Инженеры Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса под руководством учёного Джона Бенкоски собрали прототип солнечно-теплового двигателя для межзвёздного зонда. Установку ещё нескоро можно будет применить на реальном зонде, однако это и не было целью эксперимента — учёные хотели подтвердить, что такой принцип работы имеет смысл и его эффективность будет высокой, пишет Wired. 

На данный момент лишь два космических аппарата (как утверждается) смогли покинуть пределы Солнечной системы — «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Однако они были построены для исследования Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, в то время как для путешествия за пределы системы они не приспособлены — аппараты не оснащены достаточным количеством приборов, которые помогли бы изучить границу Солнечной системы и межзвёздного пространства — гелиопаузу. К тому же Вояджеры движутся слишком медленно — всего лишь 60 тысяч километров в час, что позволило им приблизиться к гелиопаузе только за 50 лет. 

В конце 2019 года НАСА обратилось к Лаборатории прикладной физики для изучения концепций межзвёздной миссии. Сейчас агентство и лаборатория работают над этой задачей сообща. Учёным предстоит решить, как попасть в межзвёздное пространство за относительно разумный промежуток времени — и использование двигателей на солнечной тяге может стать решением этой проблемы. 

Установка расположена на заднем дворе кампуса университета и состоит из двух частей: массива светодиодов, который исследователи называют «солнечный симулятор», и непосредственно самого двигателя. Журналисты Wired, которых пустили к установке, рассказали, что двигатель выглядит как чёрно-белая плитка, через которую протекает сжиженный гелий — газ проходит через змеевик. При включении света «симулятор», как утверждают учёные, светит с интенсивностью в 20 раз выше солнечной (на каком расстоянии от светила, не указано), гелий поглощает тепло и вырывается из сопла, создавая таким образом реактивную тягу. 

Подобную установку двигателя с принципом работы на солнечной тяге тестируют впервые. Учёные пояснили, что именно теоретическая проверка и была главной целью эксперимента: «Это показывает, что солнечные тепловые двигатели — не фантастика. Они действительно могут работать», — говорит Бенкоски. Пока исследователи не называют каких-либо конкретных цифр, лишь отметив, что система сработала. Более подробный отчёт учёные обещают опубликовать в 2021 году. 

Команда исследователей работает над созданием зонда, который за те же 25 лет смог бы пройти расстояние в четыре раза больше, чем расстояние от Солнца до границы Солнечной системы. По словам Бенкоски, для этого нужно будет построить зонд, который не похож ни на один из использованных прежде. Так, учёные предлагают провести гравитационный манёвр у звезды — это позволит разогнать аппарат до 320 тысяч километров в час за счёт получения необходимого тепла от Солнца и приобретения дополнительного импульса из-за эффекта Оберта. 

При этом сам гравитационный манёвр будет длиться считанные часы. Это означает, что зонду придётся пройти очень близко от Солнца, и это одна из главных проблем. «Приспособиться к термоядерному взрыву размером с Солнце — довольно трудная проблема с точки зрения подбора материалов», — говорит материаловед Лаборатории реактивного движения НАСА Дин Шейх. В ходе миссии зонду предстоит провести около двух с половиной часов при температуре порядка 2500°C, что может привести к расплавлению. Поэтому команда Шейха подобрала новые материалы, которые можно нанести в качестве наружного покрытия на корпус зонда, что позволит отражать тепловую энергию. 

Кроме того, исследователи в качестве одного из возможных вариантов предлагают использовать водород в реактивном двигателе вместо гелия. Теоретически, это может значительно увеличить эффективность двигателя. Однако водород будет нагреваться до экстремально высоких температур. Поэтому учёным предстоит подобрать также материалы покрытия для теплового экрана зонда. 

По словам Бенкоски, учёным предстоит ещё много работы — эксперименты, которые они проводили, пока слишком ограничены. Опыты ставились при сравнительно низких температурах, а также не использовали те же материалы и топливо, которые использовались бы в реальной миссии. Однако результаты экспериментов соответствуют моделям, которые предсказывали работу межзвёздного зонда на солнечной тяге, и это главное, считают инженеры.

«Мы запустили систему, которая никогда не сможет летать. А теперь следующий шаг — мы начинаем заменять каждый из её компонентов тем материалом, который мы бы поместили на настоящий космический аппарат для успешного гравитационного манёвра» — говорит Бенкоски.