже успешно проделал несколько орбитальных манёвров под солнечным парусом, так что в целом это работает.

Что же касается межпланетных и межзвёздных полётов, то обсуждается сходный проект: парус, использующий для движения не излучение Солнца, а энергию мощного электромагнитного лазера, установленного на Земле, Луне или просто в открытом космосе.

Вот так выглядит Земля с орбиты Сатурна.

Фото сделано зондом "Кассини".

​Закон Бернулли - один из самых важных и интересных законов в гидро- и аэродинамике. Чтобы пояснить, насколько она важен, скажу, что именно благодаря этому закону летают самолёты и вертолёты. Хотя закон вообще-то не совсем про это.

И даже совсем не про это. Бернулли-то занимался течением жидкостей через трубы различного диаметра. И вот в процессе он установил, что чем с большей скоростью движется жидкость (или газ), тем меньшее давление она оказывает на стенки этой трубы и помещённые в неё тела.

В сущности закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для отдельно взятого объёма жидкости или газа. Но мы в эти тонкости углубляться не будем, а запомним для себя: чем больше скорость жидкости или газа, тем меньше давление на тела, с которыми она контактирует.

С проявлениями закона Бернулли вы наверняка сталкивались, если в ветренную погоду оставляли открытым окно. Порыв ветра - и окно захлопывается (зачастую с драматическими последствиями). Причина: когда воздух за окном приходит в движение, его скорость увеличивается, а значит, давление уменьшается. А уменьшившись, становится меньше давления в комнате. Возникшая разность давлений и захлопывает окно (или, наоборот, распахивает его настежь).

Важно только не путать происходящее с лобовым давлением, которое оказывает движущаяся жидкость или газ на помещённое внутрь потока тело.

Вообще говоря, в повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся со следствиями закона Бернулли - даже не осознавая этого. Благодаря закону Бернулли выстраивается "горкой" заварка в чае, когда его размешивают. Закон Бернулли порождает эффект Магнуса, отклоняющий движущиеся в жидкости или газе вращающиеся тела. Благодаря закону Бернулли работают некоторые насосы, его учитывают при кораблевождении, наконец, благодаря нему же, как мы уже говорили, летают самолёты и вертолёты.

На этом канале я время от времени буду выкладывать картинки и видео эффектов, порождаемых законом Бернулли. А здесь выложу картинку из той самой "Гидродинамики" Бернулли, с которой всё началось: на ней видно, что давление текущей жидкости в горизонтальной трубе заметно меньше давления неподвижной жидкости в основном сосуде.

Одним из повседневных проявлений закона Бернулли является так называемый парадокс чайного листа, когда после размешивания жидкости в чайной чашке чаинки собираются в её центре.

Если бы жидкость вращалась как одно целое (т.е. как твёрдое тело), то мы могли бы ожидать обратного эффекта: центробежная сила должна была бы прижимать чаинки к стенкам чашки. Но этого не происходит, а наблюдается обратный эффект.

Всё дело в том, что жидкость в чашке не вращается как одно целое: скорости вращения жидкости в разных частях чашки различны.
Благодаря наличию в жидкости вязкого трения, скорость движения жидкости у стенок чашки быстро падает. В результате получается, что в центре жидкость вращается быстрее, чем у стенок (пока силы трения не остановят вращение вообще).

И тут-то вступает в силу закон Бернулли, который гласит: чем выше скорость движения жидкости, тем меньше её давление. То есть, в центре давление оказывается меньше, чем у краёв. И вот эта-то разность давлений и "выдавливает" чаинки от стенок чашки к её центру.

Отличаются и скорости движения воды по высоте: внизу чашки, где вода взаимодействует с неподвижным дном, скорость ниже, чем на поверхности жидкости. Чем меньше скорость - тем больше давление: снова-таки, возникает разность давлений, только на этот раз направленная от дна чашки к её поверхности. То есть, жидкость в чашке будет двигаться не только от краев центра, но и снизу вверх. Впрочем, последнему движению будет препятствовать сила тяжести, которая, вообще говоря, ощутимо выше, чем сила, вызванная разницей давлений.

