Тихое архимедово восхождение: сможет ли стратостат долететь до Луны

Каким должно быть устройство стратостата

Стоит признать: линия Кармана не является физической стеной. Это лишь условная высота, где воздух становится настолько разреженным, что самолету для создания подъемной силы пришлось бы лететь с первой космической скоростью. Но что, если скорость нам не важна? Если мы решим подниматься неспешно, час за часом, полагаясь исключительно на плавучесть?

Очевидно, что для подобного подъема потребуется некий «предельный стратостат» — гипотетический воздушный шар массой с практически невесомой оболочкой, способной расширяться до любых пределов. Внутри него — водород. У поверхности Земли это скромный 10-килограммовый мяч диаметром около двух с половиной метров. Пока он вытесняет массу газа, превышающую его собственный вес, сила Архимеда тянет его вверх. Никакой ракетной динамики — чистая статика.

Казалось бы, раз экзосфера тянется за Луну, то и путь открыт. Однако дьявол, как водится, кроется в составе среды.

Как меняется атмосфера Земли с набором высоты

Главная проблема в том, что по мере набора высоты атмосфера меняется не только количественно, но и качественно. До рубежа в 100 км мы находимся в так называемой гомосфере. Здесь газы постоянно перемешиваются ветрами, сохраняя привычный «коктейль»: 78% азота и 21% кислорода. Эта тяжелая смесь отлично держит шар, хотя ее плотность и падает в геометрической прогрессии — сокращаясь вдвое на каждые пять километров.

Реальные инженерные рекорды наглядно показывают цену каждого метра в этой среде. В 2002 году японский беспилотный стратостат BU60-1, запущенный агентством JAXA, достиг высоты 53,7 км. Чтобы поднять крошечный блок научной аппаратуры массой в 10 кг, его оболочка из полиэтиленовой пленки толщиной всего 3,4 микрона на пике раздулась до 50 м в диаметре.

Однако выше 100–120 км начинается гетеросфера, где перемешивание прекращается и газы выстраиваются в очередь по весу. Тяжелый азот и молекулярный кислород оседают ниже, а верхние эшелоны захватывает атомарный кислород, затем гелий и, наконец, водород. На канонической границе космоса (100 км) нашему 10-килограммовому аппарату уже нужно стать сферой диаметром 330 м — это масштаб доброго стадиона.

Дальше — больше. На отметке 150 км плотность среды падает так драматично, что шар должен вырасти до исполинского диаметра в два километра. И здесь инженерная логика беспощадно убивает мечту: площадь пленки у такого монстра такова, что даже ее собственный вес превращает стратостат в неподъемное грузило. 

Температурный парадокс экзосферы

На этом этапе возникает соблазнительная идея: а что, если подогреть водород внутри оболочки? По закону Шарля, нагретый газ расширяется, его плотность падает, и теоретически он должен стать «легче» внешнего холодного водорода. Но тут нас ждет неожиданный физический сюрприз.

Дело в том, что в экзосфере газ уже экстремально горячий. Температура разреженного водорода там достигает 1000–1500°С из-за солнечного излучения. Однако «температура» здесь — это просто скорость движения отдельных атомов. Поскольку частиц почти нет, они не могут передать это тепло оболочке стратостата. Внутри же нашего шара газ должен иметь хоть какое-то давление, чтобы держать форму, а значит, молекул там в триллионы раз больше. Чтобы сделать этот внутренний водород «легче» внешнего, нам пришлось бы разогреть его до температур в миллионы градусов — до состояния плазмы, которую не выдержит ни одна материальная оболочка. 

Где заканчивается атмосфера Земли

Допустим даже невозможное: наш шар каким-то чудом держит объем при нулевой массе оболочки. Но на подступах к Луне нас поджидает финальный капкан. Здесь атмосфера окончательно вырождается в геокорону — призрачный шлейф из чистого атомарного водорода. Возникает чисто химический парадокс: чтобы всплывать в водороде, внутри пузыря обязан находиться газ еще легче водорода. Однако в таблице Менделеева за первым элементом — лишь пустота. Единственный физический лаз — откачать из шара все и поддерживать внутри вакуум. Но такая затея требует сверхпрочного каркаса, чей вес мгновенно ставит крест на любой плавучести.

Цифры же на лунной дистанции и вовсе проваливаются в область сюрреализма. Плотность среды там — ничтожные 0,2 атома на кубический сантиметр. Чтобы вытеснить из этой «пыли» хотя бы 10 кг веса, нашему стратостату пришлось бы раздуться до радиуса в 19 тыс. км. Это, на минутку, три земных радиуса.

Как далеко сможет долететь стратостат

Так почему же мы не в силах «доплыть» до Луны, раз она геометрически не покидает земных пределов? Ответ — в жестком клинче физических принципов. Аэростат по определению — заложник среды, он судорожно ищет в ней точку опоры. Но на высотах за пределами термосферы материя становится настолько разреженной, что перестает существовать как нечто цельное, способное давить на оболочку. На дистанции в 384 тыс. км среднее расстояние между атомами водорода сопоставимо с габаритами самого аппарата. Здесь понятие «плавучести» окончательно теряет физический смысл.

Наш эксперимент лишь подтверждает старую истину: как бы мы ни расширяли границы атмосферы в учебниках, «настоящий космос» остается зоной, где статика пасует. Стратостат неизбежно застрянет в нижних слоях, превратившись в неподвижный памятник закону Архимеда.

Чтобы преодолеть оставшуюся бездну «земного водорода», придется сменить парадигму: отбросить оболочку и набрать первую космическую скорость. Полет к Луне — это всегда баллистика. И никакая протяженность газовой короны не превратит его в неспешное путешествие под куполом аэростата.

На обложке генерация ProКосмос