Смешная идея - коллайдер в реголите

Перефразируя старичка Архимеда, современный конструктор может сказать: "Дайте мне денег и я построю на Луне суперколлайдер!" Но сначала о цифрах, раз уж речь пошла о деньгах. Совокупные мировые военные расходы сегодня составляют порядка 2.4;10;; долларов в год. Большой адронный коллайдер, крупнейший научный прибор в истории человечества, обошёлся примерно в 10;; долларов вместе с детекторами. Проект FCC на 91 километр оценивается в 2;10;; евро. То есть весь ускорительный комплекс поколения целиком стоит около 0.4% одного военного года планеты. Ирония, заключающаяся в том, что научное сообщество не может "наскрести для науки" такой скромный процентик, не устояла бы и секунды, если бы его предметом была не физика, а, скажем, авиация и космонавтика: таких 0.4% там не хватает даже на чай. Но сарказм критиков имеет и техническое основание. Оно серьёзнее финансового: диапазон энергий, который действительно нужен для проверки "тяжёлой суперсимметрии" и массивных тёмных частиц, целиком или частично может лежать выше 100 ТэВ в масштабе элементарных взаимодействий, а циркулярный коллайдер земного масштаба упирается в физику сверхпроводников и в предел бюджета, который политики готовы переварить. Отсюда — планетарный вызов. Попробую сконструировать то, на что светила науки не рискуют даже замахиваться: ускорительное кольцо длиной с экватор Луны.
Для честности: всё нижеследующее — оценки порядка величин, а не "сырая" проектная документация.

Физика места: что даёт экватор Луны.

Экваториальная длина окружности Луны — 10,916 километров, радиус 1,737.4 километра. Это в 409 раз больше кольца БАК. Энергия пучка в кольцевом ускорителе растёт пропорционально произведению радиуса на среднее магнитное поле: удвоил радиус — удвоил энергию при той же технике. Отсюда первый и самый сухой результат, который стоит обсудить пошагово. Берём диполи БАК, среднее поле которых вдоль орбиты около 5.5 тесла. Ставим такие же на лунное кольцо. Энергия пучка вырастает в 409 раз: 7 ТэВ превращаются в 2.9 ПэВ на пучок, то есть около 4 ПэВ в центре масс. Ставим диполи — ниобий-олово на 16 тесла, технология уже существующая. Получаем около 8.3 ПэВ на пучок, 11.8 ПэВ в центре масс. Ставим высокотемпературные сверхпроводники будущего на 20–25 тесла в рабочем поле — 10–13 ПэВ на пучок. Итоговый энергетический фронт лунного коллайдера: от 4 до 18 ПэВ, то есть в 300–800 раз выше БАК, в 3–10 раз выше любого реалистичного ЗЕМНОГО проекта следующего столетия.

Теперь — второе свойство большого радиуса, о котором говорят редко. Синхротронные потери энергии пучком за оборот растут с четвёртой степенью энергии и обратно пропорциональны радиусу. В БАК протон теряет порядка 6.7 кэВ за оборот. На лунном кольце при 3 ПэВ потери составляют доли электронвольта на оборот — то есть практически ноль. Это означает, что не нужны сверхмощные радиочастотные системы компенсации такого масштаба, нет проблемы демпфирования пучка синхротронным излучением, нет нагрева апертур излучением. Большое кольцо энергетически дешевле малого не только в строительстве, но и в эксплуатации на единицу энергии пучка.

Третье свойство — гравитация 1.62 м/с;, в 6 раз слабее земной. Все наземные конструкции ускорителя работают на сжатие и изгиб под собственным весом; лунный портал, криогеника, грузовые шахты могут быть заметно легче. Это мелочь на фоне остального, но она складывается.