Относительные размеры планет Солнечной системы.

Неподписанные планеты (справа от Земли): Венера, Марс и Меркурий.

Голубой планетой часто называют Землю. Но на самом деле под этот термин больше всего подходит Нептун - самая удалённая от Солнца планета (не считая "разжалованного" из планет Плутона).

Нептун - газовый гигант в 17 раз более массивный, нежели Земля. Как и у всех газовых гигантов, его атмосфера состоит в основном из водорода и гелия (самых распространённых элементов во Вселенной), но также содержит большую (по сравнению с Юпитером и Сатурном) долю аммиака, метана, воды и сероводорода.

Считается, что именно густые облака из жидкого метана придают атмосфере Нептуна столь густой голубой цвет. Правда, это, по всей видимости, не единственный фактор: сосед Нептуна, Уран, тоже имеет голубоватый цвет, но существенно менее глубокий, нежели у Нептуна, хотя химический и физический состав внешних слоёв атмосферы обеих планет примерно одинаков.

Температура в верхних слоях атмосферы Нептуна составляет порядка -200 градусов Цельсия. Однако в глубинах планеты эта температура может достигать 5000 градусов.

​Мы почти утратили надежду найти инопланетную жизнь в Солнечной системе: наиболее похожие на Землю планеты, такие как Марс и Венера, сейчас выглядят совершенно непригодными для жизни: на Марсе слишком холодно и почти нет атмосферы, на Венере - слишком жарко и атмосфера, наоборот, слишком плотная. Большее, на что мы можем рассчитывать - это найти следы существования жизни на этих планетах в прошлом, чем сейчас усиленно занимаются.

Но может ли быть так, что мы найдём жизнь в условиях, существенно отличающихся от земных - например, на газовых гигантах вроде Юпитера, Сатурна, Урана или Нептуна? Несмотря на то, что эти планеты выглядят предельно непохожими на Землю, учёные не отрицают такого варианта развития событий.

Газовые гиганты расположены относительно далеко от Солнца, так что снаружи там холоднее, чем даже на Марсе. Однако во внутренних слоях атмосфер этих планет температура существенно выше и может достигать сотен и даже тысяч градусов. И где-то посредине между внешним холодным слоем и горячими глубинами вполне могут существовать условия, в которых вода способна существовать в жидком состоянии. А это, согласно современным представлениям, является одним из главных признаков того, что там может существовать и жизнь.

Не следует забывать, что тот же Юпитер, помимо энергии, которую он получает от Солнца, имеет и "собственное отопление", работающее на энергии, выделяющейся в процессе медленного сжатия планеты под действием собственной гравиации. И возможно, что местная жизнь сможет использовать эту энергию для собственной жизнедеятельности.

Правда, в глубине Юпитера помешать развитию жизни должно было бы высокое давление, которое в 20 раз превышает атмосферное уже на глубине, где температуры составляют порядка -160 Цельсия.

Кроме того, существует теория о возможности развития организмов, использующих в качестве основы для жизни не воду, а во многом схожий с ней в химическом отношении аммиак, или смесь таких веществ. Аммиак может находиться в жидком состоянии при существенно более низких температурах, нежели вода.

Это только гипотеза, нуждающаяся в проверке. Пока мы не видели никаких признаков существования жизни или тех же водяных облаков, предсказанных теорией (к примеру, их не видел зонд, сброшенный космическим аппаратом "Галилео", который опустился в атмосферу Юпитера на 130 километров). Однако газовые гиганты слишком велики, а мы пока знаем о них слишком мало.

Кроме того, существует ненулевая вероятность существования жизни на спутниках газовых гигантов, таких как спутник Сатурна Титан или спутник Юпитера Европа. Правда, такая внеземная жизнь будет, по всей видимости, представлена весьма примитивными организмами, и чтобы встретить братьев по разуму, нам всё-таки придётся слетать куда-то подальше.

На картинке изображено видение художником юпитерианской жизни, первую теорию которой предложил астроном Карл Саган.

Сосуд Пифагора, он же Чаша Тантала, она же Стакан жадности - красивый опыт для демонстрации принципа сообщающихся сосудов.

