Когда читаешь прогнозы футурологов, цифры только сбивают с толку. «Через сорок лет люди полетят на Марс». Почему не через сто или не через пять? Что мешает будущему наступить прямо завтра? В конце концов, небоскреб «Эмпайр-стейт-билдинг — 381-метровое здание, где одних лифтов 73 штуки, — построили за один год, и на дворе стояли 1930-е. А от вывода первого спутника на орбиту Земли в 1957 году до первого рейса к Венере (запуска автоматической межпланетной станции «Венера-1») прошло три года и четыре месяца.

Чем вы собираетесь заняться 30 марта 2033 года? Если вы живете на севере Чукотки, то почти наверняка выйдете из дому поглядеть на полное солнечное затмение: все-таки оно случается нечасто. Такой определенности по поводу будущего, с точностью до дня и часа, можно ждать разве что от астрономических явлений, которые происходят строго по расписанию. А в остальном, разводим мы руками, будущее — сплошной туман.

Но в этом тумане можно расставить кое-какие вешки: мы знаем еще несколько событий, назначенных на даты далеко впереди, через полтора-два десятилетия. Это запуски Больших Проектов (именно так — с большой буквы), прежде всего научных, которые должны качественно изменить всю окружающую жизнь. Термоядерная энергетика. Пилотируемый полет на Марс. Поиск гравитационных волн. Левитирующие поезда, способные обогнать самолет. Всё это дежурные атрибуты будущего из книг фантастов средней руки.

И сейчас, в 2015-м, ученые предсказывают с точностью до года или до двух-трех лет, когда каждый из пунктов списка появится в нашей жизни. Плохая новость: если сейчас вы окончили университет, то к тому времени, похоже, начнете собираться на пенсию. Раньше, чем перед реактором DEMO перережут ленточку, наш пылесос не начнет питаться термоядерным электричеством. А альпинисты не взойдут на марсианский вулкан Олимп, пока вы не обзаведетесь внуками. И никакой поезд на магнитной подушке не отвезет вас из Москвы на Чукотку посмотреть на затмение 2033 года. Обидно знать это наверняка настолько заранее.

Откуда берутся такие чудовищные сроки — 15, 20, 25 или 30 лет? Первая, интуитивная догадка состоит в том, что ученые сидят и ждут каких-нибудь небывалых прорывов, которые если и возможны, то в далеких 2030-х, когда вся наука принципиально изменится. Но специалисты по истории и экономике науки — например, профессор-экономист Пола Стефан из Университета Джорджии (США) — считают, что фундаментальному открытию, особенно в инженерно-физических областях, обычно нужно несколько десятилетий, чтобы начать влиять на жизнь людей. Даже компьютерная революция 1980–1990-х, которая задним числом кажется нам чуть ли не мгновенной, — результат изобретения транзистора в конце 1940-х. И задержка в 10–15 лет — редкое везение, которое никак нельзя закладывать в планы.

Здесь действует тот же принцип, что и в случае взрыва звезды в 10–15 световых годах от нас: если мы рассчитываем увидеть вспышку от этого взрыва завтра, он должен был уже давно случиться. То же самое с эффектом от фундаментальных открытий, которые открывают дорогу к Марсу или к управляемой термоядерной реакции: чтобы эти открытия как-нибудь повлияли на запуск проекта в 2030-х, они должны быть уже сделаны и учтены в программах ученых. А будущие громкие открытия, как и будущие взрывы далеких звезд, вряд ли ускорят строительство реакторов или левитирующих поездов, все чертежи для которых давно готовы.

На вопрос «Почему так долго?» часто отвечают отговоркой: «Потому что политики тянут и тянут». О строительстве международного термоядерного реактора ITER президенты СССР и США Горбачев и Рейган договорились еще в 1985 году, но потом Советский Союз распался. И только 20 лет спустя, в 2005-м, для будущего реактора выбрали площадку. Такие случаи говорят не столько о сложности проекта, сколько о том, что наука, к несчастью, не отделена каким-нибудь квантовым барьером от остального мира с его конфликтами. Поэтому мы выбрали для разбора только такие проекты, где политическая фаза — споры о том, в какой из стран воплощать идею в жизнь и воплощать ли вообще, — уже позади, и осталось только брать и воплощать.

А специально для технооптимистов, которых пугает перспектива завести внуков прежде, чем люди отправятся к Марсу, мы в каждом случае попробовали выяснить, нельзя ли ускориться и нет ли лазейки для внезапного чуда.

