|
Солнечные, магнитные и энергетические паруса
|
|
|
|
Добро пожаловать обратно в нашу серию о межзвездных путешествиях! В первой части мы рассмотрели попытки реализовать ядерную двигательную установку и то, как эта технология может быть использована для достижения ближайшей звезды. Во второй части мы рассмотрели, как термоядерная энергия также рассматривалась как средство для разгона космических аппаратов до релятивистских скоростей (доли скорости света). В обоих случаях эти предложения перекликались с разработками времен холодной войны в области ракетостроения и ядерного вооружения, как и с большинством достижений космической эры.
|
|
|
|
В третьей части мы рассмотрели поистине экзотический набор предложений, основанных на открытии (и создании) положительно заряженных электронов (позитронов) и антипротонов, также известных как антиматериальная двигательная установка. В нашей последней части мы рассмотрим более практичные предложения, которые стремятся использовать давление излучения и электромагнетизм для создания межзвездных космических аппаратов. Это включает в себя солнечные паруса, магнитные паруса и лазерные световые паруса.
|
|
|
|
Солнечные паруса долгое время считались экономически эффективным способом исследования Солнечной системы. Помимо относительной простоты и дешевизны в производстве, солнечные паруса обладают дополнительным преимуществом – они не требуют топлива. Вместо ракет, требующих топлива (которое составляет наибольшую долю массы космического аппарата), солнечные паруса, магнитные паруса и световые паруса используют отражающие или намагниченные конструкции и давление излучения от Солнца (солнечный ветер) или лазеров для достижения высоких скоростей.
|
|
|
|
|
|
|
По сравнению с концепциями ядерного деления, термоядерного синтеза и антиматерии, эти концепции открывают перспективу достижения межзвездных полетов в течение жизни человека и в ближайшем будущем.
|
|
|
|
Исследования шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла в области электромагнитных явлений (1861–1864) показали, что свет обладает импульсом и может оказывать давление на объекты, что заложило теоретическую основу для световых парусов. Первый эксперимент с использованием торсионных весов был проведён российским физиком Петром Лебедевым в 1899 году, и его результаты были подтверждены аналогичным независимым экспериментом Эрнеста Николса и Гордона Халла в 1901 году.
|
|
|
|
За этим последовало предложение Константина Циолковского, который впервые предложил использовать солнечный свет для движения космического аппарата в 1921 году. Он также предположил, что межзвёздные полёты могут быть реализованы с помощью «использования огромных зеркал из очень тонких листов для использования давления солнечного света для достижения космических скоростей». В 1925 году латвийский физик Фридрих Зандер опубликовал техническую статью, включающую анализ солнечного паруса, написав: «применение малых сил [с использованием] давления света или передача световой энергии на расстояния с помощью очень тонких зеркал».
|
|
|
|
В 1972 году Дж. Б. С. Холдейн написал, что «крылья из металлической фольги площадью в один квадратный километр или более, развёрнутые для улавливания давления солнечного излучения», могут привести в движение трубчатый космический аппарат. Аналогичным образом, Карл Саган популяризировал идею солнечных парусов в своих лекциях, книгах и телепередачах (например, «Космос»), описывая, как космический аппарат, запущенный в ближайшем будущем, мог бы сблизиться с кометой Галлея.
|
|
|
|
В 1988 году Дана Г. Эндрюс и Роберт Зубрин предложили самый ранний метод создания магнитного паруса (названного «магнитным парусом») в статье под названием «Магнитные паруса и межпланетные путешествия». Как они описывали, магнитный парус должен был представлять собой сверхпроводящую петлю радиусом 50–100 км (31–62 мили) и массой около 100 метрических тонн (110 американских тонн). Запуск осуществлялся бы либо за счет воздействия на ионосферу или магнитосферу Земли для выхода с низкой околоземной орбиты, либо за счет ускорения термоядерным ракетным двигателем для достижения релятивистской скорости. Последующие конструкции, как правило, предусматривали значительно меньшую массу и достижение тяги в основном за счет солнечного ветра.
