Полет на Марс с помощью лазера за 45 дней
Может ли лазер отправить космический корабль на Марс? Это предполагаемая миссия группы из Университета Макгилла, разработанная для удовлетворения запроса НАСА. Лазер шириной 10 метров на Земле будет нагревать водородную плазму в камере позади космического корабля, создавая тягу из газообразного водорода для космического корабля, и отправляя ее на Марс всего за 45 дней. Там он будет тормозить в атмосфере Марса, доставляя припасы человеческим колонистам или, возможно, когда-нибудь, даже будет доставлять самих людей.
В 2018 году НАСА поставило перед инженерами задачу разработать миссию на Марс, которая доставила бы полезную нагрузку не менее 1000 кг не более чем за 45 дней, а также совершила бы более длительные путешествия вглубь Солнечной системы и за ее пределы. Короткое время доставки мотивировано желанием доставить грузы и, когда-нибудь, астронавтов на Марс, сводя к минимуму их разрушительного воздействия галактических космических лучей и солнечных бурь. SpaceX Илона Маска предполагает, что полет человека на Марс займет шесть месяцев с ее ракетами на химической основе.
Концепция Макгилла, называемая лазерно-тепловым двигателем, основана на массиве инфракрасных лазеров, расположенных на Земле, диаметром 10 метров, объединяющих множество невидимых инфракрасных лучей, каждый с длиной волны около одного микрона, для общей мощности в 100 мегаватт. Мощность, необходимая примерно для 80 000 американских домохозяйств. Полезная нагрузка, вращающаяся по эллиптической средней околоземной орбите, будет иметь отражатель, который направляет лазерный луч, идущий с Земли, в нагревательную камеру, содержащую водородную плазму. После того, как его ядро нагреется до 40 000 градусов Кельвина (72 000 градусов по Фаренгейту), газообразный водород, обтекающий ядро, достигнет 10 000 К (18 000 градусов по Фаренгейту) и будет выбрасываться через сопло, создавая тягу, чтобы оттолкнуть корабль от Земли с интервалом в 58 минут. (Боковые двигатели будут удерживать корабль на одной линии с лучом лазера при вращении Земли.)
Когда излучение прекращается, полезная нагрузка уносится прочь со скоростью почти 17 километров в секунду относительно Земли — достаточно быстро, чтобы преодолеть орбитальное расстояние Луны всего за восемь часов. Когда он достигнет марсианской атмосферы через полтора месяца, он все еще будет двигаться со скоростью 16 км/с; однако, оказавшись там, размещение полезной нагрузки на 150-километровой орбите вокруг Марса станет сложной задачей для инженерной группы.
Это сложно, потому что полезная нагрузка не может нести химическое топливо для запуска ракеты, чтобы замедлить себя — необходимое топливо уменьшит массу полезной нагрузки до менее чем 6 процентов от первоначальных 1000 кг. И до тех пор, пока люди на красной планете не смогут построить эквивалентную лазерную решетку для приближающегося корабля, чтобы использовать его отражатель и плазменную камеру для обеспечения обратной тяги, аэрозахват будет единственным способом замедлить полезную нагрузку на Марсе.
Даже в этом случае аэрозахват или аэродинамическое торможение в атмосфере Марса может быть рискованным маневром, поскольку космический корабль испытывает замедление до 8 g (где g — ускорение свободного падения на поверхности Земли, 9,8 м/с2), примерно человеческого предела, всего на несколько минут, так как он снят за один проход вокруг Марса. Большие тепловые потоки на корабле из-за трения об атмосферу будут выше традиционных материалов системы теплозащиты, но не тех, которые находятся в активной разработке.
Лазерно-тепловое движение космического корабля в дальний космос — Марс и далее — контрастирует с другими ранее предложенными методами транспортировки, такими как лазерно-электрическое движение, в котором лазерный луч попадал на фотоэлектрические (PV) элементы позади полезной нагрузки; солнечно-электрический двигатель, в котором солнечный свет на фотоэлементах создает тягу; ядерно-электрический двигатель, в котором ядерный реактор вырабатывает электричество, производящее ионы, выбрасываемые двигателем; и ядерно-тепловую двигательную установку, в которой тепло ядерного реактора преобразует жидкость в газ, который выбрасывается из сопла для создания тяги.
«Лазерно-тепловая тяга позволяет быстро транспортировать 1 тонну с лазерными решетками размером с волейбольную площадку — то, что лазерно-электрическая тяга может делать только с решетками километрового класса», — говорит Эммануэль Дюплей, ведущий автор исследования, который работал над проект в течение двух лет в рамках летней программы бакалавриата по инженерным исследованиям Университета Макгилла. Дюплей сейчас учится в Делфтском технологическом университете по программе магистра наук в области аэрокосмической техники со специализацией в области космических полетов.
Большое преимущество концепции лазерно-тепловой двигательной установки, представленной Duplay et al. является его чрезвычайно низкое отношение массы к мощности, в диапазоне 0,001–0,010 кг/кВт — «беспрецедентное», пишут они, «намного ниже даже тех, которые приводятся для передовых технологий ядерных двигателей, из-за того, что источник энергии остается включенным на Земле и доставленный поток может быть обработан маломассивным надувным отражателем».
Лазерно-тепловое движение впервые было изучено в 1970-х годах с использованием 10,6-микронных CO2-лазеров, самых мощных в то время. Современные волоконно-оптические лазеры размером один микрон, которые можно комбинировать в массивно-параллельные фазированные решетки с большим эффективным диаметром, означают, что фокусное расстояние передачи энергии на два порядка выше — 50 000 км в лазере Дюплея.
Дюплэй объясняет, что архитектура лазеров с фазированной решеткой разрабатывается группой под руководством физика Филипа Любина из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Массив группы Любина использует отдельные лазерные усилители мощностью около 100 Вт каждый — каждый усилитель представляет собой простую петлю из оптоволокна и светодиода в качестве накачки, и может производиться недорого в массовом порядке — поэтому предполагаемая здесь марсианская миссия потребует порядка 1 миллиона индивидуальных усилителей.
Первые люди на Марсе, скорее всего, не доберутся туда с помощью лазерно-тепловой технологии. «Однако по мере того, как все больше людей совершают путешествие, чтобы поддерживать долгосрочную колонию, нам потребуются двигательные установки, которые доставят нас туда быстрее — хотя бы для того, чтобы избежать радиационной опасности», — говорит Дюплей. Он полагает, что лазерно-тепловая миссия на Марс может начаться через 10 лет после первых полетов человека, то есть примерно в 2040 году.