Четвёртое — и здесь начинаются проблемы. «Бесплатный вакуум» Луны — миф, который надо похоронить сразу. Поверхностная экзосфера Луны имеет давление порядка 10;; паскаля, а ускоритель требует 10;;–10;;;. Пыль абразивна, электростатически заряжается, взлетает при посадке кораблей и поднимается горизонтальной скоростью — терминаторный эффект. Микрометеориты бомбардируют поверхность без защиты атмосферы. Температурный ход на экваторе от плюс 120 °C днём до минус 170 °C ночью, сутки длятся 29.5 земных суток. Криогенные магниты, сверхточная геодезия кольца и стабильная вакуумная труба на поверхности под таким ударом не живут. Вывод инженерный и однозначный: кольцо должно быть не на поверхности, а в толще грунта на глубине 30-50 метров. Там температура стабильна на уровне минус 20 °C, круглый год, без колебаний; слой реголита толщиной 35 метров над тоннелем гасит микрометеориты, радиацию и большую часть сейсмики; вакуум достигается обычным тепловым откачиванием холодных стенок грунта — и в этом смысле он действительно дешёв, потому что холод стенок естественный, а не созданный холодильными машинами. То есть правильная формулировка: не «вакуум бесплатен», а «стабильность бесплатна глубже 20 метров».

Трасса: как проложить 10,916 километров тоннеля.

Сечение тоннеля (если его делать по традиционной схеме) — порядка 20 м;, диаметр около 5 метров: две вакуумные трубы пучка, криогенный распределительный щит, сервисный коридор, кабельная ниша. Весь объём выемки — примерно 2.1;10; м;, масса изымаемого реголита порядка 3.4;10;; килограммов. Конкретная энергия разрушения реголита и сублегкого базальта микроволновым резцом или механическим проходческим щитом — оценка 10–20 МДж на м;, то есть сама выемка требует всего 1–2 ТВт·ч. Это не много. Дорого другое: крепление, выравнивание, вакуум. Крепление не ввозим: реголит разогревается микроволнами до частичного спекания и напыляется расплавом в гидрофобный керамический купол. Оценка энергии спекания крепления — порядка 20 ТВт·ч на всё кольцо. Подобные величины дают стройку энергетически доступную: суммарное энергопотребление лунной стройплощадки — оценка 10; ТВт·ч, что сопоставимо с неделей потребления современный земной цивилизации. Для наших потомков энергия стройки — вероятно не проблема. Проблема — организация, точность и логистика.

Точность: кольцо 10,916 километров должно быть выверено так, чтобы суммарная геодезическая ошибка орбиты не превышала долей миллиметра. На Луне нет геодезической сети такой плотности. Решение: само кольцо должно строиться как измерительный инструмент — лазерные интерферометры закладываются в тоннель впереди проходки, кольцо выверяется по доступным реперам, а лучевые датчики оставленных в грунте марок в результате создадут сеть, плотнее нынешней земной. Смещение Луны под действием приливов Земли, либрации, термоупругие деформации грунта — всё это измеряется и компенсируется магнитами с подвижными полюсными наконечниками на активных опорах. Сейсмика: лунотрясения слабее земных, магнитуда редко выше 5, но сухая лунная кора звенит, как колокол, а колебления длятся часами. Проходка должна идти через зоны разломов, а не параллельно им; крепление проектируется с демпферами на затухающие, а не на короткие импульсы.

Роботы-проходчики: строительство без людей.

Человек на стройке не нужен будет почти нигде, это ключ к самой возможности строительства и экономике. Требуется экосистема машин шести типов. Первые — проходческие комплексы: вращательный или микроволновый резец, дробилка, пневмотранспорт. Вторые — спекатели: мобильные микроволновые установки, обжигающие купол тоннеля изнутри. Третьи — грузовые шагоходы, таскающие магниты, трубы, кабели из сборочных баз. Четвёртые — сборщики: манипуляторы, монтирующие магниты на активные опоры со съёмными базовыми плитами. Пятые — энергетические станции: солнечные поля и накопители, развёртываемые роботами. Шестые — универсальные роборемонтники, обслуживающие первые пять, имеющие в своём распоряжении профессиональную промышленную 3D-печатную технику - потому что на Луне запчастей из магазина нет.

