Световой парус для полета на Альфа Центавра — каким он должен быть?
Прошло уже два года после анонса проекта разработки полета автоматических станций (или станции) к Альфа Центавра, который получил название Starshot. Авторы идеи — Стивен Хокинг и Юрий Мильнер. К сожалению, Хокинга с нами больше нет, но его идеи продолжают жить, включая и план отправки робота к соседней звезде. Стоит напомнить, что на текущий момент уровень развития технологий не позволяет человеку реализовать этот проект — расчет делается на то, что к середине века необходимые инструменты появятся, и к Альфа Центавра полетят первые посланники человечества, пускай и электронно-механические.
Сам проект обсуждать пока не стоит, поскольку слишком уж много здесь различных нюансов, на эту тему можно написать целую книгу, да и не одну. Но один аспект стоит того, чтобы о нем поговорить — световой парус. Весь расчет строится на то, что аппарат будет разгоняться до высоких скоростей за счет мощных лучей лазера, направляемых на парус с обратной стороны с Земли. Отличным результатом в этом случае будет набор скорости, равный 20% от скорости света. В противном случае от такой миссии нет никакого толку — к моменту появления результатов о самом проекте никто не будет помнить (возможно, и человечество прекратит свое существование).
Парусы такого рода — не новинка. Они неоднократно описывались как фантастами, так и учеными. Более того, парус был испытан на примере аппарата IKAROS. Последний развил скорость в 400 м/с. Правда, у Starshot скорость должна быть гораздо более высокой — около 60 000 км/с. IKAROS по сравнению со Starshot — все равно, что черепаха по сравнению с Ахиллом (кто из них придет к финишу первым сейчас обсуждать не будем).
У паруса при этом есть ряд ограничений. Его площадь должна быть не меньше и не больше 10 квадратных метров, а масса при этом не может превышать один грамм. И еще одно — материал не должен быть прозрачным, чтобы лазерные лучи не проходили сквозь него, а оказывали давление. Толщина паруса, таким образом, составит около 100 атомов. Материал, который подходит по прочностным и некоторым другим характеристикам — графен. Но он будет прозрачным, если его «раскатать» до толщины в 100 атомов. Так что он может служить в качестве структурного элемента, но не более. Что использовать дополнительно — открытый вопрос.
Хорошей новостью является то, что при встрече паруса с молекулами межзвездного вещества —, а это чаще всего водород и гелий, они будут просто проходить через материал, не повреждая его. Пыль — другая проблема, но, согласно расчетам ученых, к концу путешествия пыль повредит не более 0,1% общей площади паруса. Причем сталкиваться пыль с парусом будет в большинстве случаев после того, как аппарат наберет необходимую скорость. После парус не играет уже столь важной роли.
Еще одна техническая проблема — сами лазеры. Их характеристики должны быть такими, чтобы лучи не поглощались атмосферой, большая часть пучка должна добираться до паруса и толкать его вперед. Длина волны светового луча в этом случае составит 1–2 микрометра. Золото или серебро, если ими покрыть парус, вполне способны отражать лучи лазера и ускорять парус. Но не все так просто, ведь лучи лазера не должны быть слишком мощными, чтобы не разрушить материал паруса. Этот материал не может поглощать слишком большую часть энергии лазера, в силу указанной выше причины и при этом иметь вполне определенное альбедо.
Ученые планируют создать на внутренней стороне паруса микроструктуры, которые смогут эффективно распределять энергию светового пучка, чтобы ускорение шло быстрее. Очень многое зависит от структуры, здесь возможно большое количество решений разного рода, включая неровности, отверстия и комбинации этих элементов.
И здесь проблема — ни золото, ни серебро не подходят под требования. Вообще сейчас практически нет материалов, которые соответствуют всем расчетным параметрам паруса. Более того, не для всех известных соединений известны те характеристики, которые нужно знать разработчикам паруса. Возможно, в будущем соединение с требуемыми характеристиками будет найдено, после того, как ученые проведут дополнительное изучение существующих материалов, которые можно считать потенциально пригодными для Starshot.
Изготовление паруса — сложнейшая работа, которая требует микроскопических допусков (микроскоп в данном случае электронный, а не оптический). Малейшие ошибки, и парус вместо ускорения будет тянуть свой груз в разные стороны, прямо как герои басни Крылова пытались справиться с возом.
Как бы там ни было, но человечество пока не в силах приступить к реализации этого интересного проекта, так что придется ждать.
DOI: 10.1038/s41563–018–0075–8