Чаша действует как нормальный сосуд до тех пор, пока высота уровня воды в ней не превышает некоего значения. После его достижения жидкость начинает выливаться через дырку в основании сосуда, и - это важно! - продолжает выливаться до тех пор, пока чаша полностью не опустеет.

Вот как это выглядит, а в следующем посте я расскажу, как это работает.

​Кстати, предыдущая задача про чашу Пифагора - это не только про сообщающиеся сосуды, но и про принцип минимума потенциальной энергии!

Принцип очень хороший и наглядный: если есть некая система, то рано или поздно она придёт в состояние, при которой суммарная потенциальная энергия её частей будет минимальной (в нашем случае - вода выльется из стакана совсем, лишь дай ей для этого путь, пусть и самый извилистый).

Классическое следствие принципа минимума потенциальной энергии - т.н. эффект бразильского ореха. Обнаружили его, как ни странно, в Бразилии и, как ни странно, как раз торговцы этими самыми орехами: когда партию орехов, упакованных в ящик, довозили до покупателя, то в верхней части ящика оказывались самые крупные орехи, а мелочёвка оседала вниз.

Причина проста: чем мельче частичка сыпучей среды, тем (вообще говоря) более плотная упаковка таких частиц может достигаться в системе (каждая частичка весит меньше, но в одном и том же объёме их помещается больше). Больше плотность - больше масса в ограниченном объёме. Соответственно, упаковка типа "мелкие внизу, тяжёлые вверху" обеспечивает именно минимум потенциальной энергии в системе. И система при любой возможности обеспечивает именно такую упаковку, а тряска, которой подвергается ящик с орехами по пути, как раз создаёт такие условия.

Это же работает и с любыми сыпучими средами, частицы которых имеют различный диаметр. В ряде отраслей промышленности, например, в фармакологии и химии, это составляет немалую проблему. Впрочем, в других ситуациях тот же эффект приносит пользу, позволяя сортировать частицы различного диаметра и отделять их друг от друга.

На фото (уж простите за качество) - "эффект бразильского ореха" в пачке с мюслями: более крупне орехи "всплывают" в более мелких фракциях.

Профессор Сюлинь Жуань (Xiulin Ruan) из Университета Пердью (США) заявил о создании "сверхбелой" краски на основе сульфата бария, частицы которого в краске представлены фрагментами различных размеров, что позволяет добиться максимального отражения не только в видимом, но и в ультрафиолетовом и инфракрасном цветах.

По утверждениям разработчиков, сверхбелая краска отражает до 98 % падающего на неё потока солнечного света. В результате обработанная такой краской поверхностью поглощает энергию излучения хуже, чем атмосфера: даже на прямом солнечном свету окрашенная поверхность оказывается несколько прохладнее, чем температура окружающего воздуха.

Логичное продолжение темы со сверхчёрной краской, которая почти полностью поглощает падающий на неё свет и о которой мы писали в одной из наших прошлых публикаций.

Глава "Роскосмоса" Дмитрий Рогозин на своём канале пишет, что базовый модуль новой российской орбитальной служебной станции уже в работе, и должен быть выведен на орбиту уже в 2025 году.

Сообщение служит косвенным подтверждением информации о планах России выйти из проекта МКС и заняться строительством новой, уже чисто собственной станции. Предполагается что частью новой станции будет модуль-стапель - эдакая космическая верфь для сборки на орбите космических кораблей межпланетного сообщения.

​В тестовом режиме начинаем подрубрику #Как_это_устроено, и сегодня поговорим о таком известном устройстве, как лампа накаливания.

Название говорит само за себя: лампа накаливания светится за счёт нагревания до высоких температур металлической нити в центре лампы. При нагревании любое тело испускает электромагнитное излучение, цвет которого зависит от температуры нагрева. Для того, чтобы получить характерный желто-белый свет ламп накаливания, нить нужно нагреть до высоких температур в тысячи градусов, чтобы они при этом не разрушились. Поэтому на изготовление нитей накаливания идут тугоплавкие материалы вроде вольфрама (температура плавления 3410 градусов Цельсия). Рабочие температуры в современных лампах накаливания составляют порядка 2700 градусов.