Год 2027 // Термоядерная энергетика. Экспериментальный реактор ITER

Что это такое

Первый в мире термоядерный реактор, который будет производить больше энергии, чем потреблять. Его строят на юге Франции совместными усилиями Евросоюза, США и еще шести государств, включая Россию и Индию.

Источник энергии тот же, что и у Солнца: реакция слияния атомных ядер дейтерия и трития, двух тяжелых изотопов водорода. Проводить ее хотят в горячей плазме с температурой в 150 миллионов градусов, которую сверхпроводящие магниты удерживают в вакуумной камере, имеющей форму тора и объем 840 кубометров. Сама эта камера диаметром 30 метров и высотой с девятиэтажку весит чуть больше Эйфелевой башни (8000 тонн против 7300).

Реактор ITER экспериментальный, для отработки технологий, и отдавать свои мегаватты во французские электросети он не станет, потому что рассчитан на непрерывную работу на максимальной мощности не дольше нескольких минут.

Почему так долго

По плану ITER должны достроить в 2019 году и запустить в 2020-м. Но следующие семь лет он будет работать вхолостую — с такой плазмой, где термоядерная реакция начаться не может. Только в 2027 году туда загрузят смесь дейтерия с тритием, пригодную для выработки энергии.

Какой смысл тянуть с «настоящим» запуском? Прежде всего никто не знает, как именно поведет себя плазма в таком большом объеме. Артём Коржиманов из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде объясняет: меняется масштаб — и старые уравнения больше не годятся.

— Хороший пример — это так называемые H-моды (эйч-моды) — высокостабильные режимы работы, которые были открыты в конце 80-х совершенно внезапно при простом повышении мощности установки. В полтора-два раза лучше удержание плазмы и, соответственно, выход энергии. Их никто не предсказывал. И вот уже сколько лет прошло, а им до сих пор нет адекватного теоретического описания. С ними научились работать. Знают, где они появляются, и так далее. Но почему появляются — никто не знает. И что будет при дальнейшем увеличении мощности, тоже, вообще говоря, неизвестно.

Нельзя ли ускориться

Ядерщикам всегда не хватает денег, и дополнительные миллиарды помогли бы выиграть время, но только при условии, что их потратили бы на исследования лет тридцать назад. Коржиманов говорит:

— Есть такая знаменитая картинка — увеличение мощности реакторов со временем. Мощность подчинялась закону Мура, то есть росла экспоненциально, в 1960-е и в 1970-е годы.

А в 1980-м президентом США избрали республиканца Рейгана, который в рамках борьбы с дефицитом бюджета резко сократил расходы на термоядерную физику.

— В этом месте график на картинке резко загибается. Если бы рост финансирования сохранился, то ITER был бы построен к концу прошлого века.

Кто может опередить

— От чего можно ждать быстрого прорыва? От мелкомасштабных установок, — продолжает Артём. — Есть такие ловушки открытого типа с очень сильным магнитным полем. И с ними вы можете достичь положительного выхода термоядерной реакции при значительно меньших масштабах. Если только найдете правильный подход.

Проблема с ловушками в том, что плазма постепенно сбегает оттуда, как вода из дырявой кастрюли.

— Дырки можно сделать очень маленькими, но всё равно этого недостаточно, чтобы полностью закрыть ловушку, — огорчается физик.

Если бы ученым удалось обойти проблему, можно было бы делать совсем небольшие термоядерные реакторы.

— Ну, грубо говоря, не на гигаватт, а на мегаватт. Мегаватта хватает, чтобы одновременно вскипятить 200 чайников, то есть такой реактор мог бы снабжать электричеством дом в несколько подъездов. Или прошлогодний пресс-релиз от Lockheed Martin — ребята сказали, что в течение, там, пяти или десяти лет построят реактор, который можно будет установить на грузовик, — вспоминает Коржиманов.

Lockheed Martin делает для армии США ракеты и истребители, поэтому эти заявления, в принципе, имеют больший вес, чем рассуждения гениев-одиночек про холодный термоядерный синтез в домашних условиях.

— Но пресс-релиз был без научных подробностей, поэтому сообщество отнеслось к нему очень скептически, естественно.

Термоядерный реактор это не только камера с плазмой. На 3D-схеме — зал со вспомогательным оборудованием ITER

Проект-сателлит: DEMO (2033)

Первая термоядерная электростанция мощностью в два (или чуть больше) гигаватта; это примерно треть мощности Саяно-Шушенской ГЭС. DEMO задумали как слегка видоизмененную копию ITER.

