Сегодня космические агентства мира находятся в поисках инновационных идей по разгону космических аппаратов, которые позволят побыстрее добираться до планет и других тел Солнечной системы. Это, например, концепция «Бимодального NTP/NEP с циклом топпинга волнового ротора» от НАСА, которая теоретически позволит добираться до Марса за 45 дней, или китайский ядерный космический аппарат, предназначенный для исследования Нептуна и его крупнейшего спутника, Тритона. Но если подобные идеи и способны предложить нам новые удобные способы исследования нашей планетной системы, выход за её пределы всё ещё представляется чрезвычайно затруднительным мероприятием.
Космический зонд Helios-2, запущенный в 1976 году для исследования солнечной активности, сегодня держит рекорд по максимальной скорости для космических аппаратов – 252 792 км/ч или 70 220 м/с. Для этого ему потребовалось воспользоваться эффектом гравитационной пращи. Но и такому аппарату на достижение ближайшей к нам звезды, Проксима Центавра, расположенной в 4,25 световых годах от Солнца, потребовалось бы около 19 000 лет.
Другим вариантом разгона космических кораблей будет использование внешних по отношению к ним источников энергии – например, лазеров (как развитие идеи солнечного паруса). А в новой работе от исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предлагается разгонять беспилотный корабль весом в тонну при помощи луча из дробинок. По расчётам, допинать таким образом корабль до границ Солнечной системы получится менее, чем за 20 лет.
Концепцию разгона кораблей дробью предложил Артур Давоян, адъюнкт-профессор университета. Её вместе с тринадцатью другими предложениями отобрали для дальнейшего изучения и разработке по программе инновационных передовых концепций NIAC от НАСА. Предложение Давояна построено на недавних работах, разрабатывающих концепцию разгона аппаратов при помощи направленной энергии для создания обсерватории на основе солнечной гравитационной линзы.
Гравитационное линзирование галактики и кольцо Эйнштейна
По словам Давояна, сегодняшние корабли используют концепцию реактивных двигателей, в которой чем быстрее из ракеты вылетает топливо, тем эффективнее она работает. Но количество топлива, которое можно взять на борт корабля, ограничено – а, следовательно, ограничена и максимальная скорость его разгона, как диктует нам формула Циолковского. Миссии исследования космоса в результате получаются дорогими и медленными. Например, использование солнечной гравитационной линзы с такими технологиями не представляется возможным.
Солнечная гравитационная линза – революционное предложение по созданию самого мощного телескопа. Концепция основана на предсказанном ещё Эйнштейном эффекте гравитационного линзирования, в результате которого массивные объекты, искривляющие пространство-время, фокусируют и усиливают свет от объектов, расположенных за ними. Это явление позволяет астрономам изучать чрезвычайно удалённые объекты.
Расположив космический телескоп на границе гелиопаузы, расположенной на расстоянии около 500 а.е. от Солнца (в 500 раз дальше, чем Земля), астрономы смогли бы изучать экзопланеты и другие объекты с разрешением, сравнимым с тем, что имелось бы у телескопа с зеркалом диаметром в 100 км. Проблема только в том, чтобы разработать двигатель, способный доставить аппарат на такое расстояние за разумное время. На сегодня только два космических аппарата достигли межзвёздного пространства: это зонды Вояджер-1 и 2, запущенные в 1977 году. Сейчас они находятся на расстояниях в 159 и 132 а.е. от Солнца соответственно.
Покидая Солнечную систему, Вояджер-1 перемещался с рекордной для того времени скоростью в 17 км/с – то есть, около 3,6 а.е. в год. И всё равно зонду потребовалось 35 лет для того, чтобы достичь гелиопаузы – границы, где солнечный ветер уравновешивается межзвёздной средой. При такой скорости Вояджеру-1 потребуется 40 000 лет на то, чтобы добраться до другой звёздной системы — AC+79 3888, тусклой звёздочки в созвездии Малая Медведица. Именно поэтому учёные исследуют варианты прямого разгона космических кораблей на световых парусах, способных достичь соседних звёзд за несколько десятилетий.
Проект Starshot, спонсируемый Breakthrough Foundation, собирается стать первым примером межзвёздного перелёта.
По словам профессора Давояна, у предложенного метода есть свои преимущества и недостатки. Кораблям, разгоняемым лазерами, в отличие от обычных ракет и космических кораблей, не нужно нести с собой топливо. Их ускорение происходит благодаря тому, что лазер воздействует на корабль посредством давления излучения. В принципе такой метод позволяет разогнаться до околосветовых скоростей. Однако лазерные лучи на больших расстояниях имеют склонность к расфокусировке, что ограничивает радиус действия подобной системы. Схема требует использования лазеров чрезмерной мощности, измеряемой в гигаваттах или даже тераваттах, что накладывает ограничения на массу корабля.
В качестве примера можно привести проект Project Dragonfly, исследующий принципиальную возможность создания подобной системы, ведущийся в институте межзвёздных исследований i4is. Такая миссия теоретически может достичь соседней звёздной системы лет за сто. Проект Breakthrough Starshot, предлагающий использовать массив из лазеров мощностью 100 ГВт, который будет ускорять флот из очень маленьких кораблей (Starchip). При максимальной скорости в 161 млн км/ч, или 20% от скорости света, Starshot сможет долететь до Альфы Центавра за 20 лет. Вдохновившись этими проектами, Давоян с коллегами предложили новый вариант старой идеи: луч из дробинок.
