По предварительным оценкам, к 2040 году мировой космический рынок будет генерировать $1 трлн прибыли. Помимо расширения возможностей спутниковой связи, в космосе проводятся научные исследования, разрабатываются новые лекарства и технологии, а значит как минимум значительно вырастет спрос на околоземные космические полеты и полеты внутри Солнечной системы. В эту сумму не входит потенциальный доход от добычи полезных ископаемых на астероидах.
Присоединяйтесь к нашему телеграм-каналу https://t.me/scifi_blog
Мы пишем о Вселенной на доступном языке, делимся интересной научной фантастикой и новостями из мира наук, которые помогут вам лучше разобраться как устроен мир, законы Вселенной, откуда мы произошли и, возможно, куда мы все идем!
Сегодня поговорим об ещё одной космической футуристической концепции, которая однако уже была апробирована и становится реальной. Это солнечный парус - конструкция, которая приводит в движение космический корабль за счет фотонов. Свыше 5000 лет назад изобретение паруса в Древнем Египте полностью изменило историю мореплавания. Сила ветра, приводившая первые парусные суда в движение, позволяла древним мореплавателям совершать невозможные доселе по дальности морские переходы. Так же, как парусная лодка приводится в движение ветром, солнечные паруса используют давление солнечного света для движения, устраняя необходимость в обычном ракетном топливе.
И хотя вам может показаться, ну какое давление может оказывать свет? В действительности вся солнечная система наполнена так называемым "солнечным ветром". Солнечный ветер имеет доказанный и проверенный эффект на различных экспедициях: например, типичный космический аппарат, направляющийся на Марс, будет смещен на тысячи километров давлением солнечного ветра. Поэтому такие эффекты должны быть учтены при планировании траектории, что делалось со времен самых первых межпланетных космических аппаратов еще с 1960-х годов.
История идеи солнечного паруса уходит в глубокую древность. Еще 400 лет назад Иоганн Кеплер наблюдая хвосты комет заметил, что они направлены в сторону от Солнца, что было странно и вообще могло бы показаться, что сила притяжения Солнца будет наоборот притягивать хвост к себе. Значит, что-то отталкивает комечий хвост в сторону. В письме Галилео Галилею в 1610 году он напишет: «Предоставьте паруса, приспособленные к этим небесным бризам, и найдутся смельчаки, которые отважатся освоить даже эту пустоту». В 1861 Джеймс Максвелл публикует свою теорию электромагнитных полей, которая показывает, что свет имеет импульс и, таким образом, может оказывать давление на объекты. А в 1899 г. Петр Лебедев успешно продемонстрировал давление света с помощью крутильных весов: в своем эксперименте в вакууме он показал, что свет может толкать сверхлегкую тонкую металлическую пластинку. Ну и конечно, наш соотечественник Константин Циолковский первым предложил использовать давление солнечного света для движения космических кораблей в космосе и предложил «использовать огромные зеркала из очень тонких листов, чтобы использовать давление солнечного света» (к чему он только не приложил руку в космосе!). В итоге в 1927-29 гг. была впервые сформулирована идея фотонного парусника Дж. Б. С. Холдейном и Дж. Д. Бернал.
Будем все конструкции подобные солнечному парусу называть "космическим парусом". Таким образом сегодня рассматриваются несколько вариантов космического паруса:
1) движимый за счет естественного света от нашего светила с помощью фотонов (его еще называют фотонным парусом),
2) а также движимого за счет генерируемого (например, с помощью лазерной установки) потока излучения прямо в паруса. Получается такой искусственный ветер.
Обе эти концепции основаны на отражении света, так как поверхность паруса обладает высокой отражательной способностью, как зеркало , и свет, отражаясь от поверхности, создает силу.
3) Однако в 2018 году было предложено также использовать "дифракцию" в качестве иного механизма движения солнечного паруса (радужные паруса).
