Крошечные космические корабли с лазерным двигателем могут путешествовать в дальние уголки Солнечной системы и за ее пределы.

На этом рисунке маломощный лазер (красный конус) на Земле можно использовать для смещения орбиты (красные линии) небольшого зонда (серый кружок) или для его быстрого перемещения к Нептуну и дальше. (Изображение предоставлено: адаптировано из Nano Letters 2022, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04188)

Новое исследование показало, что миниатюрные космические корабли размером с мобильный телефон могут летать по Солнечной системе с помощью парусов, приводимых в движение лазерами, что позволит крошечным космическим кораблям достигать гораздо более высоких скоростей и, потенциально, гораздо более удаленных пунктов назначения, чем ракеты с обычным двигателем.

Нынешним космическим кораблям обычно требуются годы, чтобы совершить путешествие в пределах Солнечной системы; например, зонду НАСА « Новые горизонты» потребовалось почти 10 лет, чтобы добраться до Плутона.

Теоретически космическим кораблям, использующим обычные ракеты, потребуются тысячи лет, чтобы совершить межзвездное путешествие. Например, Альфа Центавра, ближайшая к Земле звездная система, находится на расстоянии около 4,37 световых лет — более 25,6 триллиона миль (41,2 триллиона километров), или более чем в 276 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Космическому кораблю НАСА « Вояджер-1 », который был запущен в 1977 году и достиг межзвездного пространства в 2012 году, потребовалось бы около 75 000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, даже если бы зонд двигался в правильном направлении, а это не так.

Проблема со всеми ракетными двигателями заключается в том, что топливо, которое они несут, имеет массу. Для длительных полетов требуется много топлива, что делает космические корабли тяжелыми, что, в свою очередь, требует больше топлива, что делает их тяжелее, и так далее.

Предыдущие исследования показали, что « легкое плавание » может быть одним из единственно технически осуществимых способов доставить космический корабль к другой звезде в течение жизни человека. Хотя свет не оказывает большого давления, ученые давно предположили, что то незначительное давление, которое он оказывает, может иметь большой эффект. Действительно, многочисленные эксперименты показали, что « солнечные паруса » могут использовать для движения солнечный свет, если космический корабль достаточно легкий и имеет достаточно большой парус.

Действительно, инициатива Breakthrough Starshot стоимостью 100 миллионов долларов, о которой было объявлено в 2016 году, планирует запустить рой космических кораблей размером с микрочип к Альфе Центавра, каждый из которых оснащен необычайно тонкими, невероятно отражающими парусами, приводимыми в движение самыми мощными лазерами из когда-либо созданных. Согласно плану, они летят со скоростью до 20% скорости света и достигают Альфы Центавра примерно через 20 лет.

Основной проблемой, с которой сталкивается Starshot, является создание лазеров, необходимых для движения. Для этого требуется наземная лазерная установка площадью порядка 0,4 квадратных мили (1 квадратный километр) и мощностью до 100 гигаватт, что на сегодняшний день будет самым мощным лазером, когда-либо созданным на Земле.

В новом исследовании исследователи предполагают, что более скромная наземная лазерная установка — от 3,3 до 33 футов (от 1 до 10 метров) в ширину и от 100 киловатт до 10 мегаватт — все еще может оказаться полезной, отправляя крошечные зонды через Солнечной системы, разгоняя их до гораздо более высоких скоростей, чем могли бы ракетные двигатели.

«Такие лазеры можно построить уже сегодня с относительно небольшими инвестициями», — сказал Space.com старший автор исследования Артур Давоян, материаловед из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Нам не нужно ждать, пока станет доступен 100-гигаваттный лазер».

Межзвездное путешествие в разумных временных рамках накладывает больше ограничений, чем путешествие в пределах Солнечной системы. Например, Starshot стремится отправить зонды к другой звезде в течение жизни человека, поэтому ее космические корабли спроектированы так, чтобы быть необычайно легкими — каждый всего 0,035 унции (1 грамм) или около того — чтобы летать как можно быстрее, учитывая количество энергии, которое они получают. .

Лазерные паруса для межпланетных путешествий, напротив, не обязательно должны быть такими легкими. Ученые предполагают, что космический корабль для таких полетов будет весить до 3,5 унций (100 г) или около того — масса, «сравнимая с массой типичного сотового телефона», — сказал Давоян.

