[Из песочницы] До Марса за три дня?
В конце февраля многие СМИ опубликовали новость о том, что НАСА придумало способ летать к Марсу и другим планетам с околосветовыми скоростями. Речь шла о работе профессора физического факультета Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипа Любина (Philip Lubin). Смысл сообщений сводился к тому, что НАСА, в лице вышеупомянутого профессора, собирается запускать зонды к планетам Солнечной системы и за пределами её при помощи подсветки лазерным лучом с Земли. Обещалась доставка 100-килограмового аппарата к Марсу за три дня и другие фантастические возможности. Видимо, по причине явной желтушности заголовков, никто не рискнул перепубликовать подобную новость здесь и на подобных ресурсах. Мне стало интересно, что же все-таки стоит за громкими заголовками и вот, что я выяснил.
В действительности, новость оказалась не такой уж и свежей, некоторые СМИ публиковали её ещё летом 2015-го года. Сейчас толчок этой теме дала публикация подкастом NASA 360 (и последующий перепост сайтом Space.com) видео ролика, популярно объясняющим предложенную технологию.
Этот ролик не содержит никаких научных и технических деталей, а состоит почти полностью из разнообразных фрагментов запусков Шаттлов и других космических видео. О самой технологии говорится лишь, что для разгона космического корабля предполагается использовать photon propulsion, т.е. энергию импульса фотонов. На самом деле, идея фотонного двигателя совсем не нова, однако исследователи предлагают совершенно новый подход — передача импульса совершается «подсветкой» движущегося объекта лазерным лучом с Земли или орбитальной платформы. Таким образом предлагается избавиться от необходимых запасов топлива на борту самого объекта, и при этом утверждается, что подобный подход позволит достигать околосветовых скоростей.
Филип Любин является руководителем проекта DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration), финансируемым НАСА. В апреле 2015-го года он опубликовал научную работу под названием «Дорожная карта межзвездных перелетов» (A Roadmap to Interstellar Flight), в которой предложил технологию передачи импульса фотонов космическому кораблю массивом лазеров, установленных на Земле, а также привел расчеты, подтверждающие теоретическую возможность этой технологии. В августе 2015-го года НАСА выделила 100 000 долларов на дальнейшие исследования этой группы.
Дальше, я постараюсь коротко изложить основные моменты, изложенные в этой работе.
В введении в работу говорится о том, что за последние 60 лет космической эры человечество достигло больших успехов в развитии космической техники, за исключением лишь скоростных характеристик космических аппаратов. К примеру, Вояджер-1 сумел покинуть Солнечную систему только после 37-ми лет полета, имея скорость в 17 км/с, т.е. 0.006% от световой. Этого явно не достаточно для полета даже к ближайшим звездам.
Для дистанционной передачи энергии предлагается использовать фотонный драйвер (photon driver) — массив лазеров, киловаттного класса, с точно совпадающими фазами, работающих как единый источник света. Такой подход позволит отказаться от разработки единого сверхмощного лазера, а также гигантских оптических систем (поскольку каждый лазер в массиве имеет собственную оптическую систему). Подобный массив описывается в других работах исследовательской группы под названием DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and ExploRation). Питание массива предлагается обеспечивать за счет энергии соответствующего набора солнечных батарей.
Массивы DE-STAR предлагается строить разного размера, в логарифмической прогрессии от их номера. Т.е. DE-STAR 1 будет иметь сторону 10 метров, DE-STAR 2 — 100 метров и так далее. Для примера приводятся характеристики массива максимального размера DE-STAR-4 и мощностью 50–70 Гигаватт, который, находясь на низкой земной орбите, позволит разогнать фемтоспутник (выполненный в виде единого кристалла, массой порядка 1 грамма) с парусом со стороной 1 метр, выполненным из тонкой пленки, до скорости около 26% от световой примерно за 10 минут. Такой аппарат доберется до марса за 30 минут, обгонит Вояджер-1 менее, чем за 3 дня и доберется до Альфы Центавра примерно за 15 лет. В качестве других примеров, говорится, что такой массив мог бы разогнать объект массой в 100 кг до порядка 2% скорости света, а объект массой в 10 000 кг до 1 000 км/с.
С учетом того, что на разгон фемтоспутника требуется совсем немного времени, после чего массив лазеров оказывается фактически не нужным, теоретически можно запускать ежедневно сотни таких аппаратов и за год запустить их около 40 000 штук, что позволит иметь по одному на каждый квадратный градус небосвода (предполагается, что суммарная масса всех фемтоспутников составит около 80 кг).
Далее в работе приводятся расчеты необходимой энергии для разгона объектов до околосветовых скоростей, а также расчеты необходимых размеров парусов для сбора передаваемой энергии. Также предлагается использовать часть полученной энергии на собственные нужды космического аппарата, что с одной стороны снизит эффективность передачи энергии, а с другой стороны, позволит существенно облегчить сам аппарат. Кроме этого приводится конструкция и расчеты, необходимые для постройки массива лазеров.
Серьезной проблемой может стать торможение прибывшего на место аппарата. Для этого предлагается использовать энергию излучаемых звездой фотонов, звездный ветер, а также магнитное связывание с плазмой звездной системы. Указано, что потребуется много лет экспериментов, чтобы научиться пользоваться этими возможностями, но уже сейчас доступны пролетные миссии.
