Новое исследование показало, что космический аппарат, сделанный из пузырьков углеродной пены, может преодолеть расстояние между Землей и Альфой Центавра за 185 лет, движимый исключительно силой Солнца. Также рой таких зондов может помочь обнаружить и изучить загадочную Девятую планету нашей Солнечной системы, если этот гипотетический мир существует, добавили ученые.
Обычные ракеты, приводимые в движение химическими реакциями, в настоящее время являются ведущим способом передвижения в космосе. Однако они недостаточно эффективны, чтобы достичь другой звезды за разумный период времени. Например, Альфа Центавра, ближайшая к Земле звездная система, находится на расстоянии около 4,37 световых лет — более 41,2 триллиона километров, что примерно в 276 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Космическому аппарату НАСА «Вояджер-1», стартовавшему в 1977 году и достигшему межзвездного пространства в 2012 году, потребовалось бы около 75 000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, если бы зонд двигался в правильном направлении (а это не так).
Проблема всех обычных химических космических двигателей заключается в том, что топливо, которое они используют, имеет массу. Длительные полеты требуют большого количества топлива, что делает космические аппараты тяжелыми, что, в свою очередь, требует еще большего количества топлива, делая ракеты все тяжелее и так далее. Эта проблема экспоненциально ухудшается с увеличением массы космического корабля.
Поэтому предыдущие исследования предполагали, что «хождение под парусом» может быть одним из немногих технически осуществимых методов доставки зонда к другой звезде в течение разумного периода времени. Хотя свет не создает большого давления, ученые определили, что то небольшое воздействие, которое он оказывает, может иметь большой долгосрочный эффект. Действительно, уже есть несколько космических зондов, которые показали, что большой солнечный парус действительно может оказать на легкий корабль ощутимый эффект.
Инициатива Breakthrough Starshot стоимостью 100 миллионов долларов, о которой было объявлено в 2016 году, направлена на запуск к Альфе Центавра роя космических кораблей размером с микрочип, каждый из которых обладает необычайно тонким парусом с отличными отражающими свойствами. По плану, эти «звездолеты» разгонятся до 20% скорости света и достигнут Альфы Центавра примерно через 20 лет. Недостатком проекта Starshot является то, что он требует самой мощной лазерной установки, когда-либо построенной, чтобы разогнать зонды с Земли. Мало того, что технологий для строительства такого лазерного массива в настоящее время не существует, предполагаемая общая стоимость проекта может составить от 5 до 10 миллиардов долларов.
Проект Starshot выглядит классно, но совершенно нереализуемо с текущим развитием науки.
В новом исследовании астрофизики предложили более дешевый вариант, основанный на пузырьках из углеродной пены. Исследователи обнаружили, что зонды, сделанные из этого материала, могут совершать межзвездные путешествия быстрее, чем любая химическая ракета, используя исключительно солнечный свет, без необходимости в гигантской лазерной установке.
Чтобы разработать способ, позволяющий солнечному свету разгонять легкий парус до достаточных для межзвездных путешествий скоростей, ученые проанализировали предыдущие научные исследования в поисках прочных и легких материалов. Они остановились на аэрографите — пене на основе углерода, которая в 15 000 раз легче алюминия. Ученые подсчитали, что полая сфера из аэрографита диаметром около 1 метра с оболочкой толщиной в 1 микрон (примерно 1% толщины среднего человеческого волоса) будет весить всего 2,3 миллиграмма.
Если бы такая сфера, несущая 1 грамм полезной нагрузки, была выпущена c орбиты Земли (150 млн км от Солнца, одна астрономическая единица, а.е.), то солнечный свет разогнал бы ее до скорости 183 600 км/ч — в три раза больше, чем у Вояджер-1 сейчас. Такой сфере потребовалось бы всего 3,9 года, чтобы достичь орбиты Плутона.
