Только считанные единицы, такие посланники Земли как «Новые горизонты» и «Вояджеры» летят к границам Солнечной системы. Но возможно все скоро изменится. О технологиях, которые позволят нам достигнуть звёзд мы и расскажем в статье.
Сколько лет космической эре?
Мы даже не задумываемся о том, как часто идеи, которые нам кажутся современными, имеют долгую, и даже несколько вековую историю. Мы думаем, что космическая эра началась с первого спутника и полёта Юрия Гагарина, а на самом деле все началось гораздо раньше, когда человек первый раз задумался о космических полетах. Когда космос стал частью общественного сознания. Когда о полетах к другим планетам задумались мыслители, ученые и писатели. Когда они передали эти идеи своим читателям, сторонникам и последователям. И этой космической эре уже не меньше чем сто лет.
Отрадно, что как и с первыми полетами в космос, так и с первыми идеями совершения таких полетов мы были впереди планеты. Вспомните хотя бы основоположника теоретической космонавтики Константина Циолковского. Учёный-самоучка из российской глубинки обосновал использование ракет для полётов в космос, выдвинул идеи космического лифта и заселения космоса с использованием орбитальных станций. Эти идеям уже более ста лет, а они все ещё как новые, и все ещё не вполне реализованы.
Вы не задумывались, почему идеи фантастов второй половины двадцатого века остались не реализованными? Почему мы не летаем хотя бы к соседним звёздам и не сажаем мичуринские яблони в долине Маринера на Марсе? Мечты фантастов той эпохи обгоняли время. Им уже было не интересно писать просто о полётах в космос, это они видели наяву. И об этом уже писали их предшественники.
С конца прошлого века достижения и победы в космосе практически закончились, началась монотонная рутинная работа, иногда расцвеченная успехами исследовательских миссий NASA и открытиями новых экзопланет телескопом Кеплер. Ну и конечно строительство нового космодрома Восточный, рядом с городом имени Циолковского тоже какая-никакая, но победа.
За этот период мы даже кое-что и потеряли. Например, девятую планету Плутон. Он теперь не планета. И даже новые найденные Кеплером планеты вне Солнечной системы, нам не могут компенсировать одну, но все-таки свою, солнечную. Не могут хотя бы по тому, что до Плутона мы все-таки можем долететь. Это сделала АМС «Новые горизонты» в прошлом году. А до планет, найденных в районе Рукава Лебедя, который рассматривает Кеплер, нет.
Впрочем, если на заре покорения космоса, инженеры и конструкторы руководствовались идеями которые были придуманы ранее, задолго до них, то вполне логично и нам обращаться к тому наследию, которое оставили нам мыслители прошлого времени. Времени, когда не было ни то что интернета, но и телевидения. Но были идеи, которые помогли выйти в космос нашим предшественникам. И идеи, которые помогут нам достигнуть ближайших звезд. А порывы сквозь гиперпространство и Пузыри Алькубьерре мы оставим нашим потомкам, которые будут более продвинуты в техническом плане, чем мы.
Поговорим сегодня о космических парусах и ветрах которые из надувают. Об идее путешествия в космосе которой почти сто лет. Но которая нами воспринимается как нечто современное, но на фоне галактических крейсеров фантастических блокбастеров, определённо забавное.
Наша тема сегодня путешествия в космическом пространстве с помощь парусов. Парусов солнечных, электрических, парусов надуваемых лазером. Каких пределов можем достичь с помощью с помощь этой технологии. И насколько реально то, что для нас открывается новая эра космических исследований. Эра космических путешествий под парусом.
История солнечных парусников
LightSail-1
1619 год. Священная Римская империя. Немецкий учёный Иоганн Кеплер изучает поведение комет приближающихся к Солнцу. Тот самый Кеплер, в честь которого назовут позже телескоп для поиска внесолнечных планет.
Наблюдая кометы, ученый обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер, который был не только астрономом, но и математиком, механиком и оптиком делает предположение что, отклонение вызывается давлением солнечных лучей.
Прошло еще два с половиной века и в 1873 году британский физик Джеймс Максвелл, руководствуясь созданной им же электромагнитной теорией предсказывает существование светового давления и теоретически оценивает его величину.
И уже через 17 лет, на рубеже веков знаменитый русский физик-экспериментатор Петр Лебедев опытным путем обнаружил и измерил силу светового давления.
Прошло ещё двадцать лет после этого события, и снова наш соотечественник, один из пионеров ракетостроения и последователь Циолковского, Фридрих Цандер предложил идею полетов в космосе с использованием солнечного паруса.