Принципиальный вопрос — где кончается завоз и начинается местная автономия. Завозить с Земли нужно: электронику, двигатели, сверхпроводник, оптику и прочее. Из местного сырья делается: крепление, балласт, опоры, трубы обычной части, солнечные поля на местном стекле, кабельные лотки, регулировочная механика массового применения. Узкие места: углерод на Луне почти отсутствует — композиты на углеродном волокне придётся заменять базальтовым волокном, которое спекается из расплава реголита и по прочности на сжатие вполне подходит для крепления; ниобия, тантала и меди в лунном реголите в промышленных количествах нет — сверхпроводник и высокотоковую медь придётся ввозить или добывать на астероидах; смазочные материалы и эластомеры в вакууме ведут себя иначе, чем на Земле — это область, где прогнозировать пока сложно...

Масштаб ввоза: суперпроводник. Если пересчитать расход ниобий-титанового провода БАК на длину в 409 раз больше и на поле в 2 раза выше, получается порядка 10; тонн сверхпроводящего композита. Это мировая добыча ниобия за десятилетия. Значит, проект жёстко привязан к технологии железосодержащих высокотемпературных сверхпроводников второго поколения или к астероидной добыче. Это не фатально, но это календарная зависимость: без прорыва в сверхпроводниках лунное кольцо строится из диполей, которых потребуется 3;10;–7;10; штук, и только дешевизна автоматической массовой сборки делает такое количество мыслимым.

Сценарий развёртывания строительства выглядит так. Первый этап десятилетия: доставка с Земли десятков тысяч тонн оборудования электромагнитной катапультой или тяжёлыми носителями; развёртывание сборочной базы в районе экваториальной равнины. Второй этап: роботы строят заводы роботов — не самовоспроизведение, а экспоненциальный рост парка через сборку новых машин из завезённых узлов и местных материалов. Третий этап: кольцевая проходка, ведущаяся сотнями точек одновременно. При темпе каждого проходческого комплекса в 10–30 метров в сутки (земные тоннельные комплексы дают больше на мягких грунтах) 100–300 комплексов закрывают кольцо за 10–30 лет. Это оценка порядка, но не обещание - могут быть непредвиденные ситуации.

Энергетика: солнце, ночь и кольцо как сеть.

Экватор Луны получает 1,361 Вт/м; в пике, средняя за сутки с учётом ночи — порядка 170 Вт/м; на панель с КПД 30%. Для непрерывного гигаватта нужно около 5 км; панелей плюс накопитель на 14.75 суток ночи — 0.34 ТВт·ч на каждый гигаватт непрерывной мощности. Химические батареи на такие масштабы непригодны. Пути три: массивные термохимические накопители на реголите, тяжёлые маховики в вакууме слабого поля. Постепенно появится глобальная энергетическая сеть самого кольца. Последняя идея красива: кольцо на 10,916 километров пересекает все лунные часовые пояса одновременно — солнце всегда светит на какой-то его участок. Если строительство идёт по всей длине параллельно, сеть существует с первых лет. В перспективе лунная энергетика — это термоядерные реакторы или мощная "солярка" с орбитальными зеркалами. Но до их появления накопители обязаны обеспечить начальные работы.

Энергия пучка и её отбор: типичная светимость такого кольца — оценка 10;; см;;·с;;, что на 2 порядка выше БАК, причём длительность работы благодаря отсутствию синхротронных потерь может быть квазинепрерывной, месяцами, с остановками на апгрейд и монтаж оборудования для новых экспериментов. Энергия, запасённая в магнитах, — порядка 10 ТВт·ч на всё кольцо, но она распределена между сотнями тысяч магнитов: аварийный выход из строя одного магнита локален, разрядка всего кольца регулируема. Это большая, но не фантастическая система хранения — сопоставимая с несколькими днями потребления средней страны.