В 1970-х годах физик и писатель-фантаст Роберт Форвард предложил две схемы движения с использованием лучевого двигателя (космический парус 2-го типа) , использующие либо лазеры, либо мазеры для разгона гигантских парусов до значительной доли скорости света. В своем научно-фантастическом романе Rocheworld Форвард описал световой парус, приводимый в движение суперлазерами. Когда звездолет приближался к месту назначения, внешняя часть паруса отделялась. Затем внешний парус перефокусировался и отражал лазеры обратно на меньший внутренний парус. Это обеспечивало тормозную тягу, чтобы остановить корабль в звездной системе назначения. Кстати, к посту мы прикрепили статью, в которой приводятся расчеты для полетов к экзопланетам, предложенными Робертом Форвардом.
КОНСТРУКЦИЯ ПАРУСА
Сам по себе импульс, который несут в себе фотоны, довольно слабый, но тут солнечному парусу приходят на помощь условия среды, в которой он совершает движение. Космический вакуум обладает нулевым сопротивлением, в результате чего даже слабая сила света способна задать космическому аппарату нужный вектор ускорения. Кроме того, ускорение космического корабля, оборудованного солнечным парусом, будет постоянно увеличиваться по мере воздействия на него солнечного света. Это означает, что аппараты, оснащенные солнечным парусом, могут достигать скоростей, неподвластных сегодняшней ракетной технике.
Стоит отметить, что солнечные паруса не двигаются исключительно по прямой, и только по траектории движения солнечного света. За счет изменения угла наклона паруса или смещения центра масс космического аппарата они способны изменять направление его движения. Ускорение космического корабля будет зависеть и от степени интенсивности светового излучения Солнца. Во внутренних границах Солнечной системы (вплоть до орбитальной траектории Юпитера) солнечного света будет достаточно, для того чтобы аппарат развивал свое ускорение за относительно малый промежуток времени. Впрочем, чем дальше от него будет наша звезда, тем большей будет потеря ускорения.
И вот тут на сцену выходит второй тип паруса. Указанную выше проблему удаления от Солнца возможно устранить гибридными решениями, а именно лазерной установки, способной генерировать мощный пучок лазера и направлять его на отражающую поверхность паруса. Ее наличие гарантировало бы космическому аппарату сохранение ускорения в случае уменьшения интенсивности солнечного излучения, однако на данный момент технология все еще остается сложно реализуемой. Подобные лазерные установки могут существенно расширить область применения солнечных парусов, а в будущем даже позволят направить космические аппараты с фотонными парусами к ближайшим к Солнцу звездам.
Для обеспечения должного ускорения солнечный парус должен быть сделан из сверхлегких материалов. На сегодняшний день самые оптимальные решения — изготовление их из майлара и полиимида с нанесенным отражающим покрытием (алюминий и его сплавы), которое будет препятствовать прохождению фотонов сквозь парус.
Еще одним показателем, напрямую влияющим на скорость, которую может развить солнечный парус, являются размеры и толщина отражающего покрытия. Минимального предела здесь не существует, однако чем меньшим по площади оно будет, тем больше времени уйдет у паруса на развитие скоростей, необходимых для космических путешествий. Важно и грамотно выверенное соотношение массы космического аппарата с площадью его солнечного паруса. Поэтому для достижения оптимальных характеристик скорости, которую может развить фотонный парус, инженеры либо увеличивают площадь его отражающей поверхности, либо стараются уменьшить массу космического аппарата, к которому он будет прикреплен.
РАДУЖНЫЕ ПАРУСА
Недостатки традиционной отражающей конструкции включают в себя паруса, которые большие и тонкие. Они также ограничены направлением солнечного света, что служит ограничением либо мощности, либо навигации, поскольку вы не можете иметь и то, и другое. Дифракционные световые паруса, для сравнения, используют крошечные решетки на материале паруса для преломления света во всех направлениях. Как заявляет НАСА, это позволит космическим кораблям «более эффективно использовать солнечный свет, не жертвуя маневренностью». Конструкция, предлагаемая группой разработчиков, может привести к созданию меньших и более быстрых парусов. И в качестве забавного побочного эффекта паруса будут иметь радужный узор, похожий на то, как выглядят компакт-диски, если поднести их к свету.
