Топ-100 Космический парус

Космический парус

Ограниченные возможности

Альфа ЦентавраКак же нам достичь звезд, хоть одним глазком посмотреть на соседние миры? Один из ответов предлагается астрофизиком Карлом Любиным (Калифорнийский университет, Санта Барбара). В своей статье, опубликованной на сайте arXiv.org, он констатирует ограниченные возможности современных ракетных двигателей, мы словно пытаемся плыть со связанными ногами.

Рекорд дальности на данный момент принадлежит АМС Voyager 1, она уже покинула Солнечную систему. За 40 лет полета она улетела от Земли более чем на 18 световых часов, до ближайшей звезды станция доберется только через 40 тысяч лет. Сегодняшние технологии позволяют превысить скорость Вояджеров лишь в три - четыре раза.

Для освоения межзвездного пространства нужен новый подход. В реактивном двигателе рабочим телом является топливо, на него приходится до 90 % массы ракеты - носителя, что крайне неэффективно, ведь большая часть развиваемой тяги тратится на подъем самого топлива, а не полезной нагрузки.

Альтернативным вариантом является использование внешнего источника тяги. И тут идеально подходит солнечный парус: сталкиваясь с поверхностью паруса фотоны (кванты электромагнитного излучения) придают ему небольшое ускорение. Поскольку сила трения в вакууме отсутствует, со временем зонд с солнечным парусом разовьет большую скорость.

Под парусом в космосе

Пример орбитальной лазерной системыПринцип работы лазерного паруса в проекте Любина такой же, но источником света будет выступать группировка лазеров общей площадью примерно с Манхеттен, собранная на орбите Земли, с помощью которых можно будет разогнать миниатюрный космический зонд до релятивистской скорости (скорости, сравнимой со скоростью света). На первый взгляд это выглядит фантастично, но под предложением Любина и его коллег есть твердое основание из современной науки и достижений техники.

Предлагается использовать модульные массивы синхронизированных высокомощных лазеров с общим источником питания, при такой схеме отпадает необходимость в создании одного супермощного устройства. Аналогичная система уже создана компанией Lockheed Martin. В марте 2015 года ей была продемонстрирована лазерная пушка мощностью 30 кВт, способная прожечь отверстие в металлическом корпусе автомобиля, а к октябрю мощность устройства выросла до 60 кВт. Система из двух таких лазеров позволяет увеличить мощность еще в два раза. Такую систему в команде Любина называют DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and ExploRation), добавляя к аббревиатуре коэффициент, обозначающий площадь лазерного массива.

Соответствие между размерами массива, массой корабля и развиваемой им скоростьюDE-STAR-1, самая слабая система, является массивом лазерных установок площадью 100 кв. метров, по мощности она сопоставима со сдвоенным лазером Lockheed Martin. Самой сильной является DE-STAR-4, с общей площадью установки 100 кв. километров и развиваемой мощностью 70 гигаВт. Такие размеры массива нужны для получении заданной длины волны и достижения релятивистских скоростей.

Оптимальное место для размещения такого массива — орбита Земли, что уменьшит рассеивание излучения и предотвратит нагрев атмосферы. По предложению Любина сборка массива начнется на Земле и будет продолжена уже на орбите. С помощью системы DE-STAR-4 миниатюрный аппарат CubeSat достигнет Марса за 8 часов, а полноценный космический корабль массой 10 тонн долетит туда за месяц, тогда как путешествие  на ракетной тяге займет 6 – 8 месяцев. Масса такой группировки превысит массу МКС примерно в сто раз (а она весит 420 тонн), и хотя это кажется титанической задачей, технологически это осуществимо.

Потенциально обитаемые экзопланеты (в квадратных скобках указан индекс подобия Земле)Аппарат CubeSat, по стандартам весящий 1,33 кг, долетит до Марса примерно за 8 часов, развив скорость в два процента от световой, но полет к α Центавра с такой скоростью займет 200 лет. Поэтому Филипом Любиным предложена концепция микроэлектронных космических аппаратов. Каждый из них весит всего несколько граммов и имеет небольшой лазерный парус для полета и поддержания связи с Землей.  

Такой зонд будет состоять из элементов нанофотоники, миниатюрного радиоизотопного термоэлектрического генератора с мощностью 1 Вт, двигателей для коррекции движения, тонкопленочных суперконденсаторов и камеры. Приводить его в движение будет круглый лазерный парус диаметром один метр. Система DE-STAR-4 разгонит такой аппарат примерно до 1\4 скорости света всего за 10 минут, этого будет достаточно для достижения α Центавра через 15 лет. Массив лазеров на орбите Земли должен быть для миниатюрных зондов гигантским приемником – передатчиком. Скорость передачи данных у такого зонда может доходить до 10 кбит в секунду.

Звезды и экзопланеты на расстоянии 25 световых лет от СолнцаПри успешной реализации такого проекта встанет вопрос о применении этой технологии и при исследованиях в Солнечной системе. Размещение массивов лазерных установок не только на орбите планеты, но и в некоторых ключевых местах позволит исследовать пространство за Нептуном, например, пояс Койпера и облако Оорта. Также очень важным для науки будет возможное достижение фокуса гравитационной линзы Солнца, находящемуся в 500 – 700 астрономических единиц от него. Благодаря гравитационному линзированию экзопланета, находящаяся в ста световых годах от нашего светила, будет видна с разрешением один пиксель на километр.

Если эти планы осуществятся, то мы, без сомнения, вступим в новую эпоху Великих географических открытий.