Что физически там искать?

Здесь надо снять иллюзию "по другую сторону проекта". Даже 18 ПэВ в центре масс — это 1.8;10;; электронвольт. Космические лучи сверхвысоких энергий доходят до 10;; электронвольт — в 5,000–25,000 раз выше. Тезис о недостижимости природных энергетик остаётся верным в полном объёме, и добавлю от себя количественно: чтобы кольцо на 16 теслах дало 10;; электронвольт, его радиус должен был бы составить порядка 2;10;; метров, то есть в 5 раз превышать радиус орбиты Плутона. Такое кольцо — это уже не инженерный проект, а астроинженерия, перестройка Солнечной системы. Никакая цивилизация первого типа на это не способна, и это почти успокаивающий ответ: энергетика природных катаклизмов останется недостижимой всегда, если не считать экзотических сценариев с искусственными микрочёрными дырами, где коллайдер вообще не нужен.

Но вторая половина популярного тезиса — «изучать высокоэнергетические частицы и космические лучи от удалённых объектов принципиально невозможно из-за их редкости и недолговечности» — как раз аргумент за коллайдер. Космический луч с энергией 10;; электронвольт приходит один на квадратный километр в столетие, несёт неизвестное ядро, взаимодействует один раз, продукты разлетаются в неизвестные стороны. Лунный коллайдер даёт обратное: 10;;–10;; взаимодействий в секунду, идентифицированные частицы - протоны или ядра, фиксированная геометрия, детекторы по всей длине взаимодействия. На энергиях 4–18 ПэВ впервые становится возможным калибровка моделей сильных взаимодействий в том энергетическом диапазоне, где происходят ливни космических лучей — сегодня анализ данных обсерваторий Пьера Оже и телескопа «Телескопный массив» упирается в модели адронных взаимодействий, не проверенные выше 10;; электронвольт в лаборатории. Лунный коллайдер способен перескочить эту границу на 2 порядка.

Что касается тяжёлой суперсимметрии и тёмных частиц: диапазон 4–18 ПэВ прямо ищет резонансы и парное рождение до масс порядка нескольких ПэВ, а чувствительность к виртуальным поправкам — до 10–100 ПэВ и выше. Если тяжёлые частицы существуют в этом массовом окне, лунное кольцо найдёт их за годы, а не за столетия. Если не существуют — кольцо выдаст нуль-результат высочайшей статистической силы. Этот нуль будет таким же знанием, как открытие: он закроет окно, в котором сегодня помещаются сотни теоретических работ. Наука без нуль-результатов — не наука, а лотерея.

Отдельно — интенсивный фронт. Выведенный пучок 3–10 ПэВ, упирающийся в мишень, даёт поток вторичных частиц, недостижимый никаким другим способом: пучки нейтрино с заданной энергетикой, редчайшие распады каонов и гиперонов, поиски нарушений симметрии при статистике в 10–100 раз выше земных проектов. То же кольцо при пониженном поле может работать как фабрика хиггсов, Z-бозонов и пар топ-кварков, а прямая трасса внутри кольца оставляет место будущему мюонному коллайдеру.

Прогноз: когда запускаем и возможно ли вообще?

