aHR0cDovL3d3dy5zcGFjZS5jb20vaW1hZ2VzL2kvMDAwLzA3Ni8xOTIvb3JpZ2luYWwvYnJlYWt0aHJvdWdoLXN0YXJzaG90LWFy.jpg

Путешествия в Солнечную систему уже достаточно давно не являются сверхъестественными: люди постоянно живут на орбите, несколько десятилетий назад гуляли по Луне, земные роверы ездят по Марсу, и не так давно Вояджеры стали первыми рукотворными объектами, покинувшими Солнечную систему. Конечно, такие проекты были и остаются достаточно дорогими и единичными — но при этом вполне реальными.

Поэтому ожидаемо, что теперь начинают появляться проекты межзвездных полетов — а с ними и новые трудности. Самая основная — это расстояния: до одной из ближайших к нам звезд, Альфа Центравра, свет долетает чуть меньше, чем за 4.5 года. Но те же Вояджеры, даже вылетев из Солнечной системы, имеют скорости лишь в десяток километров в секунду относительно Земли, и поэтому долетят до системы Центавра аж за 75 000 лет (если бы, конечно, были направлены в нужную сторону) — срок, который в разы больше, чем все время существования земной цивилизации. Из этого следует, что первоочередная цель — научиться летать со скоростями хотя бы в десятые доли от скорости света, чтобы достичь ближайших звезд за несколько десятилетий — это, конечно, тоже много, но хотя бы срок более реальный. 

Другие проблемы сводятся к защите аппарата: если на скоростях полета МКС (около 8 км/с) для нее представляют опасность объекты диаметром свыше долей миллиметра, то вот на скоростях в десятые доли от скорости света даже микронная пыль может вывести аппарат из строя. Причем облетать такие частицы, разумеется, нереально, поэтому нужна какая-то механическая защита. Ну и сюда же можно отнести жесткое космическое излучение: от нас его прикрывает Солнце и магнитосфера Земли, но вот в межзвездной среде придется опять же как-то защищать от него аппарат.

689bec0d242576f3593a77139819d062.jpg
Концепт лазерной установки для проекта Breakthrough Starshot.

Как видно, проблемы серьезные, однако уже есть проекты, которые способны их решить. И один из них — Breakthrough Starshot. Публично он был представлен в 2016 году, и тогда же получил начальное финансирование в размере 100 миллионов долларов (к слову, в этом поучаствовал и глава Facebook Марк Цукерберг, и выдающийся астрофизик Стивен Хокинг). Идея проекта достаточно необычна: на высокую орбиту с Земли предлагается запустить космический корабль, грузом которого являются около тысячи мелких зондов (с массой около 1 грамма). После выведения корабля на орбиту он по одному запускает эти зонды, которые крепятся сверхпрочными стропами к солнечному парусу размерами около 4 x 4 метра. Далее наземные лазеры в течение 10 минут фокусируют на парусе луч с мощностью в 50-100 ГВт, и по закону сохранения импульса свет лазеров придаст парусу ускорение в 30 000 g (g — ускорение свободного падения на Земле), что и разгонит его до целевой скорости в 20% световой.

Путь к системе Центавра таким образом продлится около 20 лет — достаточно немного, и еще 5 лет понадобится, чтобы полученные там данные достигли Земли. Как видно, проблема скорости достаточно изящна решена, а что касается защиты — авторы проекта решили «взять количеством»: даже если некоторая часть зондов не долетит, всего одного из них хватит, чтобы передать данные о ближайшей к нам звездной системе. 

Конечно же, после объявления этой идеи, посыпались замечания скептиков. Одно из самых весомых — то, что свет не даст нужного давления для разгона. И хотя о самом эффекте еще в 1970-ых годах писал физик Роберт Форвард, окончательно проверен в космосе он был не так давно: в 2010 году Япония запустила миссию IKAROS, в которой зонд был оснащен солнечным парусом, и мог двигаться за счет солнечного ветра. Эксперимент оказался удачным — аппарат смог разогнаться на 1450 км/ч.

NanoSail-D_in_orbit_(artist_depiction).jpg
Концепт космического корабля с солнечным парусом.

Также является проблемой постройка лазерного комплекса с мощностью в сотню гигаватт — но, с учетом того, что стоять он будет на Земле, тут все упирается только в стоимость. Сами размеры и вес космических аппаратов проблем не создают: современная электроника вполне может быть размером с монетку и весить меньше грамма — и зонды в виде таблеток для обследования человека тому отличный пример.

Как это обычно бывает, самая главная проблема обнаруживается в самом неожиданном месте, и в этом проекте это — парус. При площади в десяток квадратных метров он должен весить как можно меньше — ведь чем больше вес, тем меньше будет итоговая скорость. И при весе в один грамм мы получаем, что его толщина должна быть всего около 100 атомов, при этом он должен быть достаточно крепким для того, чтобы выдержать перегрузки в 30 000 g — и это как раз является задачей, лежащей очень близко к пределам развития современных технологий. 

Кроме крепости, к материалу есть и множество других требований: так, он должен поглощать минимум излучения, ведь по сути поглощение приводит лишь к нагреву паруса, а не к его разгону. Хорошими отражательными свойствами в инфракрасном диапазоне обладают золото и серебро, но, увы, и поглощают свет они тоже неплохо.

Тем не менее, у ряда материалов есть несколько необходимых солнечному парусу качеств — к ним относится кристаллический кремний и дисульфид молибдена. Также, чтобы снизить массу паруса, ученые предложили использовать гексагональные отверстия в нем, а для увеличения отражательной способности — использовать чередующиеся слои материала.

05solar_sail.adapt_.1190.1.jpg
Сравнительные размеры солнечного паруса и людей.

Также достаточно интересно была решена проблема с защитой паруса: самыми распространенными веществами во вселенной являются водород и гелий, и отверстия в парусе предлагается сделать так, чтобы эти атомы могли спокойно в них проходить. Что касается более крупных объектов, то по расчетам парус столкнется, вероятно, с миллиардами пылевых частиц на пути к Альфа Центавра, но такие удары выведут из строя менее 0.1% его общей площади.

Сейчас первоочередными задачами для исследователей является изучение того, как себя ведут различные материалы под воздействием мощных лазеров и больших ускорений. Кроме того, нужно разработать способ изготовления и обработки больших листов чрезвычайно тонких пленок, а также способ упаковки таких хрупких компонентов вместе в парус и механизм его раскрытия в космосе.

«Там обязательно будут проблемы с изготовлением, но нет ничего сверх наших возможностей», — говорит Гарри Атуотер, ведущий автор исследования и физик из Калифорнийского технологического института. «Это настоящие материалы, а не анобтаниум» (шуточный перевод unobtainium с латинского языка — недостатий, что отлично отражает суть — прим. перев.).

Кроме того, дальнейшие исследования должны показать, как форма паруса и следа лазерного луча на нем могут помочь улучшить разгонный потенциал. Например, ученые могут экспериментировать со сферическими или тороидальными парусами.

«Мы сталкиваемся с волнующими проблемами», — добавил Атуотер. «Но мы думаем, что сможем найти решения».