Подробнее об этом типе паруса тут: https://gizmodo.com/nasa-solar-sail-diffractive-lightsails-1848971175
РЕАЛЬНЫЕ ЗАПУСКИ: IKAROS и ПЛАНЕТАРНОЕ ОБЩЕСТВО США
Разработка солнечных парусов для пилотируемых космических полетов все еще находится в зачаточном состоянии. Однако уже есть и практические успехи. Первые формальные технологические и проектные работы по созданию солнечного паруса начались в 1976 году в Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА. Идея JPL была более чем амбициозная — зонд, оснащенный солнечным парусом (предполагаемые размеры которого — 850х850 м), должен был отправиться к комете Галлея и приблизиться к ней в марте 1986 года. Однако миссия не состоялась.
Космический аппарат IKAROS японского космического агентства JAXA стал первым, который использовал для своего полета исключительно солнечные паруса. Он был запущен в 2010 году к Венере, которую достиг через 6 месяцев, а затем начал трехлетнее путешествие к обратной стороне Солнца. IKAROS успешно завершил свою миссию. Толщина солнечного паруса IKAROS составила всего 7,5 мкм, а само покрытие было изготовлено из полиамидной пленки. Для высвобождения паруса размерами 14х14 м IKAROS использовал инновационную технологию вращения, и со скоростью 20-25 оборотов в минуту медленно высвободил полотно благодаря четырем утяжеленным наконечникам. Во время этой процедуры парус принял крестообразную форму, затем расправил мембрану своего отражающего полотна наподобие космического воздушного змея. Мини-камера отстыковалась от космического аппарата и сделала фотографию паруса с расстояния (прикреплена к посту). К июлю 2010 года на солнечный парус начали поступать первые фотоны, в результате чего он постепенно набирал ускорение и достиг максимального показателя своей скорости, который составил 1410 км/ч. Эта миссия доказала возможность полета с помощью солнечного паруса и проверила многие гипотезы и технологии, которые были взяты на вооружение другими миссиями.
Стало понятно, что одним из главных применений солнечных парусов в современной космонавтике будет использование их для маневрирования спутниками. Энергии, получаемой от Солнца пока не достаточно для далеких миссий, но для этой цели они вполне пригодны. Одного из главных успехов в этом направлении удалось достичь американской неправительственной организации "Планетарное общество" (Planetary Society). "Планетарное общество" было основано Карлом Саганом в 1980 и существует до сих пор. В 2015 году Общество запустило первый "кубсат" (cubesat), оснащенный солнечным парусом LightSail, чтобы продемонстрировать возможность вывода на околоземную орбиту наноспутников на фотонной тяге. LightSail был в 60 раз легче IKAROS (5 кг в сравнении с 315 кг), а размеры его солнечного паруса были всего в шесть раз меньше. Благодаря низкой массе за месяц постоянного воздействия солнечного света накопительный эффект ускорения довел полетную скорость LightSail до 549 км/ч. В 2019 году Planetary Society запустили вторую версию солнечного паруса. Этот кубсат также снабдили инерционным колесом, помогавшим аппарату совершать повороты на 90° и делать полные обороты вокруг своей оси, чтобы придать ускорение за счет солнечного света и с каждым витком вокруг Земли увеличивать высоту своей орбиты. Интересно отметить, что «Планетарное общество» запустило кампанию на Kickstarter по сбору средств для этой миссии. Они собрали $1.2 миллиона долларов от 23 тысяч пользователей: https://www.kickstarter.com/projects/theplanetarysociety/lightsail-a-revolutionary-solar-sailing-spacecraft.
Наряду с неоспоримыми преимуществами технология солнечного паруса обладает и своими недостатками, главный из которых — высокая уязвимость солнечного паруса к мелким метеоритам, которые могут повредить ультратонкую ткань отражающего материала. Но и в этом случае существуют свои инженерные решения для минимизации негативного влияния возможных столкновений. К примеру, большинство современных солнечных парусов армируются углеродным волокном, чтобы сохранить целостность отражающего полотна в случае его столкновения с космическими странниками.
