Межзвёздный газ: проблема или возможность?

Межзвёздные перелёты будут происходить не в полном вакууме. В космосе имеется межзвёздный газ, плотность которого различается: от 0,1 атома на кубический сантиметр в межоблачных зонах до десятков и тысяч атомов на кубический сантиметр в молекулярных облаках. Газ состоит из разных элементов, причём примерно 1% его составляет пыль, то есть крошечные частицы твёрдого вещества.

Чаще всего корабль будет лететь через межоблачное пространство. Это значит, что 1 квадратный метр корабля, летящего с околосветовой скоростью, будут в секунду бомбить примерно 30 триллионов атомов газа и 0,03 пылинки. Если считать, что площадь поверхности корабля, на который набегает этот весёленький поток, составляет скромные 10 квадратных метров, получаем уже 0,3 пылинки в секунду.

Даже если не учитывать релятивистские эффекты, пылинка массой 0,00000023 мг, летящая со скоростью 300000 км/с, имеет такую же кинетическую энергию, как 40 пуль массой 8 г, летящих со скоростью 250 м/с (это обычная масса и скорость для пули). То есть эффект будет такой же, как если бы в корабль каждые 3 секунды попадали 40 пуль.

В общем, понятно, что без защитного экрана кораблю не обойтись. Стандартная толщина брони против пуль - 40 мм, но нам-то нужно, чтобы броня выдерживала попадание пылинок не 1 раз, а в течение нескольких лет путешествия - каждые 3 секунды по 1 попаданию - поэтому надо толщину увеличить хотя бы в 10 раз - до 40 см. Если учесть, что плотность железа - 8 г/см^3, получим защитный лист массой 800 кг. Но 10 квадратных метров - это довольно низкая оценка для поперечного сечения корабля - скорее всего, щит придётся увеличить ещё в несколько раз.

Теперь понятно, почему оценка полезной массы корабля в 10 тонн была совсем не завышенной?

Впрочем, импульс пылинок, в отличие от их энергии, будет крошечный, поэтому можно не бояться, что они серьёзно замедлят корабль. Бояться можно только того, что они нанесут кораблю ущерб.

Но, возможно, межзвёздный газ может принести какую-то пользу? Почему нельзя использовать его как рабочее тело? Есть же прямоточные реактивные двигатели, которые засасывают воздух и его же выбрасывают из сопла в качестве рабочего тела. Почему бы не использовать такую же фишку с межзвёздным газом?

Эта идея популярна у писателей-фантастов, но, увы, не сработает. Простой расчёт показывает: чтобы получать так 1 грамм водорода в секунду, нужен уловитель размером 1000 квадратных километров. Этот уловитель тоже будет подвергаться бомбардировке пылью, его тоже надо будет защищать от пыли... в общем, понятно, сколько будет весить эта конструкция, и понятно, что 1 грамма топлива в секунду на её разгон или торможение не хватит.

Можно воспользоваться тем, что большая часть межзвёздного газа - ионизированная, и попробовать отклонять его в сторону засасывателя с помощью магнитного поля. Но для отклонения в сторону ионов, несущихся на тебя с околосветовой скоростью, нужно очень мощное магнитное поле, и всё равно они, пока несутся, успеют лишь незначительно отклониться в сторону. То есть засасывание с помощью магнитного поля на такой скорости не сработает.

Кстати, по этой же причине не сработает магнитное поле в качестве защиты (а ещё потому, что отнюдь не весь газ и пыль ионизированы, а на их ионизацию, пока они на тебя несутся, времени тоже не будет).

Впрочем, проект двигателя на межзвёздном газе уже разрабатывался: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%B6%D0%B7%D0%B2%D1%91%D0%B7%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%91%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B0%D1%80%D0%B4%D0%B0 Но там до околосветовой скорости даже не планируют разгонять - максимум до 1/10 скорости света. Это не какие-то ограничения современных технологий, а принципиальная ограниченность производства энергии, вытекающая из законов физики. При этом логично замечено, что набегающий поток частиц будет не только помогать кораблю разгоняться, но и тормозить его.

В общем, "прямоточный двигатель на межзвёздном газе" - прикольная идея для фантастических книжек, но в реальности не прокатит.

Но есть таки польза от мёжзвёздного газа: его можно использовать для торможения. Для этого достаточно развернуть широкий тонкий “антипарус” размером в несколько десятков квадратных километров. На околосветовой скорости на него будут попадать всего лишь десятки миллиграмм газа в секунду, но их импульса достаточно, чтобы начать тормозить 10-тонный корабль с ускорением около 1g.

Правда, “антипарус” будет со временем уничтожен пылью, проделывающей в нём множество дырок. Но “антипарус” всё равно одноразовый, его не жалко.