Астрофізик представив план польоту на альфу Центавра
Наука і техніка
Астрофізик представив план польоту на альфу Центавра
09:00 13.04.2016
531
Розповісти друзям

Астрофізик Філіп Любін з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі (США) опублікував на сайті arXiv.org препринт під назвою «Дорожня карта міжзоряного польоту». У статті констатовано обмеженість сучасних ракетних силових установок в можливості дослідження околиць Сонячної системи і прилеглих зірок. Пропонована Любіном програма дозволяє за сучасних технологічних можливостей відправити автоматичну станцію кα Центавра.

Очолюваний вченим проект DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) в 2015-му році підтриманий Інститутом передових досліджень НАСА.

Як послати техногенний зонд до найближчої до Сонця зірки (α Центавра)? Відповідь, пропонований Любіном, здається простою: необхідно зібрати на навколоземній орбіті угруповання лазерів загальною площею розміром з Манхеттен (район і однойменний острів в місті Нью-Йорку, США) і використовувати її для розгону мініатюрних космічних зондів до релятивістських швидкостей (тобто швидкостей, порівнянних зі швидкістю світла, яка дорівнює в вакуумі приблизно 300 тисячам кілометрів в секунду). Незважаючи на гадану фантастичність, пропозиція Любина і його колег спирається на сучасну науку і знаходиться в рамках технологічних можливостей людини.

Ідея лазерного вітрила виникла в 1970-х роках. Інші альтернативні способи переміщення в космічному просторі припускають використання ядерного і іонного двигунів. Про перший недавно висловився глава держкорпорації Росатом Сергій Кирієнко, на другому вже давно літають міжпланетні станції і здійснюють маневри супутники.

Проблема пального

У 1903-му році брати Райт здійснили перший політ на літаку. Через 66 років Ніл Армстронг вперше ступив на поверхню Місяця. Ще через 66 років, в 2035-му році, НАСА планує висадити першу людину на Марс. На думку Любина, освоєння міжзоряного простору вимагає переосмислення сучасної технології руху ракет і зондів. У ракетах паливо використовується в якості робочого тіла: єдиний спосіб носію вивести космічний апарат на орбіту полягає в прискореному русі вперед за рахунок викидання палива назад так швидко, як тільки це можливо. В космічних ракетах більше 90-а відсотків маси носія доводиться на паливо. Це вкрай неефективно, оскільки велика частина ракетної тяги йде на підйом палива, а не корисного навантаження.

На сьогодні далі за інші космічні зонди полетів від Землі Voyager 1, він єдиний досяг міжзоряного простору. У 2017-му році виповниться 40 років з того дня, коли він покинув планету. За цей час апарат виявився на відстані більше 18-и світлових годин від Землі (стільки часу потрібно світла, щоб пройти відстань від планети до апарату). У тому випадку, якщо розрахунки вірні і з Voyager 1 нічого не трапиться, найближчої зірки станція досягне через 40 тисяч років. Вчені з Інституту космічних досліджень Кека (США) показали, що зонди для освоєння далекого космосу, побудовані сьогодні, змогли б перевищити швидкість Voyager 1 в три-чотири рази. Любін робить висновок, що якщо людина коли-небудь і зможе дістатися до іншої зірки, це напевно відбудеться не за рахунок спалювання палива.

Масив лазерів

Альтернативою перевозимому разом з корисним навантаженням паливу Любін називається зовнішнє джерело тяги. Використання сонячних вітрил є хорошим прикладом такого роду руху: фотони (кванти електромагнітного випромінювання) несуть імпульс, і при зіткненні з поверхнею дзеркала, як випливає з законів збереження, передають йому кількість руху. З плином часу космічний зонд на сонячних вітрилах за рахунок невеликого тиску сонячного світла здатний розвинути досить високу швидкість.