Реально существует последовательность технологических "ворот", но не дат. Ворота первые: автономные роботы для горных работ, исправно работающие годами без человека (земная промышленность к этому близка), оценка 20–40 лет. Вторые: дешёвый вывод массы на орбиту и электромагнитная доставка к Луне менее 1,000 долларов за килограмм. Экстраполяция частного сектора даёт 30–80 лет с нынешнего уровня. Третьи: магниты на 20 тесла в серии и железосодержащие высокотемпературные сверхпроводящие материалы — непредсказуемо, маркирую как неизвестное: прорыв может случиться через 10 лет, может через 100. Четвёртые: закрытый цикл роботизированной металлургии и керамики на местном сырье — 50–150 лет исследований. Пятое: термояд или эквивалентная базовая мощность вне Земли —  пока публике неизвестно и засекречено. Складывание этих "ворот" без учёта политики даёт первую проходку тоннеля не раньше XXII века, уверенную работу ускорителя — XXIII столетие. С учётом условия возобладания разума у политиков и исключения милитаристских расходов в масштабах планеты финансовые ворота снимаются полностью: при нулевых милитаристских расходах бюджет порядка 10;;–10;; долларов, который иначе шёл бы на войну, доступен ежегодно, а проект в миллион раз дороже БАК укладывается в десятилетия мирового ВВП. Но подчеркну: при нынешних технологиях цена не просто велика, она не выражается деньгами — деньги здесь не лимитирующий ресурс, лимитируют "ворота" - масса завоза, мегаватты и машинные часы. Поэтому «разум политиков» необходимое, но недостаточное условие. Достаточное — ещё и технологическая зрелость.

Предварительное условие.

Прежде, чем начинать реальные действия по строительству, необходимо идеально проработать цифровой двойник кольца. Логика и взаимодействие технологических процессов и оборудования должна предварительно построиться вместе с тоннелем виртуально. Интерферометрия должна идти впереди проходки, а каждый метр трассы вносится в модель до укладки магнитов. Противоречие «авария в одном магните останавливает всё кольцо» снимается приёмом «предварительная подушка»: секционирование орбиты на сотни независимых криогенных и вакуумных сегментов с быстрыми отсекателями. Противоречие «человеку там опасно и дорого» снимается приёмом «посредник»: посредником является полностью автономный парк, человек присутствует как оператор на Земле с задержкой сигнала 1.3 секунды, что для медленной проходки не мешает.

Аргументы против.

Приведу возражения против проекта в сильнейшей форме. Первое: на те же деньги на Земле можно построить десятки фабрик сверхпроводников и решить десятки земных сверхзадач, суммарная научная отдача которых будет выше, чем от одного мегаприбора на Луне. Второе: лунная инфраструктура в уязвимости от катастроф равна самой большой из возможных целей — один крупный удар по кольцу - и столетние работы останавливаются. Третье: наука, привязанная к космическим масштабам, перестаёт быть наукой и становится имперской архитектурой, со всеми рисками застревания на промежуточных стадиях. Четвёртое: экстраполяция любого из пяти технологических ворот может не сработать, тогда кольцо никогда не наберёт энергию. Пятое: физика может оказаться такой, что энергетический фронт вообще не нужен для следующих открытий — приоритет сместится на точность виртуального моделирования, квантовые вычисления в теории поля, космологию наблюдений; коллайдеры станут такими же реликтами, как тяжёлые линейные ускорители эпохи СССР.

Взвешивание: первое возражение верно сегодня и теряет силу именно при условии «разума политиков», поскольку деньги перестают быть нулевой суммой. Второе реально, но туннель в грунте переживает удар лучше любой наземной структуры. Третье — философски верно и относится ко всей космической инфраструктуре вообще, то есть является аргументом о том, быть или не быть цивилизации второго типа, а не о коллайдере. Четвёртое — главный риск, который честно признан. Пятое — непроверяемо, но симметрично: если физика упрётся в энергетический фронт, альтернатив нет.

Выводы: конструктор я или где?

Отвечаю предметно: конструктором будущего оказывается не человек и даже не команда, а вся цивилизация, поскольку "ворота" проекта выходят из границ одного поколения. Человечество, перенаправившее ресурсы войны на структуры знания, должно параллельно решить ещё и задачу биологического бессмертия, чтобы начавшие строительство смогли его закончить. Коллайдер — то, что методологи шкалы Кардашева назвали бы первым шагом за пределы типа 0.73, в котором мы сейчас находимся. Достичь единицы невозможно без отказа строить приборы для уничтожения себя же.