ПРОРЫВ "ЗВЕЗДНЫЙ ВЫСТРЕЛ" (STARSHOT)
Сейчас расскажу про один потрясающий футуристический проект, к которому приложил свою руку знаменитый русский инвестор Юрий Мильнер. Будущее технологии солнечного паруса сегодня больше напоминает сюжет фантастических фильмов, впрочем, разработки сверхскоростных наноспутников, оборудованных солнечными парусами, более чем реальны. В 2016 году Юрий Мильнер, Стивен Хокинг и Марк Цукерберг основали Breakthrough Initiatives, которая должна была разработать экспериментальный флот межзвездных зондов с легким парусом. Концепция проекта Starshot этой организации предусматривает запуск «материнского корабля», несущего около 1000 крошечных космических аппаратов (в масштабе сантиметров) на высотную околоземную орбиту для развертывания. Каждый из этих нано-кораблей, называемый StarChip, будет очень маленьким транспортным средством размером в сантиметр и весом в несколько граммов. Фазированная решетка наземных лазеров сфокусирует световой луч на парусах этих космических аппаратов, чтобы разогнать их один за другим до целевой скорости в течение 10 минут со средним ускорением порядка 100 км/с2 и энергией освещения порядка 1 ТДж, подаваемой на каждый парус. Предполагается, что предварительная модель паруса каждого зонда будет иметь площадь поверхности 4 м × 4 м. Этот флот полетит к экзопланете Проксимы Центавра b. При скорости зондов от 15% до 20% скорости света потребуется от 20 до 30 лет, чтобы завершить путешествие (для сравнения, звезда находится в 4,367 световых годах от Солнца, и для достижения ее сегодняшним двигателям на топливной тяге понадобилось бы 6300 лет), и примерно 4 года для обратного сообщения от "флота" на Землю. В идеале предполагается, что флот пройдет на расстоянии 1 а.е. от этого мира, что позволит камерам "флота" сделать снимки с достаточно высоким разрешением, чтобы различить особенности поверхности. Камера, компьютер, коммуникационный лазер, ядерный источник энергии и солнечный парус должны быть миниатюризированы, чтобы соответствовать пределу массы. Каждый из тысячи компонентов должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать экстремальное ускорение, холод, вакуум и протоны.
Первоначальное финансирование проекта составляло 100 миллионов долларов США. Юрий Мильнер оценивает окончательную стоимость миссии в 5–10 миллиардов долларов и предполагает, что первый корабль может быть запущен примерно к 2036 году. По итогам предварительных исследований был выпущен отчет, который мы также прикрепили к нашему посту. В 2019 году ученые объявили, что предшественники StarChip, называемые Sprites, в количестве 105 шт. были успешно запущены и доставлены на МКС в ходе миссии KickSat-2. Для каждого StarChip предполагается создание пяти субграммовых цифровых камер, каждая с минимальным разрешением 2 мегапикселя, 4 процессора субграммового масштаба, а также 4 субграммовых фотонных двигателя, каждый из которых будет иметь минимальную мощность на уровне диодного лазера 1 Вт. Планируется создание атомной батареи весом 150 мг, работающей на плутонии-238 или америции-241. Планируется, что покрытие, возможно, изготовленное из бериллиевой меди, будет защищать каждый наноаппарат от столкновений с пылью и эрозии атомных частиц. Проект продолжает развиваться!
Но и это еще не всё! Немецкий физик Клавдий Грос предположил, что технология инициативы Breakthrough Starshot может быть использована на втором этапе для создания биосферы на основе одноклеточных микробов на экзопланетах, которые пока еще не пригодны для жизни. Зонд с микробами будет двигаться на более низких скоростях, со скоростью 4,6% от скорости света, что займет не менее 90 лет, чтобы добраться до Альфа Центавра A. Парус может быть настроен таким образом, чтобы звездное давление от Альфа Центавра A тормозило и отклоняло зонд в сторону Альфа Центавра B, куда он прибудет через несколько дней. Затем парус будет снова замедлен до 0,4% от скорости света и катапультирован в сторону Проксимы Центавра. На этой скорости он прибудет туда еще через 46 лет, то есть примерно через 140 лет после запуска.