Приклад орбітальної лазерної системи. Зображення: UCSB / Physics Department

Пропоновані Любіним лазерні вітрила будуть працювати за таким же принципом, за винятком того, що світло буде чинити не Сонце, а набагато більш потужне джерело — масив лазерів на Землі або орбіті планети. За рахунок точного фокусування і синхронізації роботи системи лазерні вітрила можуть отримати в сто тисяч разів більше енергії, ніж від світила, і дозволять космічному апарату розвинути величезні швидкості. На перший погляд розміщення такого потужного лазера на навколоземній орбіті здається нездійсненним завданням, однак команда Любина прийшла до висновку, що вже сьогодні така технологія існує.

З фантастики в реальність

Рішення полягає в використанні модульних масивів синхронно працюючих надпотужних лазерів, що живляться загальним джерелом. Модульність усуває необхідність створення одного величезного лазера і замість цього передбачає розгортання керованої системи з декількох пристроїв, що живиться одним або декількома лазерами та відносно невеликими кількостями енергії. Аналогічну систему вже створила Lockheed Martin: в березні 2015-го року компанія продемонструвала лазерну гармату потужністю 30 кіловат, яка змогла пропалити металевий корпус автомобіля. До жовтня потужність зброї досягла 60-ікіловатт. Настроювана модульна система з двох таких гармат дозволяє збільшити потужність ще вдвічі.

Команда Любіна називає свою модульну систему DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and ExploRation), додаючи до абревіатурі коефіцієнт, що позначає площу лазерного масиву. Найслабша в такій класифікації система DE-STAR-1 являє собою масив лазерів площею сто квадратних метрів — за потужністю його можна порівняти з двухмодульною гарматою Lockheed Martin. Найсильнішою є DE-STAR-4 — вона займає загальну площу сто квадратних кілометрів і розвиває потужність 70 гігават.

Використовуваний Любіном масштаб пояснюється фізичними вимогами, що накладаються на розміри масиву довжиною хвилі лазера і необхідністю досягнення близькосвітлових швидкостей.

Соответствие между размерами массива, массой корабля и развиваемой им скоростью

Відповідність між розмірами масиву, масою корабля і розвивається їм швидкістю
Зображення: UCSB / Physics Department

Найбільш оптимальним розташуванням масиву вважається навколоземна орбіта, оскільки атмосфера розсіює лазерне випромінювання і нагрівається від нього. Навіть невелика система, що розташовується на Землі, дозволить повідомити надмалим апаратам типу CubeSat (об'ємом близько літра і масою близько кілограма) другу космічну швидкість (тобто зробити їх супутниками не Землі, а Сонця). Любін пропонує розпочати складання масиву з невеликих модулів на Землі і потім продовжити його зведення на навколоземній орбіті.
Система DE-STAR-4 здатна генерувати тягу, достатню для відправки до Марсу CubeSat за вісім годин або космічного корабля масою десять тонн за місяць (сучасні ракети дозволяють це зробити за шість-вісім місяців). Оцінки показують, що навколоземне угруповання DE-STAR-4 буде приблизно в сто разів важче Міжнародної космічної станції (яка має масу приблизно 420 тонн). Створення системи є технологічно здійсненним завданням. Головні труднощі в розгортанні модульного масиву лазерів полягають в проблемах з виведенням на навколоземну орбіту такого важкого корисного навантаження.

На межі

Апарат CubeSat досягне Марса за вісім годин, рухаючись зі швидкістю, що дорівнює приблизно двом відсоткам від швидкості світла. Це набагато вище можливості використовуваної сьогодні людиною техніки. Проте з такою швидкістю α Центавра апарат досягне за 200 років. Для того щоб космічні апарати більш значних розмірів досягли найближчої до Сонця зірки за кілька років, їх конструкція повинна бути радикально переглянута.