— Все отработанные технологии будут перенесены в DEMO. И еще удалят всё экспериментальное оборудование, которое не требуется для работы электростанции, — говорит Коржиманов.

Реактор DEMO, в отличие от ITER, будет производить энергию непрерывно, преобразовывать ее в электричество и отдавать в обычные электросети — по прогнозам уже в 2040 году. Отсюда, впрочем, вовсе не следует, что термоядерная энергия немедленно станет обычным делом и будет использоваться по всему миру, — как пишут на сайте ITER, это случится, если всё пойдет по плану, только в последней четверти столетия.

Год 2034
// Поиск гравитационных волн. Проект eLISA Европейского космического агентства.
Что это такое

Три космических аппарата в 70 миллионах километров от Земли и на расстоянии в миллион километров друг от друга. С помощью лазерного луча они будут ежесекундно проверять, не искривилось ли пространство между ними на доли миллиметра. Такой принцип давным-давно используется на Земле в лазерных интерферометрах, так что саму группировку eLISA можно будет считать интерферометром с гигантской базой.

Причиной искривления может быть гравитационная волна — гуляющая по космосу складка пространства-времени, которая возникает, например, в ходе слияния двух нейтронных звезд или черных дыр. Этот эффект предсказывает общая теория относительности Эйнштейна, и за непрямое доказательство того, что такие волны существуют, в 1993 году Нобелевскую премию по физике получили астрономы Рассел Халс и Джозеф Тейлор.

От eLISA, которую собирается вывести в космос Европейское космическое агентство, ждут первых прямых доказательств. Кроме того, это еще и качественно новая обсерватория для наблюдения всевозможных космических событий, порождаемых гравитационными волнами. Астрономия начиналась с оптических телескопов, потом появились радиотелескопы и рентгеновские обсерватории. А проект eLISA — гравитационный телескоп.

Космический интерферометр заранее называют самой большой искусственной конструкцией в мире — еще бы, ничего другого диаметром в миллион километров в истории техники не было.
Почему так долго

Собирать научный инструмент начнут за 10 лет до старта, в 2024 году. Это процесс традиционно долгий — когда инженеры имеют дело с новой штучной моделью, а не, допустим, со спутниками связи, все запчасти которых хорошо известны. Потом будет затяжная серия испытаний: как eLISA выдерживает космический холод? А солнечную радиацию? А как быть с электромагнитными помехами в процессе запуска?

Но сначала все технические приемы и хитрости, которые собираются использовать в будущем гигантском интерферометре, будут обкатаны на миниатюрном прототипе. В сентябре 2015 года Европейское космическое агентство запустит в космос зонд с понятным названием LISA Pathfinder. LISA — это старое название миссии eLISA, а Pathfinder в буквальном переводе означает «прокладыватель пути».

Рентгеновская обсерватория ATHENA будет работать не на околоземной орбите, как Hubble, а поблизости от лагранжевой точки L2 — в 1,5 миллионах километров от Земли

Роль спутников, разнесенных на миллионы километров, будут играть два металлических кубика в высоком вакууме, которые разделяет дистанция в 38 сантиметров. Каждый кубик с длиной ребра 4,6 сантиметра весит ровно два килограмма и выточен из сплава золота с платиной. Эти «спутники» будут находиться в абсолютной невесомости, иначе говоря, в режиме чистого свободного падения. Если на космонавтов на МКС и действуют какие-то остаточные силы вроде центробежных, то здесь авторы эксперимента сделали всё возможное, чтобы устранить посторонние влияния. С помощью лазерного луча мини-интерферометра ученые в течение шести месяцев будут следить, чтобы в этих условиях дистанция между кубиками оставалась строго постоянной. Только так они смогут удостовериться, что за колебаниями расстояния между спутниками в эксперименте eLISA не стоит какой-нибудь неучтенный эффект.

Нельзя ли ускориться

Можно, и как минимум на шесть лет. Это интервал между «большими миссиями» (класса L по внутренней классификации) Европейского космического агентства. Всего таких миссий в программе ESA Cosmic Vision три, и они запланированы на 2022, 2028 и 2034 годы. До 2013-го не было окончательной ясности, полетит eLISA второй или третьей, то есть, в принципе, разработчики гравитационной обсерватории готовы были успеть и к запуску в 2028 году.

