Дорожная карта НАСА готовится лететь на альфу Центавра

Астрофизик Филип Любин из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) опубликовал на сайте arXiv.org препринт под названием «Дорожная карта межзвездного полета». В статье констатирована ограниченность современных ракетных силовых установок в возможности исследования окраин Солнечной системы и близлежащих звезд. Предлагаемая Любиным программа позволяет при современных технологических возможностях отправить автоматическую станцию к α Центавра. Возглавляемый ученым проект DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) в 2015 году поддержан Институтом передовых исследований НАСА.

Материалы по теме:

Зажечь навсегдаCША достигли прогресса в инерциальном управляемом термоядерном синтезе

3 марта 2016

Как послать техногенный зонд к ближайшей к Солнцу звезде (α Центавра)? Ответ, предлагаемый Любиным, кажется простым: необходимо собрать на околоземной орбите группировку лазеров общей площадью размером с Манхэттен (район и одноименный остров в городе Нью-Йорке, США) и использовать ее для разгона миниатюрных космических зондов до релятивистских скоростей (то есть скоростей, сравнимых со скоростью света, равной в вакууме примерно 300 тысячам километров в секунду). Несмотря на кажущуюся фантастичность, предложение Любина и его коллег опирается на современную науку и находится в рамках технологических возможностей человека.

Проблема топлива

В 1903 году братья Райт совершили первый полет на самолете. Через 66 лет Нил Армстронг впервые ступил на поверхность Луны. Еще через 66 лет, в 2035 году, НАСА планирует высадить первого человека на Марс. По мнению Любина, освоение межзвездного пространства требует переосмысления современной технологии движения ракет и зондов. В ракетах топливо используется в качестве рабочего тела: единственный способ носителю вывести космический аппарат на орбиту заключается в ускоренном движении вперед за счет выбрасывания топлива назад так быстро, как только это возможно. В космических ракетах более 90 процентов массы носителя приходится на топливо. Это крайне неэффективно, поскольку большая часть ракетной тяги идет на подъем топлива, а не полезной нагрузки.

На сегодня дальше других космических зондов улетел от Земли Voyager 1, он единственный достиг межзвездного пространства. В 2017 году исполнится 40 лет с того дня, когда он покинул планету. За это время аппарат оказался на расстоянии более 18 световых часов от Земли (столько времени требуется свету, чтобы пройти расстояние от планеты до аппарата). В том случае, если расчеты верны и с Voyager 1 ничего не случится, ближайшей звезды станция достигнет через 40 тысяч лет. Ученые из Института космических исследований Кека (США) показали, что зонды для освоения дальнего космоса, построенные сегодня, смогли бы превысить скорость Voyager 1 в три-четыре раза. Любин заключает, что если человек когда-либо и сможет добраться до другой звезды, это наверняка произойдет не за счет сжигания топлива.

Массив лазеров

Альтернативой перевозимому вместе с полезной нагрузкой топливу Любин называет внешний источник тяги. Использование солнечных парусов являются хорошим примером такого рода движения: фотоны (кванты электромагнитного излучения) несут импульс, и при столкновении с поверхностью зеркала, как следует из законов сохранения, передают ему количество движения. С течением времени космический зонд на солнечных парусах за счет небольшого давления солнечного света способен развить достаточно высокую скорость.

Предлагаемые Любиным лазерные паруса будут работать по такому же принципу, за исключением того, что свет на них будет поступать не от Солнца, а от гораздо более мощного источника — массива лазеров на Земле или орбите планеты. За счет точной фокусировки и синхронизации работы системы лазерные паруса могут получить в сто тысяч раз больше энергии, чем от светила, и позволят космическому аппарату развить огромные скорости. На первый взгляд размещение столь мощного лазера на околоземной орбите кажется невыполнимой задачей, однако команда Любина пришла к выводу, что уже сегодня такая технология существует.

Из фантастики в реальность

Решение заключается в использовании модульных массивов синхронно работающих высокомощных лазеров, питаемых общим источником. Модульность устраняет необходимость создания одного огромного лазера и вместо этого предполагает развертывание управляемой системы из нескольких устройств, питаемой одним или несколькими лазерами относительно небольшими количествами энергии. Аналогичную систему уже создала Lockheed Martin: в марте 2015 года компания продемонстрировала лазерную пушку мощностью 30 киловатт, которая смогла прожечь металлический корпус автомобиля. К октябрю мощность оружия достигла 60 киловатт. Настраиваемая модульная система из двух таких пушек позволяет увеличить мощность еще вдвое.