|
|
|
|
В 2000 году группа под руководством профессора Университета Вашингтона Роберта М. Уингли предложила конструкцию мини-магнитосферной плазменной двигательной установки (M2P2), которая предполагала впрыскивание низкоэнергетической плазмы в гораздо меньшую и более легкую катушку, потребляющую меньше энергии.
|
|
|
|
Начиная с 2003 года, ученые Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) в сотрудничестве с японскими университетами провели серию исследований магнитоплазменного паруса (MPS). Их исследования вдохновили на многие работы, которые способствовали углубленному пониманию физических принципов работы магнитных парусов, показав, что наилучшие результаты достигаются при меньшей плотности и скорости впрыскиваемой плазмы, чем в предыдущих конструкциях.
|
|
|
|
В исследовании 2012 года, проведенном генеральным директором Helion Energy Дэвидом Киртли и Джоном Слоу, была предложена концепция, получившая название «плазменная магнитооболочка», которая использовала бы технологию плазменных магнитов для превращения ионосфер планет в тормозной механизм. В ходе моделирования, проведенного в период с 2012 по 2021 год, оценивалась пригодность этой технологии для миссий на Марс, Юпитер, Нептун и Уран, и было показано, что многовитковая катушка обладает большими перспективами, чем конструкция с плазменным магнитом.
|
|
|
|
В 2021 году группа исследователей из Сианьского института аэрокосмических двигателей опубликовала исследование двигательной системы, называемой электромагнитным парусом, которая сочетала в себе магнитный и электрический паруса. В исследовании также подробно описывалось, как сверхпроводящая катушка электромагнитного паруса, дополненная электронной пушкой в центре катушки, будет генерировать электрическое поле, которое будет отклонять положительные ионы в солнечной плазме, тем самым обеспечивая дополнительную тягу.
|
|
|
|
Роберт Форвард, физик из исследовательских лабораторий Hughes Aircraft того времени, предложил первую формальную концепцию межзвездных путешествий в 1984 году. В статье под названием «Межзвездное путешествие туда и обратно с использованием лазерно-управляемых световых парусов» он описал, как направленная энергия (лазеры) может разогнать световой парус до релятивистских скоростей. Преимуществом этого космического аппарата было бы то, что ему не требовалось бы топливо, и что энергия лазера рассеивается с расстоянием гораздо меньше, чем солнечное излучение. Как он писал:
|
|
|
|
«Это форма двигательной установки с направленным энергетическим потоком, поскольку «двигатели» аппарата остаются в Солнечной системе, а энергия и реактивная масса передаются остальной части аппарата, несущего полезную нагрузку… эти системы могут быть спроектированы таким образом, чтобы направленная тяга лазеров, расположенных в Солнечной системе, не только разгоняла световые паруса до релятивистских скоростей, но и могла использоваться для остановки световых парусов в целевой системе».
|
|
|
|
В 1989 году Джеффри А. Лэндис написал статью «Оптические и материальные аспекты лазерно-управляемого светового паруса», в которой он предложил систему фотоэлектрической ионной двигательной установки, основанную на концентраторе светового луча. Он также исследовал лучшие материалы для светового паруса, которые бы обеспечивали баланс между отражательной способностью и долговечностью при малой массе.
|
|
|
|
За этим последовало техническое исследование Роберта Фрисби, старшего сотрудника технического отдела Группы передовых технологий двигательных установок в Лаборатории реактивного движения НАСА. В своей работе он утверждал, что лазерный парус диаметром около 965 км (600 миль) можно разогнать до половины скорости света менее чем за десятилетие, и он достиг бы Проксимы Центавра менее чем за 9 лет. Он также рассчитал, что парус диаметром около 320 км (200 миль) мог бы достичь Проксимы Центавра чуть более чем за 12 лет.
|
|
|
|
Однако для этого потребовался бы постоянный поток энергии в 17 000 тераватт (ТВт) в течение почти десяти лет, и парус должен был бы быть изготовлен из современных композитных материалов, чтобы избежать плавления.
