Космический аппарат, сделанный из пузырьков углеродной пены, может добраться от Земли до Альфы Центавра за 185 лет, движимый исключительно силой Солнца, говорится в новом исследовании.
Рой этих зондов мог бы помочь обнаружить и изучить загадочную Девятую Планету нашей Солнечной системы, если этот гипотетический объект существует, говорят ученые.
Обычные ракеты, приводимые в движение химическими реакциями, в настоящее время являются ведущей формой космического движения. Однако они недостаточно эффективны, чтобы достичь другой звезды в течение человеческой жизни.
Например, Альфа Центавра, ближайшая к Земле звездная система, находится на расстоянии около 4,37 световых лет — более 25,6 триллиона миль (41,2 триллиона километров), или 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 нужном направлении (а это не так).
Проблема всех обычных 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 большего количества топлива, делая их тяжелее и так далее. И при увеличении размеров космического корабля, эта проблема нарастает по экспоненте.
Поэтому предыдущие исследования предполагали ,что “световой парус” может быть одним из единственных технически осуществимых методов доставки зонда к другой звезде в течение человеческой жизни. Хотя свет не оказывает большого давления, Ученые определили, что то немногое, что он оказывает, может иметь большой эффект. Действительно, многочисленные эксперименты показали, что “солнечные паруса” могут полагаться на солнечный свет для движения, учитывая достаточно большое зеркало и достаточно легкий космический корабль.
Инициатива Breakthrough Starshot initiative стоимостью 100 миллионов долларов, которая была объявлена в 2016 году, направлена на запуск роев космических аппаратов размером с микрочип к Альфе Центавра, каждый из которых оснащён необычайно тонким парусом с невероятно высокой отражающей способностью. По плану эти “звездолеты” летят со скоростью до 20% скорости света, достигая Альфы Центавра примерно через 20 лет.
Недостатком проекта Starshot является то, что он требует самой мощной системы лазеров, когда-либо построенной, чтобы приводить в движение эти “парусники”. Мало того, что технологии для строительства этого массива лазеров в настоящее время не существует, предполагаемая общая стоимость проекта может составить от 5 до 10 миллиардов долларов.
В новом исследовании астрофизики предположили, что более дешевый вариант может включать пузырьки из углеродной пены. Исследователи обнаружили, что зонды, сделанные из этого материала, могут совершать межзвездные путешествия быстрее, чем любая ракета, питаясь исключительно солнечным светом, без необходимости в гигантской системы лазеров.
Чтобы разработать способ как солнечный свет сможет разогнать световой парус до требуемых межзвездных скоростей, исследователи проанализировали предыдущие научные исследования в поисках прочных, легких материалов. Они остановились на аэрографите – пене на основе углерода, которая в 15 000 раз легче алюминия.
Ученые подсчитали, что полый аэрографитовый шар диаметром около 3,3 фута (1 метр) с оболочкой толщиной 1 микрон (около 1% ширины среднего человеческого волоса) будет весить всего пять миллионных фунта (2,3 миллиграмма).
Образец аэрографита, потенциального конструкционного материала для сверхбыстрого солнечно-парусного космического аппарата. Фото: R. Heller
Если бы такая сфера, несущая 0,035 унции (1 грамм) полезной нагрузки, была выпущена примерно на расстоянии одной астрономической единицы (а.е.) от Солнца, солнечный свет разогнал бы ее до скорости около 114 000 миль в час (183 600 км/ч) — в три раза больше, чем у “Вояджер-1”. Такой сфере потребовалось бы около 3,9 года, чтобы достичь орбиты Плутона. (Одна а.е.-это среднее расстояние между Землей и Солнцем, которое составляет около 93 миллионов миль, или 150 миллионов километров.)
Если бы такая сфера была выпущена примерно на 0,04 а. е. от Солнца — на расстоянии, на котором находится зонд НАСА Parker Solar Probe— более интенсивный солнечный свет там разогнал бы космический аппарат до скорости почти 15,4 млн миль в час (24,8 млн км/ч). По словам исследователей, он может преодолеть расстояние в 4,2 световых года между Землей и Проксимой Центавра, ближайшей звездой к нашей Солнечной системе, за 185 лет. Чем больше шар, тем быстрее он может двигаться, или тем больше полезной нагрузки он может нести. (Проксима Центавра – одна из трех звезд в системе Альфа Центавра.)
“Что я нахожу удивительным в наших результатах, так это то, что выходная мощность звезды, в нашем случае Солнца, может быть использована для продвижения межзвездного зонда к ближайшим звездам без необходимости дополнительного бортового источника питания”, – сказал Space.com ведущий автор исследования Рене Хеллер, астрофизик 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, – сказал Хеллер. – Вместо этого мы можем использовать, так сказать, зеленую энергию.”
Исследователи отметили, что несколько граммов электроники или другой полезной нагрузки-это не так уж много для миссии. Тем не менее, они утверждают, что полезная нагрузка для этих кораблей будет в 10 раз больше массы космического корабля, в то время как полезная нагрузка на химических межзвездных ракетах, как правило, будет составлять одну тысячную веса ракеты.
Исследователи предположили, что эти космические аппараты потенциально могут нести 32-ваттный лазер весом всего две тысячные фунта (1 грамм). Анализ любых разрушений этого лазерного пучка может помочь исследователям обнаружить гравитационные эффекты, которые, в свою очередь, могут помочь выявить присутствие миров, которые иначе слишком темны и холодны, чтобы их обнаружить, таких как гипотетическая Планета Девять, сказал Хеллер.
Ученые подсчитали, что разработка прототипа пузырькового корабля может обойтись в 1 миллион долларов. Они подсчитали, что каждый такой корабль может быть построен примерно за 1000 долларов или меньше, а запуск ракеты для развертывания и испытания этих кораблей может стоить 10 миллионов долларов.
Самое большое препятствие для начала этой работы прямо сейчас “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 возможно в принципе, отметил он.
Еще одно предостережение относительно этой концепции заключается в том, что в настоящее время нет никакого способа контролировать траекторию движения сфер после их развертывания. “Чтобы достичь определенной цели, это должно быть исправлено”, – сказал Хеллер.
Если бы бортовая электроника и оборудование позволяли активно маневрировать,” тогда можно было бы транспортировать небольшие массы — от 1 до 100 граммов — между Землей и Марсом в течение нескольких недель”, – сказал Хеллер.
Ученые предполагают, что обычные ракеты доставят корабль-пузырь в космос, а затем развернут его для движения под действием солнечного света. Остается неясным, насколько хорошо эти пузыри выдержат транспортировку.
-Что хорошо в аэрографите, так это его сжимаемость, – сказал Хеллер. – Даже при сильном сжатии образец аэрографита может вернуться в исходное состояние. Так что если мы сожмем метровый аэрографитовый парус в лаборатории, возможно, мы сможем отправить его в космос и снова наполнить его там перед запуском. Вопрос в том, что происходит с его бортовой электроникой?”
Сейчас ученые проводят эксперименты, чтобы проверить, насколько хорошо аэрографит поглощает и отражает свет. Они подробно изложили свои выводы в интернете 7 июля в журнале Astronomy & Astrophysics.
(space.com)