Такая температура удобна ещё и потому, что свет получается "краснее" естественного солнечного и меньше подавляет выработку "гормона сна" – мелатонина, не мешая организму готовиться ко сну.

Правда, при таких температурах основная часть энергии электромагнитного излучения лежит в инфракрасной части спектра: по сути лампы накаливания являются скорее нагревательными приборами, нежели осветительными.

Чтобы увеличить яркость света, нить лампы скручивают в спираль, причём зачастую в двойную и даже тройную: в результате ту же излучающую поверхность можно упаковать в меньший объём. Реальная же толщина нити накаливания – 50 микрон, в 1,5-2 раза тоньше человеческого волоса.

Чтобы раскалённая нить не вступала в реакцию горения с атмосферным кислородом, воздух из лампочек откачивают. Однако это не предотвращает другой процесс - постепенное испарение вольфрама с поверхности нити, что ведёт к её истончению и разрыву - перегоранию. Чтобы избежать этого, лампы можно наполнять инертным газом, например, аргоном, хотя это и удорожает изделие и на наименее мощных лампах не применяется. Кстати, из-за испарения вольфрама яркость ламп накала со временем ощутимо падает.

Электрическое сопротивление вольфрама, как и любых металлов, возрастает с ростом температуры; а чем меньше сопротивление, тем больший ток течёт через проводник при данном напряжении. То есть, когда мы включаем лампу накаливания, ток, текущий через неё, в 10-15 раз больше, чем при работе в нормальном режиме (после прогрева нити). Именно поэтому лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения.

Кстати в первых лампах Эдисона нить накаливания изготавливалась из угля, и срок их службы составлял порядка 40 часов. Изготавливать нити из тугоплавких металлов и закручивать их в спираль первым придумал русский электротехник Александр Лодыгин: в 1906 году патент на технологию выкупила General Electric, хотя в полной мере реализовать потенциал технологии удалось лишь после того, как придумали способы удешевить производство вольфрама.

Срок службы современной лампы накаливания составляет порядка 1000 часов, хотя различные факторы могут сильно уменьшить его.

Ключевым преимуществом лампы накаливания является её дешевизна, недостатками - низкий КПД и малый срок службы. Поэтому в наш век заботы об экологии и экономии эти лампы постепенно отходят в прошлое. О технологиях, идущих им на смену - в следующих публикациях рубрики.

​Насколько научен "Интерстеллар" Нолана? (часть 1).

"Интерстеллар", безусловно, является культовым произведением в жанре научной фантастики последних лет? Но насколько фантастика "Интерстеллара" на самом деле научна?

Начнём с самого начала: с самой идее межзвёздных путешествий через "кротовую нору" - особый туннель, соединяющий две удалённые области пространства. Возможно ли такое на практике?

Тут имеет место одна проблема: у нас нет общепринятой и надёжной теории гравитации, которая дала бы возможность однозначно ответить на этот вопрос "да" или "нет". В целом идея совершенно научна: уравнения Общей теории относительности допускают решения, аналогичные таким объектам.

Дальше начинаются сложности. В зависимости от того, какой теорией пользуются авторы, они приходят к разным выводам: от невозможности существования кротовых нор как таковых, через идеи о существовании кротовых нор, существующих слишком малое время для того, чтобы через них можно было пройти (т.н. "мост Эйнштейна-Розена") до теорий о реально проходимых кротовых норах, автором одной из которых является Кип Торн - один из "отцов" "Интерстеллара". Так что по крайней мере одно мы можем утверждать точно: говоря о существовании таких объектов, авторы фильма искренне верят в возможность их существования.

Проблема заключается в том, что мы пока не видели реальных признаков существования кротовых нор в космосе. И не потому, что мы не искали: поиском признаков существования кротовых нор занимался покойный российский телескоп "Радиоастрон", его дело продоложит "Миллиметрон", который вроде как планируют запустить в 2025-м.

В качестве иллюстрации пусть будет классическая иллюстрация работы кротовой норы: при прохождении через неё можно попасть из точки А в точку Б куда быстрее, чем по путешествию через обычное пространство.