С этого момента и до конца прошедшего века идею путешествий под солнечным парусом эксплуатировали только фантасты. Правда, в 1970-х годах NASA рассматривало солнечный парус в числе кандидатов двигателя для исследовательского зонда отправляемого к комете Галлея.
На сегодняшний день попытки вывести в космос космические аппараты оснащенные солнечными парусами набирают обороты. Но похвастаться особо пока не чем. Технология в стадии тестирования систем развертывания парусов и способов маневрирования. Не все запуски кораблей под парусом были успешными. Например, созданный на деньги Планетарного общества США, некоммерческой исследовательской организации, спутник Космос-1 (Cosmos 1) так и не был выведен на орбиту из-за аварии на старте. Второй раз Планетарное сообщество сделало попытку отправить солнечный парус на орбиту уже 20 мая 15 года. Судьба первого в истории частного космического парусника «LightSail-1» была более успешна. 7 июня прошлого года он успешно развернул свой солнечный парус и через неделю успешно завершил тестовый полёт.
Космический аппарат IKAROS
Но более интересны результаты другого эксперимента проведённого Японским космическим агентством пятью годами ранее. Космический аппарат IKAROS не только развернул свой двухсотметровый парус, но и сделал ряд селфи с помощью отправленной с корабля камеры. К слову сказать, камера отправив сделанные снимки на корабль, отправилась в самостоятельное безвозвратное путешествие в космосе, её возврат не предусматривался.
Раскрытие паруса проходило в течение недели. После чего ученые попытались регулировать скорость и направление корабля. Эксперименты прошли успешно.
Паруса не для полета
Может сложиться впечатление что под парусами можно только летать в космическом океане. Но это не так. Проект ИКИ РАН и НПО им. Лавочкина который называется «Солнечная погода» предполагает направить к Солнцу космическую обсерватории. Её цель наблюдение за нашим светилом и предупреждение о предстоящих магнитных бурях.
Обсерваторию планируется отправить и удерживать на максимально близком расстоянии от Солнца которое только возможно с нынешними технологиями - три миллиона километров. К примеру, среднее расстояние от Солнца до Меркурия, самой близкой к светилу планеты 58 миллионов километров, а до Земли - 149 миллионов километров.
Парус площадью 1000 квадратных метров будет использован для компенсации притяжения Солнца. Это будет самый близкий построенный человечеством аппарат, находящийся около нашей звезды.
Ещё одна задача с которой могут справиться солнечные паруса - это удержание спутников на так называемых нонкеплеровских орбитах. Европейское космическое агентство вплотную занимается решением этой задачи. С помощью паруса, космические аппараты смогут зависать над полюсами Земли.
Проект «Знамя-2»
Другим интересным направлением в использовании солнечных парусов, является создания «дня» там, где положено быть ночи. Выведенный на орбиту и установленный под нужным углом солнечный парус отбрасывает на поверхность Земли «солнечный зайчик». Таким образом можно освещать заполярные города во время полярной ночи или места стихийных бедствий и катастроф. Первый подобны эксперимент был проведён Консорциумом «Космическая регата» в феврале 1993 года в рамках проекта «Знамя-2». Яркое пятно света шириной 8 км прошло всю Европу со скоростью 8 км/сек. Диаметр солнечного паруса составляла 20 метров.
Собственно говоря, это уже не солнечные паруса, а солнечные зеркала, хотя технология их изготовления та же.
Технологии парусов – солнечные, электрические, лазерные
Технологию солнечного паруса можно рассмотреть на примере уже упомянутого японского проекта IKAROS. Солнечный парус космического корабля был изготовлен из полиамидной плёнки толщиной всего 7,5 мкм. Собственно говоря это было даже 4 паруса трапецевидной формы. В саму пленку были вшиты фотоэлементы для вырабатывания электричества и солнечные рули. Разворачивание паруса происходило за счет вращения космического аппарата вокруг своей оси со скоростью 20 оборотов в минуту. В результате после раскрытия паруса получился квадрат 14 на 14 метров шириной.
Поверхность таких парусов зеркальная. Фотоны солнечного света, отражаясь от солнечного паруса передают ему свой импульс, приводя тем самым в движение космический аппарат. Причем речь идет именно о солнечном свете, то есть потоке фотонов, а не о солнечном ветре. Хотя, может показаться, что слова «солнечный ветер» больше ассоциируется со словами «солнечный парус».