Если бы такая сфера была выпущена примерно на расстояние 0,04 а.е. от Солнца — это самое близкое расстояние, на которое зонд НАСА «Паркер» приблизился к нашему светилу — более интенсивный солнечный свет в той области разогнал бы такой космический аппарат почти до 24,8 млн километров в час. По словам исследователей, это позволит ему преодолеть расстояние в 4,2 световых года между Землей и Проксимой Центавра, ближайшей звездой к нашей Солнечной системе, за 185 лет. Это время можно сократить, увеличив размеры шара.
«Что я нахожу удивительным в наших результатах, так это то, что выходная мощность звезды, в нашем случае Солнца, может быть достаточной для отправки межзвездного зонда к ближайшим звездам без необходимости в дополнительном бортовом источнике питания», — сказал ведущий автор исследования Рене Хеллер, астрофизик из Института исследований Солнечной системы Макса Планка в Геттингене, Германия. «Нам не нужна наземная лазерная установка стоимостью в миллиард долларов, чтобы стрелять по парусу в космосе», — добавил он. «Вместо этого мы можем использовать, так сказать, зеленую энергию».
Моделирование орбит пузырькового корабля в гравитационном поле Земли (синий кружок). Черные орбиты не позволят улететь от нашей планеты, зеленые — позволят, но без двигателей будет сложно направить зонд в нужную сторону.
Исследователи отметили, что несколько граммов электроники или другой полезной нагрузки — это не так уж много, чтобы напихать зонд приборами под завязку. Тем не менее, они утверждают, что полезная нагрузка для этих кораблей будет весить в 10 раз больше самого космического корабля, в то время как полезная нагрузка на химических межзвездных ракетах, по расчетам, будет составлять лишь одну тысячную веса ракеты.
Исследователи предположили, что такие космические аппараты потенциально могут нести 32-ваттный лазер весом как раз всего 1 грамм. Анализ любых искажений лазерного луча может помочь исследователям обнаружить гравитационные эффекты, которые, в свою очередь, могут помочь выявить присутствие миров, слишком темных и холодных, чтобы их обнаружить напрямую, таких как гипотетическая Девятая планета, сказал Хеллер.
Ученые подсчитали, что разработка прототипа пузырькового корабля может обойтись в 1 миллион долларов, при этом каждый такой корабль может быть построен примерно за 1000 долларов или даже меньше, а запуск ракеты для развертывания и испытания этих кораблей может стоить 10 миллионов долларов.
Самая большая оговорка этой работы на данный момент «заключается в том, что никто никогда не строил аэрографитную структуру размером больше нескольких сантиметров, в то время как нам нужно что-то размером в несколько метров», — сказал Хеллер. Тем не менее, исследователи находятся в контакте с экспериментаторами, которые предполагают, что создание таких больших структур в принципе возможно, отметил он.
Еще одно предостережение относительно этой концепции заключается в том, что в настоящее время нет возможности контролировать траекторию сфер после их развертывания. «Чтобы достичь определенной цели, мы должны это просчитать», — сказал Хеллер. Если бы бортовая электроника и оборудование позволяли активно маневрировать, «можно было бы транспортировать небольшие массы — от 1 до 100 граммов — между Землей и Марсом в течение нескольких недель», — добавил он.
Ближайшее звездное окружение Солнца.
Ученые предполагают, что обычные ракеты доставят пузырьковый корабль в космос, а затем развернут его в нужную сторону для движения с помощью солнечного света. Остается неясным, насколько хорошо эти пузыри переживут транспортировку. «Что хорошо в аэрографите, так это его отличная сжимаемость», — сказал Хеллер. «Даже после сильного сжатия образец аэрографита можно снова надуть до его исходного состояния. Так что, если мы сожмем аэрографитовый парус метрового размера в лаборатории, возможно, мы сможем отправить его в космос и повторно надуть там перед запуском. Вопрос в том, что при этом произойдет с его бортовой электроникой?»
Сейчас ученые проводят эксперименты, чтобы проверить, насколько хорошо аэрографит поглощает и отражает свет. Они подробно изложили свои выводы в журнале Astronomy & Astrophysics.
