Зі сказаного випливає, що відхилити налітають частинки міжзоряного середовища не вийде, і зорельота доведеться приймати їх своїм корпусом. Це призводить до деяких вимог до конструкції зорельота: попереду нього повинен знаходитися екран (наприклад, у вигляді конічної кришки), який буде захищати основний корпус від впливу космічних частинок і випромінювань. А за екраном повинен перебувати радіатор, що відводить тепло від екрану (і одночасно службовець вторинним екраном), прикріплений до основного корпусу зорельота термоизолирующими балками. Необхідність такої конструкції пояснюється тим, що налітають атоми мають велику кінетичну енергію, вони будуть глибоко впроваджуватися в екран і, не розуміючи в ньому, розсіювати цю енергію у вигляді теплоти. Наприклад, при швидкості польоту 0,75 з енергія протона водню буде приблизно 500 МеВ - в одиницях ядерної фізики, що відповідає 8 · 10 -11 Дж. Він буде впроваджуватися в екран на глибину кількох міліметрів і передасть цю енергію коливань атомів екрану. А таких частинок буде налітати близько 2 × 10 10 атомів і стільки ж молекул водню в секунду на 1 см 2, тобто кожну секунду на 1 см 2 поверхні екрану буде надходити 4.8 Дж енергії, що переходить в теплоту. А проблема в тому, що в космосі відводити цю теплоту можна тільки шляхом випромінювання електромагнітних хвиль в навколишній простір (повітря і води там немає). Це означає, що екран буде нагріватися до тих пір, поки його теплове електромагнітне випромінювання не зрівняється з надходить від налітають частинок потужністю. Теплове випромінювання тілом електромагнітної енергії визначається законом Стефана-Больцмана, згідно з яким енергія, яку випромінює за секунду з 1 см 2 поверхні дорівнює q = S т 4 де s = 5.67 · 10 -12 Дж / см 2 До 4-постійна Стефана, а Т - температура поверхні тіла. Умовою встановлення рівноваги буде Sт 4 = Q де Q - надходить потужність, тобто температура екрану буде Т = (Q / s) 1/4. Підставляючи в цю формулу відповідні значення, знайдемо, що екран буде нагріватися до температури 959 про К = 686 о С. Зрозуміло, що при великих швидкостях ця температура буде ще вище. Це означає, наприклад, що екран не можна робити з алюмінію (його температура плавлення всього 660 о С), і його потрібно термоізолювати від основного корпусу зорельота - інакше будуть неприпустимо грітися житлові відсіки. А для полегшення теплового режиму екрану до нього необхідно приєднати радіатор з великою поверхнею випромінювання (можна з алюмінію), наприклад у вигляді клітинної системи поздовжніх і поперечних ребер, при цьому поперечні ребра будуть одночасно виконувати функцію вторинних екранів, захищаючи житлові відсіки від осколків і гальмівного випромінювання потрапляють в екран частинок і т.п.
Але захист від атомів і молекул - не головна проблема міжзоряного польоту. Астрономи, спостерігаючи поглинання світла від зірок, встановили, що в міжзоряному просторі є значна кількість пилу. Такі частинки, сильно розсіюють і поглинають світло, мають розміри 0.1-1 мікрон і масу близько 10 -13 г, а їх концентрація набагато меншою концентрації атомів і дорівнює приблизно r = 10 -12 1 / см 3 Судячи з їх щільності (1 г / см 3) і показником заломлення (n = 1.3) вони являють собою в основному снігові грудочки, що складаються з змерзлих космічних газів (водню, води, метану, аміаку) з домішкою твердих вуглецевих і металевих частинок. Мабуть, саме з них утворюються ядра комет, які мають такий же склад. І хоча це повинні бути досить пухкі освіти, при близькосвітлових швидкостях вони можуть завдати великої шкоди.
При таких швидкостях починають сильно проявлятися релятивістські ефекти, і кінетична енергія тіла в релятивістській області визначається виразом
Як видно, енергія тіла різко зростає з наближенням v до швидкості світла c: Так, при швидкості 0.7 з порошинка з m = 10 -13 г має кінетичну енергію 3.59 Дж (див. Таблицю 1) і попадання її в екран еквівалентно вибуху в ньому приблизно 1 мг тротилу. При швидкості 0.99 з ця порошинка буде мати енергію 54.7 Дж, що порівнянно з енергією кулі, випущеної з пістолета Макарова (80 Дж). При таких швидкостях вийде, що кожен квадратний сантиметр поверхні екрану безперервно обстрілюється кулями (причому розривними) з частотою 12 пострілів в хвилину. Ясно, що ніякої екран не витримає такого впливу на протязі декількох років польоту.
Таблиця 1 Енергетичні співвідношення
Позначення: Ер - кінетична енергія протона в МеВ К - кінетична енергія 1 Кг речовини в Дж Т - тротиловий еквівалент кілограма в тоннах тротилу.
Для оцінки наслідків удару частинки в поверхню можна використовувати формулу, запропоновану фахівцем з цих питань Ф.Уіпплом ([13], стор.134), згідно з якою розміри кратера рівні
де d - щільність речовини екрана, Q - його теплота плавлення.