Проект-сателлит: ATHENA (2028)

Космическая рентгеновская обсерватория, которая выиграла у eLISA конкурс на право быть запущенной в 2028 году и временно оттянула на себя внимание и ресурсы Европейского космического агентства. Наблюдать она будет за похожими объектами, пусть и в другом диапазоне: космические процессы с участием особенно сильной гравитации — вроде падения вещества в черную дыру — часто дают о себе знать в рентгеновской области спектра. В программе наблюдений ATHENA — сверхмассивные черные дыры и горячие газовые облака.

NASA Orion уже проходит испытания. Но он довезёт экипаж только до точки пересадки на окололунной орбите.

Вторая половина 2030-х годов
// Человек на Марсе. Экспедиция NASA.
Что это такое

Официальный пункт космической программы США с 2010 года. Этот статус выгодно отличает пилотируемую марсианскую экспедицию от других опубликованных планов NASA, будь то подводная лодка для погружения в метановое море Титана, спутника Сатурна, или «умная толпа» мини-роботов для поиска жизни в марсианских пещерах. Такие проекты всегда попадают в газеты, но редко доживают до воплощения или хотя бы до момента, когда место эскизов и «концептуальных картинок» занимают чертежи и 3D-модели.

Транспорт для марсианской экспедиции NASA строит уже сейчас. Космический корабль Orion (первый после шаттлов аппарат NASA для доставки людей в космос) и ракету-носитель SLS разрабатывают с прицелом на полет к Марсу и на его репетицию — подготовительную миссию к астероиду.
Почему так долго

— Для науки это абсолютно неактуальная вещь. Наоборот, ученые всеми силами стараются оттянуть момент, когда на Марсе окажется живое существо с Земли. Потому что оно как минимум заразит марсианскую биосферу, и тогда будет сложно разобраться, где что, — говорит Владимир Сурдин из Государственного астрономического института имени Штернберга, получивший премию «Просветитель» за книгу «Разведка далеких планет».

Если мы хотим найти на Марсе жизнь или ее следы, это нужно успеть сделать до высадки человека. Другое дело, что марсианская экспедиция — сильный политический ход:

— Кто первым ступит на Марс, тот докажет, что он впереди в технологическом смысле, — поясняет Сурдин.

Поэтому как бы астробиологи ни мечтали отложить экспедицию, она, похоже, все-таки состоится.

Спускаемая капсула «Ориона» проходит проверку после полёта.

Однако сразу несколько важных причин мешают сделать это завтра — скажем, взять ракету той же модели, что занималась доставкой какого-нибудь из последних марсоходов, приделать к ней пилотируемую капсулу и запустить с мыса Канаверал.

— До сих пор нет способов уберечь космонавтов от радиации. Полет на Марс и обратно с небольшим пребыванием на планете продлится около трех лет. А у нас даже вблизи Земли, в пределах земной магнитосферы, которая защищает от радиации, нет опыта трехлетних полетов. За пределами магнитосферы радиационный фон примерно вдвое выше, там вообще непонятно, останется человек живым, работоспособным более года или нет, — говорит Сурдин. — Сейчас много разных проектов нацелено на то, чтобы создать радиационную защиту на основе полимеров или наночастиц. Кто во что горазд. Нужно дать людям время поработать над этими проектами, и лет через пять — семь, может быть, появится более надежная радиационная защита. Таблетки какие-нибудь для восстановления от радиации. Их надо испытать. А испытание не может продлиться меньше, чем полет на Марс. Это еще три года. Потом еще раз испытать — еще три года. И вот так набирается 20–25 лет отложенного срока.

Кроме того, астронавты со всеми своими припасами на три года вперед — куда более массивный груз, чем Curiosity. Это значит, что старые ракеты не годятся. По замыслу для пилотируемых полетов на Марс нужна не только новая техника, но и новая схема — с пересадкой. Orion будет довозить только до окололунной орбиты, где будет ждать корабль, который заранее загрузили всем необходимым, отправив к нему несколько вспомогательных рейсов с Земли. И вот к разработке этого второго, межпланетного корабля (и всей этой логистической схемы) в NASA еще не приступали.

Нельзя ли ускориться

Можно. Сейчас космические аппараты большую часть времени летят к Марсу с выключенными двигателями, не тратя ни грамма топлива, — по эллиптической орбите, по которой их тащит сила притяжения Солнца, как кометы или астероиды. Ситуацию могли бы изменить ядерные двигатели:

— Это будет прямолинейный полет, не по эллипсу, а просто от А к Б по прямой линии, очень быстро, — рассказывает Сурдин. — Ядерные двигатели пытались развить в середине 60-х — ничего толком не получилось, забросили. А сейчас ясно, что без них не обойтись. Лет через 15–20 эти двигатели, наверное, будут доведены до работоспособного состояния, и это принципиально изменит космические полеты.