Еще одним практическим аспектом использования массивов лазеров может быть дальняя связь с аппаратами. Для примера приводится расчет снова для массива DE-STAR-4 с длинной волны 1.06 нм и мощностью 50 Гигаватт. Говорится, что на расстоянии в 1 световой год диаметр светового пятна составит 2×106 метров (2 000 км), что для зонда массой 100 кг и приемной антенной, диаметром 30 метров, позволит получать данные со скоростью 2×1018 бит/с (предполагая, что для кодирования 1-го бита аппарату требуется получить 40 фотонов). При этом, аппарат имея на борту лазерный передатчик мощностью 10 Вт сможет передавать аналогичным образом информацию со скоростью 1×109 бит/с (т.е. 1 Гбит/с). Аналогичным образом, рассчитано, что находясь вблизи Проксимы Центавра данная система передачи данных обеспечит скорость около 70 Мбит/с. Т.е. у человечества появится возможность смотреть в реальном времени видео трансляцию из соседней звездной системы.
В качестве дополнительных возможностей использования лазерного массива предлагаются военные и защитные цели, например защита от астероидов, а также передача сигналов внеземным цивилизациям.
В конце статьи приводятся некоторые расчеты для будущих космических аппаратов, отправляемых с помощью лазерного массива, мощностью 70 Гигаватт:
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 г | 0.85 м | 186 с | 4.01×109 м | 4.31×107 м/с | 0.14 | 6.10×107 м/с | 0.20 | 2.37×104 г |
| 10 г | 2.7 м | 1050 с | 1.27×1010 м | 2.43×107 м/с | 0.081 | 3.43×107 м/с | 0.11 | 2.37×103 г |
| 100 г | 8.5 м | 5880 с | 4.01×1010 м | 1.36×107 м/с | 0.046 | 1.93×107 м/с | 0.064 | 237 г |
| 1 кг | 27 м | 3.32×104 с | 1.27×1011 м | 7.67×106 м/с | 0.026 | 1.08×107 м/с | 0.036 | 23.7 г |
| 10 кг | 85 м | 1.86×105 с | 4.01×1011 м | 4.31×106 м/с | 0.014 | 6.10×106 м/с | 0.020 | 2.37 г |
| 100 кг | 270 м | 1.06×105 с | 1.27×1012 м | 2.43×106 м/с | 0.0081 | 3.46×106 м/с | 0.011 | 0.237 г |
| 1000 кг | 850 м | 5.88×106 с | 4.01×1012 м | 1.36×106 м/с | 0.0046 | 1.93×106 м/с | 0.0064 | 0.0237 г |
| 10 000 кг | 2.7 км | 3.32×107 с | 1.27×1013 м | 7.67×105 м/с | 0.0026 | 1.08×106 м/с | 0.0036 | 2.37×10–3 г |
| 100 000 кг | 8.5 км | 1.86×108 с | 4.01×1013 м | 4.31×105 м/с | 0.0014 | 6.10×105 м/с | 0.0020 | 2.37×10–4 г |
- Масса аппарата
- Размер паруса
- Время, за которое аппарат удаляется на расстояние, при котором пятно лазерного луча полностью освещает парус
- Расстояние от источника света, при котором пятно лазерного луча полностью освещает парус
- Скорость в этой точке
- Доля от скорости света
- Максимальная скорость при постоянном освещении
- Доля от скорости света при постоянном освещении
- Ускорение в момент, когда пятно лазерного луча полностью освещает парус
Таким образом, в статье говорится о том, что предложенная технология, несмотря на свою фантастичность, вполне возможна в обозримом будущем и явно более реальна, чем кротовые норы, телепортация и двигатели на антиматерии. Конечно, потребуется какое то время, пока технологии разовьются достаточно, для того, чтобы создать космические корабли весом в единицы граммов и необходимые для разгона лазерные массивы. Соглашаться с этим или нет — каждый может решить самостоятельно. Для меня важно, что НАСА также увидели здравое зерно в этой работе и финансирует дальнейшие разработки. Следующими шагами может стать сначала наземная отработка технологии передачи импульса, а затем испытания на орбите земли лазерных массивов разной мощности.
Как и полагается, у предложенной теории существуют противники. Помимо технической невозможности осуществить запуск такого космического аппарата в настоящее время, называют и другие теоретические и практические сложности. Например говорят о сильном нагреве лазерного паруса во время работы лазерной установки или о том, что если парус (а он должен отражать 99.99% полученной энергии) отразит 70 Гигаватт энергии обратно в лазерный массив, то последнему не поздоровится. Также упоминают 3-й закон Ньютона, согласно которому на космическую платформу, на которой будет установлен массив лазеров, будет действовать колоссальная сила противодействия (правда сама платформа по расчетам тех же критиков будет иметь запредельную массу порядка 300 000 тонн).
В любом случае, время покажет, кто был прав, а кто нет.
Прошу прощения за использование термина «фемтоспутник» для аппаратов, указанных в статье, поскольку в оригинале используется термин «wafer scale spacecraft», который никаким известным мне термином не переводится.
Список ссылок:
- Новость на сайте Space.com
- Страница проекта на сайте НАСА
- Собственная страница проекта
- Страница о проекте в Википедии
