Проект «StarChips»: Межзвездные паруса

Гигантские лазеры могут запустить флотилии космических аппаратов к Альфе Центавра

0

Проект «Breakthrough Starshot» стоимостью 100 миллионов долларов, о котором было объявлено в 2016 году, планирует использовать мощные лазеры для запуска крошечных космических аппаратов к Альфе Центавра, ближайшей к нам звездной системы. Использование лазерных пушек для движения космических аппаратов может звучать как научная фантастика, однако проведенное исследование показало, что «легкое плавание» может быть одним из единственно технически возможных способов достигнуть другой звезды в течение человеческой жизни.

Хотя Альфа Центавра и ближайшая звездная система к Земле, она находится примерно на расстоянии 4,37 световых года о нас. Это более чем 41,2 трлн. километров или более чем в 276 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Обычные ракеты недостаточно эффективны, чтобы покрыть огромное расстояние до Альфы Центавра в течение человеческой жизни. Например, на космическому аппарату NASA « Вояджер-1», который был запущен в 1977 году, и достиг межзвездного пространства в 2012 году, потребуется около 75 000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра (если зонд был бы направлен в нужном направлении, но это не так).

Проблема с двигателями, используемыми в настоящее время космическими аппаратами для движения, заключается в том, что топливо, который они несут с собой, имеет массу. Для длительных перелетов требуется много топлива, что делает зонды тяжелыми, что, в свою очередь, требует еще больше топлива, что делает их еще более тяжелыми и так далее. Эта проблема увеличивается экспоненциально тому, чем больше становится космический корабль. Starshot предлагает решение этой проблемы – вместо того, чтобы иметь с собой топливо для движения, космический корабль должен быть оснащен зеркальными парусами и полагаться на лазеры, которые будут толкать зонды вперед.

«Это действительно дерзкая цель», – заявил журналистам ведущий автор исследования Гарри Атуотер, научный сотрудник и прикладной физик из Калифорнийского технологического института в Пасадене.

Хотя свет и не оказывает большого давления, предыдущая работа показала, что солнечный свет может использоваться для космического полета. Миссия Японии IKAROS (межпланетный корабль, ускоренный излучением Солнца), который был запущен в 2010 году, стал первым космическим аппаратом, успешно продемонстрировавшим технологию солнечных парусов в межпланетном пространстве, достигая максимальной скорости около 1450 км / ч.

Целью Starshot является запуск космического аппарата «StarChips» в направлении Альфа Центавра с использованием лазерного комплекса на Земле мощностью до 100 гигаватт. «Это, безусловно, будет крупнейший лазерный комплекс, который когда-либо строился на Земле», – сказал Атуотер.

«StarChips» будет лететь на скорости до 20 процентов скорости света и достигнет Альфы Центавра в течение примерно 20 лет, и будет использовать 1-ваттный лазер для связи с Землей. Starshot нацелен на запуск до десятков тысяч StarChips в год. Смысл массированных запусков состоит в том, что, даже если многие из них потерпят неудачу, другие достигнут отдаленной системы – и, возможно, если учитывать новые данные о Proxima b, потенциально пригодную для жизни планету, находящуюся на орбите вокруг одной из трех звезд системы.

Согласно новому исследованию, который был опубликован, парус для каждого StarChip должен будет иметь размер около 10 квадратных метров и массу менее 1 грамма, что означает, что его толщина должна составлять всего около 100 атомов. Исследователи отмечают, что создание паруса, отражающего, легкого и достаточно прочного, чтобы совершить путешествие к Альфе Центавра, является проблемой, которая пока находится за границей современной науки.

«Мы предоставили первоначальную «дорожную карту» для исследователей, чтобы добиться дальнейших успехов в достижении этой межзвездной цели», – сказал Атуотер.

Лазерный массив Starshot, скорее всего, будет излучать пучки ближнего инфракрасного света определенных длин волн, которые пропускает атмосфера Земли. Паруса Starshot должны не только отражать волны таких параметров, но практически не поглощать энергию, чтобы избежать их нагревания и разрушения. Кроме того, паруса должны быть легкими и достаточно тонкими, чтобы лазеры могли максимально эффективно их ускорять.

Кроме того, так же как звуковая сирена звучит более высоко, когда автомобиль приближается к вам и становиться ниже, когда он уезжает, когда паруса уходят дальше от лазеров, свет, который они получают, будет «краснеть» в результате процесса, называемого допплеровским сдвигом. В идеале паруса должны уметь отражать эти более «красные» длины волн, чтобы как можно больше получать импульс энергии от лазерных лучей, объяснили исследователи.

Ученые обнаружили, что ни один из известных материалов не обладает совершенным сочетанием свойств, которые могут служить парусами Starshot. У примеру, хотя металлы, такие как золото и серебро, и являются отличными отражателями ближнего инфракрасного света, они будут поглощать слишком много энергии от лазеров, чтобы не разрушиться.

Тем не менее у ряда материалов есть, по крайней мере, некоторые из необходимых качеств, предъявляемых к материалу парусов Starshot. К ним относятся кристаллический кремний и дисульфид молибдена.

Что касается конструкции паруса, который отражал бы как можно больше света, оставаясь низким по массе, ученые рекомендуют паруса с гексагональными решетками, что позволит уменьшить их вес. Исследователи также отметили, что управление микроскопической структурой паруса – например, используя чередующиеся слои материала через каждый нанометр расстояния от Земли (миллиард миллиметров), может повысить его отражательную способность и уменьшить поглощающую.

На необычно высоких скоростях, с которыми будет путешествовать StarChips, даже незначительные удары могут потенциально разрушить их. Тем не менее предыдущая работа предположила, что молекулы водорода и гелия могут проходить через паруса, не приводя к таким эффектам. Кроме того, хотя предыдущие исследования предполагали, что каждый парус может столкнуться с миллиардом частиц пыли на пути к Альфе Центавра, такие удары, вероятно, создадут дыры, составляющие менее 0,1 процента от общей площади паруса.

Первоочередные задачи исследований включают изучение того, как различные материалы работают при воздействии мощных лазеров и невероятно высоких ускорениях. Кроме того, ученые должны исследовать, как изготавливать и обрабатывать большие листы чрезвычайно тонких пленок, и то, как собирать такие деликатные компоненты вместе в паруса, говорят исследователи.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: