1974 год. Между Венерой и Меркурием. Зонд НАСА «Маринер-10» столкнулся с серьезной проблемой. Из-за незапланированных маневров топлива осталось гораздо меньше, чем ожидалось. Чтобы не потерять контроль над аппаратом, в НАСА придумали хитрый план.
Они решили использовать солнечные батареи космического корабля, наклоняя их относительно Солнца и позволяя давлению солнечного света маневрировать аппаратом. И это сработало! «Маринер-10» стал первым зондом, пролетевшим мимо Меркурия и сделавшим первые детальные снимки планеты.
Эта история показала, что давление солнечного света можно использовать для управления зондами, как парусники используют ветер. Так НАСА успешно «подпарусило» на «Маринере-10», хотя изначально это и не планировалось. Парусное солнечное плавание использует почти бесконечную энергию Солнца.
Если у вас горит свет или вы находитесь на солнце, вы, наверное, удивитесь, что этот свет вас толкает. Но это правда – солнечный свет действительно оказывает давление на нас. Если выйти в ясный солнечный день, вы, наверное, почувствуете давление, эквивалентное силе очень легкого перышка на ладони.
Это совсем немного, и мы этого не замечаем, потому что даже слабый ветерок легко перебивает ощущение толчка. Но в космосе ситуация совсем другая – там нет опоры и нет других сил, действующих на вас. Поэтому, очень медленно, но верно давление солнечного света будет нарастать и постепенно ускорять вас.
Идея солнечного паруса впервые была описана Иоганном Кеплером в 1610 году. Он предположил, что космический парус однажды сможет улавливать солнечный свет, как парусник улавливает ветер. Хотя он не понимал механизмов для воплощения этой идеи, позже физик Джеймс Клерк Максвелл математически доказал, что солнечный свет несет импульс, оказывающий давление на объекты.
Если поместить в почти вакуум космоса легкий отражающий парус, то солнечный свет можно использовать для движения космических аппаратов. По крайней мере, в теории. Солнечное парусное плавание – возможное решение одной из крупнейших проблем космических миссий: ограниченных запасов топлива.
Как только вы израсходуете всё топливо, вам нечем толкаться дальше. Это фундаментальное ограничение ракет. Но с успешными демонстрационными миссиями Японского аэрокосмического агентства, НАСА и Планетарного общества, теперь миссии могут быть дольше, дешевле, быстрее и дальше заходить в космос.
Это по-настоящему открывает Солнечную систему для исследований в масштабах, недоступных при современных технологиях. Карл Саган, сооснователь Планетарного общества, видел потенциал солнечного паруса для будущих миссий. Он вдохновил поколение воплотить его мечты в реальность.
Но первый солнечный парус Планетарного общества «Космос-1» так и не вышел на орбиту после отказа ракеты-носителя в 2005 году. Первым продемонстрировал солнечное парусное плавание в 2010 году японский «Икарос». А год спустя НАСА сделало то же самое на низкой околоземной орбите с помощью «Нанопаруса-D».
Но для реальных миссий потребовались более современные технологии. Ключевой технологией солнечного паруса являются не столько паруса, сколько миниатюризация полезной нагрузки. В последние годы были разработаны кубсаты и даже наноспутники массой менее килограмма со всей необходимой электроникой.
Такие легчайшие аппараты в комбинации с солнечным парусом делают космические исследования более доступными. И Планетарное общество решило доказать, что это практичный вариант.
В 2019 году их кубсат размером с буханку хлеба «Лайтсэйл-2» запустила ракета SpaceX Falcon Heavy. Он развернул 32-метровый парус из майлара и начал маневрировать с помощью давления солнечного света. «Лайтсэйл-2» стал первой миссией, успешно использовавшей солнечный парус для управления.
Но это только начало. В ближайшие годы солнечный парус отправится к Луне на борту «Артемиды-1» НАСА в рамках миссии NEA Scout. А затем – к астероиду всего за три года после запуска без единой капли топлива.
Солнечные паруса могут использоваться не только во внутренней Солнечной системе, где достаточно солнечного света. Наоборот, они могут стать лучшим способом достичь внешних планет и даже дальше. Но для этого потребуются улучшения по сравнению с нынешними технологиями.
Одним из главных недостатков современных солнечных парусов является их монолитность – весь парус приходится поворачивать целиком. Но если разделить парус на части и управлять ими по отдельности, можно значительно увеличить маневренность.
Именно это и делает концепция SunVane компании Xplore. Она делит большой парус на 6-8 отдельных лепестков. Управляя каждым по отдельности, SunVane обеспечивает высокую маневренность. Это позволит гораздо быстрее достигать целей, потому что можно проложить более прямой и эффективный курс.
SunVane будет делать "галсы" внутрь к Солнцу, как яхта идущая против ветра, а затем разворачивать лепестки для максимального ускорения. Планируемая скорость технологической демонстрации составит 5-8 астрономических единиц в год (расстояние от Земли до Солнца). Это сделает SunVane самым быстрым космическим аппаратом, долетевшим до Юпитера менее чем за год без единой капли топлива.
Но учитывая огромные космические расстояния, нужно разгоняться еще быстрее и лететь ближе к Солнцу, чтобы осуществлять межпланетные миссии о которых мечтают ученые. Пока что технологии для этого нет.
Температуры там очень высокие. Нужны легкие и прочные материалы, вроде нитрида кремния или кремниевых парусов. Такие материалы пока не существуют, но есть компании, которые над ними работают.
Еще одно ограничение в том, что солнечные паруса не смогут легко перевозить тяжелые грузы вроде людей. Чтобы разогнать бо́льшую полезную нагрузку, нужен очень большой парус и много времени, если только вы не хотите послать экипаж на встречу с Солнцем. Но это вряд ли хорошо скажется на их здоровье.
Зато для небольших аппаратов возможности безграничны. Самая амбициозная миссия с солнечным парусом – полет в другую звездную систему, к ближайшей к нам Альфа Центавра, всего за 20 лет. Это проект «Прорыв к звездам».
Он предполагает использование тераваттных лазеров, концентрирующих свет на крошечных 0,001-граммовых парусниках. Они разгонятся до 10% скорости света и потенциально достигнут Альфы Центавра за 20 лет.
Хотя до реализации «Прорыва к звездам» еще далеко, солнечное парусное плавание вступает в новую фазу. Миссии, ранее требовавшие колоссальных затрат, скоро смогут запускаться попутным грузом, что позволит гораздо легче посещать астероиды, спутники внешних планет или даже межзвездные объекты, влетающие в Солнечную систему.
Получая бесконечный неисчерпаемый солнечный свет, такие паруса позволят нам сделать гораздо больше, чем при использовании только химических ракет. Эта технология важна для будущих миссий, поскольку открывает новые возможности, недоступные другими способами: мониторинг солнечной погоды, исследования полюсов планет, гибкие маршруты и даже межзвездные перелеты.
Ух! Даже не знаю, смог ли кто-нибудь дочитать эту простыню. Пишите комментарии!