Команда Любина называет свою модульную систему DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and ExploRation), добавляя к аббревиатуре коэффициент, обозначающий площадь лазерного массива. Самая слабая в такой классификации система DE-STAR-1 представляет собой массив лазеров площадью сто квадратных метров — по мощности он сравним с двухмодульной пушкой Lockheed Martin. Сильнейшей является DE-STAR-4 — она занимает общую площадь сто квадратных километров и развивает мощность 70 гигаватт. Используемый Любиным масштаб объясняется физическими требованиями, накладываемыми на размеры массива длиной волны лазера и необходимостью достижения околосветовых скоростей.

Наиболее оптимальным расположением массива считается околоземная орбита, поскольку атмосфера рассеивает лазерное излучение и нагревается от него. Даже небольшая система, располагаемая на Земле, позволит сообщить сверхмалым аппаратам типа CubeSat (объемом порядка литра и массой порядка килограмма) вторую космическую скорость (то есть сделать их спутниками не Земли, а Солнца). Любин предлагает начать сборку массива из небольших модулей на Земле и затем продолжить его возведение на околоземной орбите.

Система DE-STAR-4 способна генерировать тягу, достаточную для отправки к Марсу CubeSat за восемь часов или космического корабля массой десять тонн за месяц (современные ракеты позволяют это сделать за шесть-восемь месяцев). Оценки показывают, что околоземная группировка DE-STAR-4 будет примерно в сто раз тяжелее Международной космической станции (которая имеет массу примерно 420 тонн). Создание системы является технологически осуществимой задачей. Главная трудность в развертывании модульного массива лазеров заключается в проблемах с выведением на околоземную орбиту такой тяжелой полезной нагрузки.

На пределе

Аппарат CubeSat достигнет Марса за восемь часов, двигаясь со скоростью, равной примерно двум процентам от световой. Это намного выше возможности используемой сегодня человеком техники. Тем не менее с такой скоростью α Центавра аппарат достигнет за 200 лет. Для того чтобы космические аппараты более внушительных размеров достигли ближайшей к Солнцу звезды за несколько лет, их конструкция должна быть радикально пересмотрена.

С этой целью Любин разработал концепцию микроэлектронных космических аппаратов, каждый из которых имеет массу по нескольку граммов и снабжен небольшим лазерным парусом, необходимым для приведения его в движение и осуществления дальней связи. Астрофизик полагает, что фотонная технология допускает масштабирование до практически любых размеров, однако в настоящее время для тестирования технологии проще всего использовать миниатюрные космические аппараты.

Типичный миниатюрный зонд, предназначенный для межзвездных перелетов, должен содержать в себе элементы нанофотоники, миниатюрный радиоизотопный термоэлектрический генератор мощностью один ватт, нанодвигатели для корректировки движения, тонкопленочные суперконденсаторы для хранения энергии и небольшую камеру. Диаметр круглого лазерного паруса такого аппарата составит один метр. Система DE-STAR-4, развивающая мощность 70 гигаватт, сможет разогнать такой аппарат до скорости, равной примерно четверти скорости света, за десять минут. Этого достаточно, чтобы миниатюрный рукотворный зонд достиг α Центавра за 15 лет.

В этом проекте околоземный массив лазеров будет выступать как гигантский приемник и передатчик данных на миниатюрный зонд, который сможет передавать на планету данные и изображения. Разумнее всего передавать данные в пакетном режиме, когда зонд накопил достаточно энергии. Система мощностью один ватт при использовании лазерного паруса диаметром один метр способна передавать на Землю около ста килобит данных в секунду.

К звездам

Массивы лазеров можно размещать не только на околоземной орбите, но и на ключевых позициях в Солнечной системе. Это позволит создавать дешевые и небольшие модули, предназначенные для исследования пространства за орбитой Нептуна, в частности, пояса Койпера, облака Оорта и межзвездной среды. Физически интересным выглядит размещение массива в фокусе гравитационной линзы Солнца, располагаемом на расстоянии 500-700 астрономических единиц от него. Экзопланету, расположенную на расстоянии ста световых лет от Солнца, с этой точки можно будет рассмотреть с разрешением один пиксель на километр. Марс можно исследовать гибридными методами, сочетающими использование лазеров и ракет. Возможно размещение дополнительного массива, выступающего в качестве деускорителя первой системы.

Первые путешествия к ближайшим к Солнцу звездам будут носить, как полагает Любин, пролетный характер, поскольку развиваемая космическими аппаратами скорость будет настолько велика, что не позволит им быть захваченными гравитационными полями светил. В перспективе имеет смысл пролетный аппарат снабдить возможностью распадаться на несколько зондов, которые при приближении к цели проводят независимые исследования.

В радиусе 20 световых лет от Земли обнаружено более 150 звезд и 17 планетных систем, из которых 14 способны поддерживать существование экзопланет в потенциально обитаемой зоне. Знание о досягаемости инопланетных миров подстегивает интерес инженеров и ученых к разработке новых технологий покорения межзвездного пространства, а энтузиазм, с которым ожидаются миссии на Луну и Марс, сравним с предвосхищением эпохи Великих географических открытий.