Более быстрый полет к Марсу не столько приближает срок высадки на планете (речь идет о нескольких месяцах), сколько означает гораздо меньшую дозу космической радиации. И как следствие, возможность сэкономить годы на разработке средств для борьбы с нею.

Проект-сателлит: миссия NASA к астероиду (2020-е)

В середине 2020-х беспилотный аппарат NASA приземлится ненадолго на крупный астероид (это может быть, например, Итокава, к которому уже летали) и подберет многотонный булыжник с его поверхности. Следующие шесть лет булыжник будут тянуть волоком в сторону Земли, а потом выведут на окололунную орбиту, то есть сделают его новым спутником Луны. И тогда к булыжнику на корабле Orion отправятся астронавты — изучать его со всех сторон, а заодно репетировать первую фазу путешествия на Марс. Случится это не раньше чем через шесть лет после начала миссии, то есть, скорее всего, в самом начале 2030-х.

Год 2045
// Экспресс Токио — Осака. Чуо-синкансэн. Японские железные дороги.
Что это такое

Поезд на магнитной подушке, способный разогнаться до 505 километров в час и преодолеть 438 километров между Токио и Осакой, двумя главными мегаполисами Японии, за 1 час 7 минут. Это будет первая по-настоящему длинная магистраль для поездов, которые используют принцип магнитной левитации: вагоны движутся без трения (если не считать трения о воздух), потому что магнитное поле заставляет их в буквальном смысле висеть в воздухе.

Сейчас из Осаки в Токио можно доехать за 2 часа 25 минут на поезде линии Токайдо-синкансэн, который ездит по обычным рельсам со скоростью не больше 270 километров в час. Этот маршрут проходит по побережью Тихого океана и существенно длинней планируемого.

Новый проект запустят в два этапа. Сначала это будет магистраль Токио — Нагоя (286 километров и 40 минут в пути): ее запуск запланирован на 2027 год. И только через 18 лет ветку дотянут до Осаки.

Левитирующие поезда уже возят пассажиров из аэропорта Шанхая (Китай) в центр города, но это всего 30 километров и восемь минут в пути.

В Японии построен тестовый участок дороги 44 километра длиной, где испытателям удалось добиться рекордной для какого бы то ни было наземного транспорта скорости в 581 километр в час. Участок собираются включить в состав дороги Чуо-синкансэн.

Почему так долго

Японские острова — это прежде всего горы: одних вулканов больше сотни. В частности, Японские Альпы перерезают сразу несколькими хребтами остров Хонсю, по которому проходит дорога Токио — Осака.

Для поезда на магнитной подушке магистраль попытались спроектировать как можно более прямой: когда состав преодолевает километр за семь секунд, вписываться в повороты — большая проблема. А чтобы спрямить дорогу, надо пробиваться сквозь горы. 247 из 286 километров всей дороги (то есть 86%) Токио — Нагоя будут проходить под землей. Еще 23 километра — это виадуки, еще 11 — мосты. Это значит, что такая поездка будет не более интересным туристическим развлечением, чем путешествие из Южного Бутова в Алтуфьево на метро: большую часть времени за окном ничего не показывают.

Но еще это значит, что прокладывать придется не только и не столько пути, сколько туннели, а рытье туннелей — трудоемкая задача. Насколько трудоемкая, понятно уже по цене проекта: его оценивают в 70 миллиардов долларов.

Кто может опередить

Hyperloop («гиперпетля») Илона Маска имеет шансы обогнать японский поезд как минимум в одном смысле. Этот сверхскоростной состав должен двигаться по туннелю, где поддерживается вакуум, и значит, ему не придется преодолевать сопротивление воздуха, тратя на это энергию. Поэтому и скорость по замыслу должна быть выше — около тысячи километров в час, как у самолета. Hyperloop должен перевозить пассажиров из Лос-Анджелеса в Сан-Франциско за полчаса.

А вот что касается темпов строительства и даты запуска, их пока никто не называет — в Техасе только-только началось строительство тестового трека. Уже понятно, что и здесь придется если не рыть туннели, то как минимум тянуть над землей огромный герметичный трубопровод на сотни километров, потому что на открытом воздухе вакуумному поезду делать решительно нечего. Илон Маск оценил проект в 7,5 миллиарда долларов, и поскольку это заметно дешевле, чем Чуо-синкансэн, то и строительство может занять меньше времени.

http://luckyea77.livejournal.com/827307.html