В то время как Starshot сталкивается с массовыми ограничениями, из-за которых сложно разместить все необходимые системы и инструменты космического корабля на одной платформе, зонд весом 3,5 унции «может быть легко оснащен всеми необходимыми компонентами, включая спектрометры, акселерометры, детекторы частиц, камеры и так далее. На — все ключевые ингредиенты для проведения надлежащей научной миссии в дальних уголках космоса», — сказал Давоян.

Кроме того, поскольку лазерный массив может запускать более одного зонда, он потенциально может отправить к месту назначения целую группу крошечных зондов, каждый с различным оборудованием. «Например, один может быть зондом магнитометра, другой оснащен камерой, а третий может служить детектором частиц», — сказал Давоян. «Мы предвидим, что многие небольшие зонды могут быть отправлены в совершенно разные места, чтобы совершить прорыв в науке».

Кроме того, поскольку межпланетные путешествия не требуют мощных лазеров, необходимых для Starshot, они также не требуют больших парусов с необычными свойствами материала, необходимыми для того, чтобы выдерживать многие требования межзвездных полетов, например, не испаряться под светом звезд. Такой мощный лазер. Исследователи предположили, что паруса из нитрида кремния или нитрида бора шириной около 4 дюймов (10 сантиметров) должны быть достаточными для полетов в Солнечной системе.

«Наша работа — это первый шаг к быстрым и недорогим межпланетным и дальним космическим полетам», — сказал Давоян. «Мы видим, что может появиться новая модель освоения космоса, при которой отдельные пользователи, обычно не имеющие доступа к космосу, теперь могут потратить всего несколько тысяч долларов и запустить настоящую миссию в дальний космос».

Лазерные массивы мощностью порядка 100 киловатт уже разрабатываются американскими военными; в 2020 году, например, прибрежный боевой корабль ВМС США USS Little Rock получил 150-киловаттный лазер. Кроме того, стоимость мощных лазеров с каждым годом быстро снижается из-за потребности в оптических телекоммуникациях, при этом лазеры мощностью 1 киловатт доступны менее чем за 10 000 долларов, отметил Давоян.

«Приблизительные оценки показывают, что [] лазерный луч мощностью 1 мегаватт может быть построен менее чем за 100 миллионов долларов, что намного меньше, чем у большинства миссий НАСА», — сказал Давоян. «Важно то, что однажды построенный излучатель можно использовать и повторно использовать для запуска нескольких зондов в разных направлениях. По сути, лазерный излучатель является первоначальным капиталовложением и после постройки служит стартовой площадкой. Затем стоимость миссии состоит из производства зондов, который, при использовании массового производства, может стоить порядка 100 долларов, запуск зондов на орбиту стоит менее 100 долларов за зонд, а затем запуск миссии в течение срока его полезного использования Таким образом, в целом лазерный подход предлагает очень низкую стоимость для исследование космического пространства."

Ученые подсчитали, что лазерный парус весом 0,035 унции с 4-дюймовым парусом, движущийся со скоростью около 112 000 миль в час (180 000 км/ч), может достичь Марса за 20 дней, по сравнению с 200 днями для марсохода НАСА Perseverance ; Юпитер за 120 дней по сравнению с пятью годами для зонда НАСА « Юнона » ; Плутон менее чем за три года по сравнению с 10 годами для корабля НАСА «Новые горизонты»; и в 100 раз больше расстояния от Земли до Солнца за 10 лет по сравнению с почти 30 годами для космического корабля НАСА «Вояджер-1».

«Тот факт, что мы можем изменить способ исследования космоса уже сегодня с минимальными вложениями, действительно вдохновляет», — сказал Давоян. «Такой подход позволяет почти каждому разработать и запустить свою собственную миссию, что раньше было невозможно. Было бы очень интересно увидеть, как студент бакалавриата отправляет свой собственный научный зонд, скажем, на Юпитер».

Теперь ученые надеются протестировать и прототипировать свои идеи. «Мы также сотрудничаем с промышленностью и правительством, чтобы продвигать некоторые из наших проектов и идей», — сказал Давоян. «Мы верим, что можем реально изменить будущее освоения космоса».