САМЫЙ ПОСЛЕДНИЙ ПРОЕКТ NASA
Усовершенствованная композитная солнечная парусная система (ACS3) была запущена 23 апреля 2024 года на борту ракеты Rocket Lab Electron со стартового комплекса в Новой Зеландии. Сегодня основное перспективное использование солнечных парусов на ближайшие года - для спутников раннего оповещения о космической погоде, миссий по разведке околоземных астероидов или ретрансляторов связи для исследовательских миссий с экипажем. Поэтому NASA активно тестирует именно эти направления. Аппарат был доставлен на орбиту на высоте около 966 км над поверхностью Земли (для сравнения: МКС находится примерно в 400 км от Земли). Команда ACS3 подтвердила успешную двустороннюю связь и успешно развернула паруса. После полного развертывания у солнечного паруса будет площадь размером около 80 м2. По прогнозам NASA, ACS3 будет достаточно большим, чтобы его блестящая отражающая поверхность сверкала над нашей планетой так же ярко, как Сириус, самая заметная звезда на ночном небе. То есть этот аппарат можно будет видеть с Земли не вооруженным глазом. И он уже виден! Если вы захотите поймать его - скачайте приложение NASA и следуйте инструкциям. ACS3 в четыре раза больше LightSail от Планетарного общества, при этом в нем используются более легкие стрелы из полимера, усиленного углеродным волокном. Они достаточно прочны, чтобы удерживать солнечный парус в натянутом состоянии, но при этом гибкие и могут компактно складываться для запуска: «Семь метров развертываемых штанг могут свернуться в форму, которая поместится в руке. Мы надеемся, что новые технологии, проверенные на этом космическом аппарате, вдохновят других на использование их в тех областях, о которых мы даже не задумывались». Последующие технологии композитных стрел, которые сейчас находятся в разработке, позволят создавать солнечные паруса размером до 2000 квадратных метров (21 500 квадратных футов).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРУС
Это еще одна интересная концепция, которая мало похожа на солнечный парус, но имеет похожий принцип действия. Электрический парус состоит из ряда длинных и тонких тросов, которые имеют высокий положительный потенциал, и бортовой электронной пушки. Электронная пушка создает луч электронов, направленный против движения космического корабля, из-за чего тросы приобретают положительный заряд. Положительно заряженные тросы отталкивают ионы солнечного ветра, что, в свою очередь, приводит к передаче импульса от ионов к парусу и, как следствие, разгону корабля. Такой парус сможет ускоряться от заряженных частиц не только Солнца, но и от любой другой звезды в случае достаточного приближения к ней. Был только один запуск зонда на этой концепции, который к сожалению был в итоге потерян.
ЭКОНОМИКА
В частности, для Марса корабль с солнечными парусами мог бы обеспечить экономичные средства для регулярных поставок на планету. По словам Джерома Райта, «стоимость запуска необходимого обычного топлива с Земли огромна для пилотируемых миссий. Использование парусных кораблей может потенциально сэкономить более 10 миллиардов долларов на стоимости миссии». Подсчитано, что квадратный солнечный парус со стороной 800 м сможет доставить груз весом 9 тонн от Земли до Меркурия за 600 дней, а груз в 19 тонн — за 900 дней. На Венеру этот самый парус сможет доставить одну тонну груза за 200 дней или 5 тонн за 270 дней. Путешествие к Марсу с таким парусом займет 400 дней для груза в 2 тонны или 500 — для пяти тонн.
Для внешних планет также сделаны подсчеты. Если парус сможет обеспечить грузу ускорение всего в 1 мм/с, то до Юпитера этот груз долетит за 2 года, до Сатурна — за 3,3, до Урана — за 5,8 и до Нептуна — за 8,5 лет. Таким образом, солнечный парус — это медленный, но очень экономичный способ доставить куда-то относительно небольшой груз. И, возможно, что в будущем именно такие парусники будут составлять основу грузовых перевозок в Солнечной системе.
Присоединяйтесь к нашему телеграм-каналу https://t.me/scifi_blog
Мы пишем о Вселенной на доступном языке, делимся интересной научной фантастикой и новостями из мира наук, которые помогут вам лучше разобраться как устроен мир, законы Вселенной, откуда мы произошли и, возможно, куда мы все идем!