Але тут то потрібно мати на увазі, що насправді ми не знаємо, як порошинки будуть впливати на матеріал екрану при таких швидкостях. Ця формула справедлива для невеликих швидкостей удару (близько 50 км / с і менше), а при оклосветових швидкостях впливу фізичні процеси удару і вибуху повинні протікати зовсім інакше і набагато інтенсивніше. Можна тільки припускати, що в силу релятивістських ефектів і великий інерції матеріалу порошинки вибух буде спрямований вглиб екрану, по типу кумулятивного вибуху, і призведе до утворення набагато більш глибокого кратера. Наведена формула відображає загальні енергетичні співвідношення, і ми допустимо, що вона годиться для оцінки результатів удару і для близькосвітлових швидкостей.
Певне, найкращим матеріалом для екрану є титан (в силу його невеликій щільності і фізичних характеристик), для нього d = 4.5 г / см 3. а Q = 315 кДж / кг, що дає
При v = 0.1 c отримаємо Е = 0.045 Дж і d = 0,00126 · 0.356 = 0.000448 м = 0.45 мм. Легко знайти, що пройшовши шлях в 1 світловий рік, екран зорельота зустріне n = rs = 10 -12 · 9.46 · 10 17 = 10 6 пилинок на кожен см 2, і кожні 500 пилинок сроют шар 0.448 мм екрану. Значить, після 1 світлового року шляху екран буде стертий на товщину 90 см. Звідси випливає, що для польоту на таких швидкостях скажімо, до Проксіма Центавра (тільки туди) екран повинен мати товщину приблизно 5 метрів і масу близько 2.25 тисячі тонн. При великих швидкостях справи виглядатимуть ще гірше:
Таблиця 2 Товщина Х титану, переться за 1 світловий рік шляху
Як видно, при v / c> 0.1 екран повинен буде мати неприйнятну товщину (десятки і сотні метрів) і масу (сотні тисяч тонн). Власне, тоді зореліт буде складатися в основному з цього екрану і палива, якого потрібно кілька мільйонів тонн. В силу цих обставин польоти на таких швидкостях неможливі.
Розглянуте абразивну дію космічного пилу насправді не вичерпує всього спектру впливів, яким піддасться зореліт під час міжзоряного польоту. Очевидно, що в міжзоряному просторі є не тільки порошинки, а й тіла інших розмірів і мас, однак астрономи не можуть безпосередньо спостерігати їх через те, що хоча їх розміри більше, але самих їх менше, так що вони не дають відчутного вкладу в поглинання світла зірок (розглянуті раніше пилинки мають розмір порядку довжини хвилі видимого світла і тому сильно його поглинають і розсіюють, і їх досить багато, тому астрономи в основному їх і спостерігають).
Але про тілах в далекому космосі можна отримати уявлення по тим тілам, які ми спостерігаємо в сонячній системі, в тому числі поблизу Землі. Адже, як показують виміри, сонячна система рухається щодо сусідніх зірок приблизно в напрямку Веги зі швидкістю 15.5 км / с, а значить, вона кожну секунду замітає всі нові і нові обсяги космічного простору разом з його вмістом. Звичайно, не всі поблизу Сонця прийшло ззовні, багато тіл спочатку є елементами сонячної системи (планети, астероїди, багато метеорні потоки). Але астрономи не раз спостерігали наприклад, політ деяких комет, які прилетіли з міжзоряного простору і туди ж полетіли. Значить, там є і дуже великі тіла (масою в мільйони і мільярди тонн), але вони зустрічаються дуже рідко. Зрозуміло, що там можуть зустрітися тіла практично будь-яких мас, але з різною ймовірністю. І щоб оцінити ймовірність зустрічі з різними тілами в міжзоряному просторі нам потрібно знайти розподіл таких тіл за масам.
Перш за все потрібно знати, що відбувається з тілами коли вони знаходяться в сонячній системі. Це питання добре вивчений астрофізиками [8], і вони знайшли, що час життя не надто великих тел в сонячній системі дуже обмежена. Так, дрібні частинки і пилинки з масами менше 10 -12 г просто виштовхуються за межі сонячної системи потоками світла і протонів від Сонця (що видно по хвостах комет). Для більших частинок результат виявляється зворотним: в результаті так званого ефекту Пойнтінга-Робертсона вони падають на Сонце, поступово опускаючись до нього по спіралі за час порядку декількох десятків тисяч років.
Це означає, що спостерігаються в сонячній системі спорадичні частки і мікрометеорити (що не відносяться до її власним метеорних потоків) потрапили в неї з навколишнього космосу, так як її власні частки такого типу давно зникли. Тому шукану залежність можна знайти за спостереженнями спорадичних частинок в самій сонячній системі. Такі спостереження давно ведуться, і дослідники прийшли до висновку ([12], [13]), що закон розподілу космічних тіл по масах має вигляд N (M) = N0 / Mi Безпосередні виміри для спорадичних метеорів в інтервалі мас від 10 -3 до 10 2 г ([13], стор.127) дають для щільності потоку метеорів з масою більше М грам залежність
Найбільш достовірні результати з цього питання отримані за вимірюваннями мікрократерів, що утворилися на поверхнях космічних апаратів ([12], стор.195), вони теж дають k = 1.1 в інтервалі мас від 10 -6 до 10 5 м Для менших мас залишається припускати, що цей розподіл виконується і для них. Для величини потоку частинок масивніше 1 г різні виміри дають значення 10 -15 -14 1 / м 2 с, і оскільки величина потоку пов'язана з просторовою щільністю тел співвідношенням Ф = rv. то звідси можна знайти, що концентрація в космосі тіл з масою більше М дається формулою