Если же говорить о солнечном ветре, то до недавнего времени идеи запрячь его в паруса казались не реальными. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы - заряженных частиц, как правило, электронов и протонов. Они более медленные чем фотоны, а сам ветер более разрежен. Тем не менее, использовать его для полетов вполне возможно, а в некоторых ситуациях парус использующий солнечный ветер даже более эффективен чем солнечный.
Такой парус, в силу своей природы, называется электрическим. Концепция такого паруса предложена финским ученым Пеккой Янхуненом в 2006 году. Реализация в представлении NASA (проект HERTS) представляется следующим образом.
Электрический парус, который уже в общем-то и не парус, будет состоять из 10-20 металических тросов длиной 20 км и диаметром примерно 1 мм каждый. Выйдя в точку начала полета космический аппарат начнет, вращается со скоростью один оборот в час. За счет центробежной силы тросы вытянутся в длину.
Проект HERTS
Бортовая электронная пушка аппарата создает луч электронов, направленный против движения, вследствие чего тросы приобретают положительный заряд. Алюминиевые или стальные тросы, ученые пока не решили на чем остановится, отталкивают ионы солнечного ветра, импульс передается от ионов к парусу в следствие чего происходит разгон корабля.
У всех разрабатываемых космических парусников имеется своя специализация, обусловленная «ветрами» которые они ловят.
Солнечный парус теряет свою эффективность уже в районе Главного пояса астероидов. Электрический, движимый силою ветра способен унести корабль гораздо дальше, но не далее гелиопаузы, границы где солнечный ветер окончательно ослабевает. Дальше, к другим звездам, нас может отправить только лазерный парус.
Лазерный парус
Лазерный парус, фактически тот же солнечный только разгоняемый давлением лазерного луча на его зеркальную поверхность. В разных проектах планируется использовать как орбитальную группировку лазеров, так и наземную лазерную систему.
Самый известный и на данный момент передовой проект использования лазерного паруса, это представленный в апреле этого года Breakthrough Initiatives. Известный меценат и предприниматель Юрий Мильнер, знаменитый физик Стивен Хокинг и владелец Facebook Марк Цукерберг рассчитывают с помощью технологии лазерного паруса добраться до ближайшей к нам звёздной системы Альфа Центавра.
Около тысячи наноспутников оснащённых лазерными парусами должны добраться до ближайшей к нам звезды за 20 лет. Такое относительно малое количество лет путешествия объясняется тем, что до скорости равной 20 процентам скорости света они будут разогнаны лазерными лучами с Земли.
А немалое количество корабликов оправдано тем, что многие из них наверняка потеряются по дороге. Но те, которые достигнут места назначения, должны будут сделать снимки обнаруженных планет и отправить их на Землю. На это потребуется ещё четыре года.
Однако стоит заметить, что реализация лазерного паруса сложнее, чем солнечного. Во-первых, чрезвычайно сложно построить сам лазер необходимой мощности. А это целых 100 гигаватт. Во-вторых, парус должен быть сделан из такого материала, который не расплавится после попадания на него столь мощного луча. Тем не менее, участники проекта считают, что в ближайшие годы эти проблемы будут решены.
Под парусом к ближайшим звёздам
Планета Альфа Центавра B b на фоне α Центавра А, α Центавра B и Солнца (рисунок художника)
Если в ближайшем будущем не произойдет непредвиденная революция в космических двигателях, то именно парусники станут основными кораблями исследовательских миссий следующего столетия. Нас ждет новая эпоха Великих географических открытий, но теперь в космосе. То, что сейчас мы не можем увидеть даже в самые мощные телескопы, будет сфотографировано многочисленными микрозондами отправленными к ближайшим звездам.
Рядом с нами, в каких-то двенадцати световых годах расположены двадцать четыре звезды. А значит двадцать четыре звездные системы, такие как наша. Со своими светилами, планетами и спутниками вокруг них, кометами и прочим космическим населением. И у нас есть шанс исследовать их в ближайшие сто лет до такого же уровня, как мы изучили Солнечную систему, ну как минимум на данный момент.
При этом с помощью солнечных и электрических парусов, мы за это время досконально изучим Солнечную систему. Тысячи миниатюрных корабликов отправятся на исследования Пояса Койпера в поисках неизвестных ещё транснептуновых планет Солнечной системы, к Облаку Оорта наблюдать за рождением долгопериодических комет, к Главному поясу астероидов с целью найти подходящие астероиды для добычи полезных ископаемых и к другим ранее не доступным целям.
