Проект микрозондов со световым парусом под названием Breakthrough Starshot во многом интересен, но часто он упоминается в контексте возможности посмотреть, как выглядят экзопланеты и есть ли на них жизнь. Полагаю, что реализация такого проекта могла б многое рассказать об устройстве вселенной, но как раз в плане обнаружения жизни на экзопланетах он почти бесполезен.
Конечно, легко заметить, что реализации такого проекта является достаточно сложной. Сам по себе световой парус по нынешним временам проблемой не является, графен имеет достаточно незначительную массу на единицу площади, и его промышленное производство уже начинается. Лазерные излучатели достаточной мощности в настоящее время изготовить тоже возможно.
Но проблема начинается с выбора подходящего места для разгона таких зондов, по-настоящему не подходит ни один из вариантов. В атмосфере нашей планеты аэродинамическая обтекаемость критична даже в случае гиперзвуковой скорости, которая на много порядков отличается от субсветовой, поэтому реальное начало разгона до субсветовой скорости возможно лишь за пределами атмосферы нашей планеты, в том числе экзосферы. Но направить лазерный луч за пределы экзосферы - задача не из простых, с поверхности нашей планеты будет мешать атмосфера, рассеивая этот луч, в итоге даже в околоземном пространстве он разойдётся на большую площадь, и для реального разгона с помощью светового паруса необходимая мощность будет гигантской, не говоря уже о том, что при такой мощности лазерный луч начнёт вызывать сильную ионизацию воздуха, что ещё больше будет усиливать его рассеяние.
В то ж время, чем больше зонд будет удаляться от нашей планеты, тем сильнее начнёт сказываться рассеяние лазерного луча, поэтому длительный разгон за счёт светового паруса вряд ли является осуществимым. А в случае быстрого разгона требуется большая мощность, которая большей частью будет теряться в атмосфере.
Подъём лазерной установки на воздушном шаре в стратосферу может частично решить эту проблему, а полностью решить может вывод на орбиту. Во втором случае имеет значение ещё и вес самой установки, но главная сложность в обоих случаях - это источник энергии необходимой мощности. Возможно, и в этих случаях сможет помочь графен, провод из него возможно протянуть в стратосферу, а на орбите возможно использование соответствующего конденсатора. Прочие варианты конденсаторов, аккумуляторов и электрогенераторов для этой цели мало подходят, особенно для применения на орбите. Возможно, на орбите ещё можно использовать электрогенератор на основе сверхпроводимости, чтоб он мог выдавать необходимую мощность при достаточно малых массогабаритных показателях.
Современные аккумуляторы имеют слишком незначительные мощность и запасаемую энергию на единицу массы, особенно для применения на орбите, и если для подзарядки возможно использование солнечных панелей, то выдаваемую мощность увеличить сложно. Конденсаторы позволяют обеспечивать большую мощность на единицу массы, но конструкции, не использующие графен, с учётом того, что промышленный выпуск последних ещё не освоен, имеют значительный ток утечки, в виду чего нужен достаточно быстрый предварительный заряд.
Кроме обеспечения необходимой мощности лазерного излучения в верхних слоях атмосферы или на орбите, есть сложность обеспечения необходимой скорости разгона, связанной с направлением и отражением лазерного луча. При очень большой мощности световой парус должен иметь чрезвычайно низкий коэффициент поглощения, иначе он расплавится. Если разгон делать более плавным, то для достижения субсветовой скорости потребуется очень точная фокусировка лазерного луча, а значит сам излучатель тоже должен иметь очень низкий коэффициент поглощения. Если в случае светового паруса нужно добиться, чтобы как можно большая часть излучения отражалась, то для излучателя, напротив, требуется максимальная прозрачность, но в обоих случаях сложность представляет поглощаемая доля излучения.
Разумеется, упомянутые сложности относятся к проекту Breakthrough Starshot в любом случае, но для изучения экзопланет проблемы на этом не заканчиваются. Такой зонд после его разгона лазерными лучами уже не будет иметь средств управления его траекторией, поэтому необходимое направление нужно задать уже в процессе разгона. При обеспечении направления с точностью до угловой секунды диапазон пересекаемой области через один парсек будет равен орбите нашей планеты, но обеспечить такую точность вряд ли просто.
Если лазерный излучатель размещать верхних слоях атмосферы нашей планеты, то даже не значительные атмосферные искажения легко могут привести к изменению направления на угловую минуту и более. В итоге подлететь даже к Альфа-Центавре ближе, чем на 100 астрономических единиц вряд ли получится, а это в три с лишним раза дальше, чем до Плутона. Возможно, орбитальный излучатель сможет обеспечить до некоторой степени большую точность направления, но стоит учитывать, что излучение солнца и не только солнца может это направление в некоторой степени поменять. Можно, конечно, отстреливать световой парус после разгона зонда, но удастся ли при этом сохранить прежнее направление хотя б с точностью до минуты. Впрочем, в какой-то степени корректировку траектории можно обеспечивать поворотами светового паруса, вопрос лишь в точности такого способа управления.
Как известно, прежде чем аппарат New Horizons приблизился к Плутону, не было возможности наблюдать детали поверхности этого астероида. Многие планеты крупнее, чем Плутон, особенно те, на которых могла б быть жизнь, но тем не менее о её реальном наличии характерная для наблюдения Плутона в телескоп детализация далеко не всегда может сказать однозначно.
Но самое главное, что следует учитывать, - предшествующие наблюдения Плутона осуществлялись телескопами с достаточно крупными зеркалами. Размер зеркала телескопа имеет решающее значение, поскольку определяет дифракционный предел, сверх которого различие деталей невозможно в принципе. Зеркало диаметром 15 см не может обеспечить разрешение более одной секунды, а если предполагается зонд очень небольших размеров, то возможно ли его оснастить телескопом с диаметром зеркала хотя б в один метр?
Если диаметр раскладывающегося зеркала будет именно эти 15 см, то с расстояния в 100 астрономических единиц будет возможность различать детали размером не меньше 70 тыс. км, что больше почти всех каменистых планет, при таком размере они почти всегда становятся газовыми гигантами. Даже чтоб различать крупные детали рельефа, вроде материков и океанов, нужно увеличить разрешение хотя б на два порядка. Но насколько реально такое увеличение для точности направления или размера раскладывающегося зеркала?
Понятно, что даже прямое наблюдение экзопланеты без каких-либо деталей может позволить провести спектроскопическое исследование, но оно станет возможным и с помощью наземных телескопов уже в ближайшие 10-15 лет, а это всё равно раньше, чем такие микрозонды смогут достичь хотя б Альфа-Центавры. При том, что наземные телескопы несравнимо проще оснастить спектрометрами, поляриметрами и прочим дополнительным оборудованием.
Ещё следует иметь в виду, что многие микрозонды, вероятно, не достигнут других планетных систем, столкнувшись по пути с астероидом или метеороидом, не говоря уже о том, что на субсветовой скорости даже мелкие пылинки могут нанести значительные повреждения. Конечно, осуществление такого проекта в любом случае может принести много открытий, которые могут быть сделаны даже теми микрозондами, что врежутся в астероиды. Но в плане поиска внеземной жизни такой проект сможет лишь рассказать о возможности её переноса астероидами, остальные варианты чрезвычайно маловероятны.