Той, хто з’єднує світи, дорожня карта міжзоряного польоту або як дістатися до Альфа Центавра, новини

Фото: NASA / ESA / Hubble SM4 ERO Team

Як послати техногенний зонд до найближчої до Сонця зірки (α Центавра)? Відповідь, пропонований Любінь, здається простим: 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.

У 1903 році брати Райт здійснили перший політ на літаку. Через 66 років Ніл Армстронг вперше ступив на поверхню Місяця. Ще через 66 років, в 2035 році, НАСА планує висадити першої людини 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 відсотків маси носія доводиться на паливо. Це вкрай неефективно, оскільки велика частина ракетної тяги йде на підйом палива, а не корисного навантаження.

Альтернативою перевозиться разом з корисним навантаженням палива Любін називає 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 Любінь лазерні вітрила будуть працювати за таким же принципом, за винятком того, що світло на них буде надходити не від Сонця, а від набагато більш потужного джерела - масиву 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.

Команда Любина називає свою модульну систему DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and ExploRation), додаючи до абревіатурі коефіцієнт, що позначає площа лазерного масиву. Найслабша в такий класифікації система DE-STAR-1 являє собою масив лазерів площею сто квадратних метрів - за потужністю його можна порівняти з двухмодульной гарматою Lockheed Martin. Найсильнішою є DE-STAR-4 - вона займає загальну площу сто квадратних кілометрів і розвиває потужність 70 гігават. Використовуваний Любінь масштаб пояснюється фізичними вимогами, що накладаються на розміри масиву довжиною хвилі лазера і необхідністю досягнення близькосвітлових швидкостей.

Відповідність між розмірами масиву, масою корабля і розвивається їм швидкістю

Зображення: UCSB / Physics Department

Найбільш оптимальним розташуванням масиву вважається навколоземну орбіту, оскільки атмосфера розсіює лазерне випромінювання і нагрівається від нього. Навіть невелика система, що розташовується на Землі, дозволить повідомити надмалим апаратів типу CubeSat (об'ємом близько літра і масою близько кілограма) другу космічну швидкість (тобто зробити їх супутниками на 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 навколоземну 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 полягає в проблемах з виведенням на навколоземну орбіту такої важкої корисного навантаження.

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.

Потенційно населені екзопланети (в квадратних дужках вказано індекс подібності Землі)

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.

Зірки і екзопланети на відстані 25 світлових років від Сонця

Зображення: NASA / Goddard / Adler / U.Chicago / Wesleyan

У цьому проекті навколоземний масив лазерів буде виступати 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.

Масиви лазерів можна розміщувати не тільки на навколоземній орбіті, а й на ключових позиціях в 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 деускорітеля 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 кілька зондів, які при наближенні до мети проводять незалежні дослідження.

В радіусі 20 світлових років від Землі виявлено більше 150 зірок і 17 планетних систем, з яких 14 здатні підтримувати існування екзопланет в потенційно населеної зоні. Знання про досяжності інопланетних 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.

Андрій Борисов, Земля (Sol III).