Потенциально обитаемые экзопланеты (в квадратных скобках указан индекс подобия Земле)

Потенційно населені екзопланети (в квадратних дужках вказано індекс подібності Землі). Зображення: PHL @ UPR Arecibo

З цією метою Любін розробив концепцію мікроелектронних космічних апаратів, кожен з яких має масу по кілька грамів і оснащений невеликим лазерним вітрилом, необхідним для приведення його в рух і здійснення телекомунікації. Астрофізик вважає, що фотонна технологія допускає масштабування до практично будь-яких розмірів, проте в даний час для тестування технології найпростіше використовувати мініатюрні космічні апарати.

Типовий мініатюрний зонд, призначений для міжзоряних перельотів, повинен містити в собі елементи нанофотоніки, мініатюрний радіоізотопний термоелектричний генератор потужністю один ват, нанодвігателі для коригування руху, тонкоплівкові суперконденсатори для зберігання енергії і невелику камеру. Діаметр круглого лазерного вітрила такого апарату складе один метр. Система DE-STAR-4, розвиваюча потужність 70 гігават, зможе розігнати такий апарат до швидкості, що дорівнює приблизно чверті швидкості світла, за десять хвилин. Цього достатньо, щоб мініатюрний рукотворний зонд досяг α Центавра за 15 років.

Звезды и экзопланеты на расстоянии 25 световых лет от Солнца

Зірки і екзопланети на відстані 25 світлових років від Сонця. Зображення: NASA / Goddard / Adler / U.Chicago / Wesleyan

У цьому проекті навколоземний масив лазерів виступатиме як гігантський приймач і передавач даних на мініатюрний зонд, який зможе передавати на планету дані і зображення. Доцільніше передавати дані в пакетному режимі, коли зонд накопичив достатньо енергії. Система потужністю один ват при використанні лазерного вітрила діаметром один метр здатна передавати на Землю близько ста кілобіт даних в секунду.

До зірок

Масиви лазерів можна розміщувати не тільки на навколоземній орбіті, а й на ключових позиціях у Сонячній системі. Це дозволить створювати дешеві і невеликі модулі, призначені для дослідження простору за орбітою Нептуна, зокрема, пояса Койпера, хмари Оорта і міжзоряного середовища. Фізично цікавим виглядає розміщення масиву в фокусі гравітаційної лінзи Сонця, що розташовується на відстані 500–700 астрономічних одиниць від нього. Екзопланету, розташовану на відстані ста світлових років від Сонця, з цієї точки можна буде розглянути з дозволом один піксель на кілометр. Марс можна досліджувати гібридними методами, що поєднують використання лазерів і ракет. Можливе розміщення додаткового масиву, який виступає в якості деприскорювача першої системи.

Простір між Сонцем і α Центавра. Зображення: Keck Institute for Space Studies

Перші подорожі до найближчих до Сонця зірок будуть носити, як вважає Любін, пролітний характер, оскільки розвивається космічними апаратами швидкість буде настільки велика, що не дозволить їм бути захопленими гравітаційними полями світил. У перспективі має сенс пролітний апарат забезпечити можливістю розпадатися на декілька зондів, які при наближенні до мети проводять незалежні дослідження.

В радіусі 20-и світлових років від Землі виявлено понад 150-и зірок і 17-и планетних систем, з яких 14 здатні підтримувати існування екзопланет в потенційно населеній зоні. Знання про досяжністьінопланетних світів підстьобує інтерес інженерів і вчених до розробки нових технологій підкорення міжзоряного простору, а ентузіазм, з яким очікуються місії на Місяць і Марс, порівняємо з передбаченням епохи Великих географічних відкриттів.

Джерело: lenta.ru

Цікаве в розділах на сайті
Перлини української класики (збірник)
Леся Українка Іван Якович Франко Михайло Михайлович Коцюбинський Тарас Григорьевич Шевченко Василь Стефаник Микола Хвильовий Григорій Квітка-Основ’яненко Iван Нечуй-Левицький
Джейсон Борн
2016, Великобритания, Китай, США