|
|
Испытания и развертывание
|
|
|
|
Первая официальная попытка создать солнечный парус началась в 1976 году в Лаборатории реактивного движения НАСА. Миссия, возглавляемая инженером НАСА Карлом Берглундом, была направлена на сближение с кометой Галлея. Однако первые испытания по развертыванию солнечных парусов в космосе начались только на рубеже веков. В начале 2000-х годов группа исследователей из Космического центра имени Маршалла и Исследовательского центра Эймса НАСА разработала миссию с солнечным парусом под названием NanoSail-D, прототип которой был потерян в результате аварии при запуске в августе 2008 года.
|
|
|
|
К счастью, резервная версия была запущена вместе с FASTSat (Fast, Affordable, Science and Technology Satellite) в ноябре 2010 года, став первым спутником НАСА с солнечным парусом, развернутым на низкой околоземной орбите (НОО). Конструкция была изготовлена из алюминия и пластика, имела площадь около 9,3 квадратных метров (100 квадратных футов) и весила менее 4,5 кг (10 фунтов).
|
|
|
|
В 2009 году Планетарное общество запустило программу Lightsail, краудфандинговый проект, призванный продемонстрировать солнечный парус как жизнеспособный способ движения для кубсатов. Спутник LightSail-1 был запущен в мае 2015 года и протестировал все свои системы в рамках подготовки к запуску LightSail-2 в июне 2019 года. В то время как первый спутник не был поднят на достаточно большую высоту, LightSail-2 был отправлен на гораздо более высокую низкую околоземную орбиту и успешно продемонстрировал работу солнечного паруса, используя только давление излучения для изменения своей орбиты.
|
|
|
|
Помимо испытаний по развертыванию, первое испытание двигательной установки состоялось в 2010 году, когда Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило межпланетный космический аппарат IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) к Венере. Это была первая в мире попытка создания межпланетного космического аппарата с солнечным парусом и первая успешная попытка полета с солнечным парусом.
|
|
|
|
IKAROS имел диагонально вращающийся квадратный парус размером 14 x 14 м (46 x 46 футов), изготовленный из полиимидного листа толщиной 7,5 микрометра и весом всего 10 граммов (0,35 унции) на квадратный метр. В парус была встроена тонкопленочная солнечная батарея, а также восемь жидкокристаллических панелей (ЖК-панелей), отражательную способность которых можно было регулировать для управления ориентацией. IKAROS провел шесть месяцев в путешествии к Венере, а затем начал трехлетнее путешествие к обратной стороне Солнца.
|
|
|
|
В 2015 году НАСА объявило о выборе миссии Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout), разработанной совместно Центром Маршалла НАСА и Лабораторией реактивного движения (JPL), для сопровождения миссии Artemis 1 в 2022 году. Она представляла собой кубсат с четырьмя 7-метровыми (23 футами) штангами, поддерживающими солнечные паруса из алюминированного полиимида площадью 83 м2 (890 кв. футов). Космический аппарат был разработан для сближения с околоземными астероидами (ОА), но был признан потерянным после потери связи вскоре после развертывания.
|
|
|
|
В апреле 2024 года демонстратор технологии усовершенствованной композитной солнечной парусной системы (ACS3) НАСА успешно запущен на ракете-носителе Electron. Миссия состояла из кубсата 12U с квадратным солнечным парусом площадью 80 м2 (860 кв. футов), развертываемым системой из четырех 7-метровых (23 фута) штанг, изготовленных из армированного углеродным волокном полимера. Парус был изготовлен из полиэтиленнафталатной пленки с одной стороны и алюминия и хрома с другой. ACS3 успешно эксплуатировался до октября 2025 года, когда погнутый опорный рычаг привел к потере управления.
|
|
Межзвездные путешествия
|
|
|
|
К концу XX века достижения в электронике и миниатюризации привели к созданию небольших спутников, известных как кубсаты. В дополнение к миниатюрным спутникам ученые начали размышлять о том, как та же технология может привести к созданию легких, автономных космических аппаратов, которые можно было бы разогнать до доли скорости света. Параллельно с этим проводились исследования в области направленного энергетического движения (DEP), большая часть которых проводилась профессором Филипом Любином и экспериментальной космологической группой Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
|
|
|
|
В 2009 году Любин и его коллеги запустили поддерживаемую НАСА программу под названием Starlight, также известную как Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN). НАСА также сотрудничало с ECG для запуска программы исследований межзвездных пространств с использованием направленной энергии (DEIS), обе программы были направлены на использование работы Любина с направленной энергией для создания крупномасштабных лазеров, способных разгонять малые космические аппараты до релятивистских скоростей.
|
|
|
|
К 2014 году это привело к предложению, спонсируемому программой НАСА по инновационным передовым концепциям (NIAC), которое получило финансирование на первом этапе в апреле 2015 года и на втором этапе к маю 2016 года. Аналогичным образом, Лаборатория электронных и передовых систем (UCSB Deepspace EAS) экспериментальной космологической группы Калифорнийского университета в Санта-Барбаре запустила программу разработки космических аппаратов в масштабе пластины (WSSD). НАСА также спонсировало эти усилия через программу NIAC, стремясь создать граммовые «аппараты в масштабе пластины», оснащенные датчиками, камерами и другими компонентами, которые в сочетании со световыми парусами могли бы изучать близлежащие экзопланеты.
|
|
|
|
В 2014 году Инициатива межзвездных исследований (i4is) провела исследование осуществимости под названием «Проект Драконья бабочка», в рамках которого участникам было поручено разработать парусные корабли, способные достичь целевой звездной системы в течение столетия. Две лучшие концепции впоследствии превратились в проекты «Лира» и «Прорывной звездный выстрел», курируемые i4is и Breakthrough Initiatives соответственно. Первая концепция предполагала использование световых парусов, способных развивать скорость до 26 км/с (16 миль/с), что позволило бы им сближаться с межзвездными объектами, такими как «Оумуамуа», 2I/Борисов и 3I/ATLAS.
|
|
|
|
Прорывная концепция Starshot, с другой стороны, предполагала использование световых парусов в паре с небольшими микрочипами (Starchips) и лазерной системой мощностью 100 гигаватт (ГВт) для их ускорения. По их оценкам, эти космические аппараты могли бы достигать скорости около 60 000 км/с (37 256,5 миль/с), или 20% от скорости света (0,2 c), что сделало бы путешествие к Альфа Центавра (или Проксиме Центавра) возможным в течение 20 лет.
|
|
|
|
В 2022 году было опубликовано исследование, предлагающее, как рой дискообразных космических аппаратов, оснащенных роевым интеллектом, мог бы достичь Проксимы Центавра в течение человеческой жизни. Проект, известный как «Рой Проксимы Центавра», представлял собой совместную работу компании i4is и главного научного сотрудника Space Initiative Inc. Маршалла Юбэнкса. В их предложении предусматривалось использование лазера мощностью 100 гигаватт (ГВт) для разгона тысяч космических зондов с лазерными парусами, каждый из которых имел вес в несколько граммов, до скорости, составляющей примерно 10–20% от скорости света.
|
|
|
|
Они также предложили серию наземных световых контейнеров площадью в один квадратный километр (0,386 ми2) для приема световых сигналов от зондов, когда они будут уже на пути к Проксиме Центавра (и связь станет более сложной). По их оценкам, концепция миссии может быть готова примерно к 2050 году, а достижение Проксимы Центавра и начало изучения Проксимы b может произойти к 2075 году или позже.
|
|
|
|
Вкратце, солнечные паруса, магнитные паруса и световые паруса обладают одним и тем же преимуществом: они не требуют топлива, которое составляет наибольшую долю массы космического аппарата. Однако солнечные и магнитные паруса не могут обеспечить ускорение, необходимое для достижения второй космической скорости, что ограничивает их применение межпланетными миссиями. Поэтому единственным осуществимым методом межзвездных путешествий являются световые паруса, приводимые в движение лазерами, хотя они имеют свои недостатки, не последним из которых является необходимость в массивных лазерных установках.
|
|
|
|
Согласно многочисленным предложениям, для разгона космического аппарата до релятивистских скоростей системе направленной энергии потребуется от 100 гигаватт до 17 000 тераватт. В нижнем пределе 100 ГВт сопоставимы с суммарной электрической мощностью примерно 80-100 крупных атомных электростанций. В верхнем пределе поддержание мощности в 17 000 ТВт в течение года потребует примерно в 850-1100 раз больше энергии, чем общее годовое потребление энергии человечеством.
|
|
|
|
Источник
|