По расчётам учёных, подобный луч сможет довести корабль массой в 900 кг на расстояние в 500 а.е. от Солнца менее чем за 20 лет. Давоян говорит, что в данном случае луч, который будет разгонять корабль, будет состоять не из фотонов, а из мелких дробинок. Каждая из них будет разгоняться до сверхвысокой скорости при помощи лазерной абляции, и дробинки будут передавать полученный импульс кораблю. Дробинки способны передавать гораздо больше импульса, чем фотоны.
При этом дробинки остаются достаточно маленькими и лёгкими для того, чтобы разгонять их при помощи относительно маломощных лазеров. В целом Давоян с коллегами считают, что однотонный космический корабль можно разогнать до скорости порядка 30 а.е. в год при помощи лазерного луча на 10 МВт. В первой фазе проекта планируется продемонстрировать работоспособность концепции луча из дробинок посредством подробного моделирования различных подсистем и экспериментов. Также будет проведено исследование того, возможно ли применять луч дробинок для запуска межзвёздных миссий по исследованию ближайших звёзд, способных добраться до места назначения в течение жизни одного человека.
По словам Давояна, луч дробинок способен перевернуть принципы изучения глубокого космоса, быстро доставляя космические корабли на сверхбольшие расстояния. Теоретически до внешних планет Солнечной системы можно будет добраться меньше чем за год, преодолеть расстояние в 100 а.е. за три года, а телескоп солнечного линзирования доставить на расстояние в 500 а.е. за 15 лет. Кроме того, в этой концепции можно использовать гораздо более тяжёлый корабль, весом до тонны, что позволяет значительно расширить спектр научных возможностей.
Телескоп солнечного линзирования позволит астрономам получать непосредственные изображения близлежащих экзопланет (к примеру, Проксима b) в многопиксельном разрешении, а также изучать спектры их атмосфер. Подобные наблюдения позволят получить прямые доказательства наличия у планет атмосфер, биосигнатур и даже вероятных техносигнатур. Получается, что одна и та же технология позволит учёным и получать прямые изображения экзопланет, и изучать их напрямую.
Комментарии (38)
raamid
25.01.2023 02:03+4Люблю поразмышлять на подобные темы :)
Идея с дробинками любопытная, однако к ней есть вопросы. Если дробинками обстреливать корабль, то придется ставить щит, способный не разрушаться в течение длительного времени. А значит тяжелый. А еще, дробинки придется выстреливать из космоса, а значит импульс будет передаваться "пушке". А "пушку" потом придется корретировать обычными двигателями. И это я даже не добрался до вопроса точности, которую нужно будет обеспечить на расстоянии миллиона километров.
Если уж решили перейти от световых лучей к традиционному веществу, может тогда целесообразнее уже сразу обстреливать корабль контейнерами с топливом? А еще проще наверное сразу взять топливо с собой.
Еще можно выбрать "попутный" астероид, прицепиться к нему и потихноку поедать в качестве топлива. Правда технологии еще нужно немного доработать.
DGN
25.01.2023 02:41Крупинками антивещества надо пулять. Оно не только передаст импульс щиту, но и даст при анигиляции ответный импульс.
Более того, если сначала начать стрелять круптнками антивещества, а потом запустить корабль, то он их в итоге нагонит и начнет тормозиться. Сами крупинки будут тормозиться межзвездными атомами водорода. Если все правильно рассчитать, то можно существенно затормозиться у цели, там как раз и атомов больше, чем ближе к звезде.
BugM
25.01.2023 02:49+2Если у вас есть антивещество в оптовых количествах и методика его удержания (а как вы его в чистом виде в открытом космосе удерживать собрались кстати? любой атом водорода бах сделает), то его проще взять с собой топливом. На таком топливе можно хорошо, далеко и быстро летать без всяких проблем. Даже околосветовые скорости достижимы.
DGN
25.01.2023 03:02Если крупинка по массе будет как 10000 атомов водорода, то и переживет она 10000 столкновений. Хранить его не надо, можно сразу из ускорителя выстреливать.
Вроде считали фотонный звездолет и не все там так уж хорошо. А при схеме с крупинками будет экономия половины массы, это должно быть очень заметно.
BugM
25.01.2023 03:07Фотонный двигатель просто не работает. Физика.
А если там разреженное облако водорода по пути? Ну там солнечный ветер и вот это вот все?
Брать с собой точно надежнее. Но вопрос хранения придется решать. По сравнению с вопросом получения антивещества килограммами и тоннами он не выглядит таким сложным.
alcanoid
25.01.2023 12:13+1переживет она 10000 столкновений
Пережить — переживёт, только куда при этом улетит?
raamid
25.01.2023 05:35Крупинками антивещества надо пулять. Оно не только передаст импульс щиту, но и даст при анигиляции ответный импульс.
Идея неплохая, если есть технология промышленного получения антивещества. Однако, нужно еще продумать как грамотно принимать антивещество на щите. Эти крупинки не будут 1:1 реагировать с веществом щита, а будут вырывать довольно значительные куски, поскольку будут происходить микровзрывы. Видели воронки от взрывов? А ведь там обычная химическая реакция, но даже ее хватает, чтобы вырвать из земли массу, которая в десятки раз превышает массу взрывчатого вещества.
alcanoid
25.01.2023 12:22+1Более того, на полезную нагрузку будет передаваться ударная волна, что скажется на её сохранности не лучшим образом.
Тогда нужен не щит, а парус: взрывать крупинку надо на некотором удалении от него и ловить парусом излучение. Но и тут возникает вопрос точного попадания крупинкой вещества в летящую через бездну крупинку антивещества, гарантий стопроцентной реакции или защиты от разлетающихся непрореагировавших кусов крупинок.
raamid
25.01.2023 02:45+4А как вам такая идея: летим до Луны, садимся на нее. А на самой Луне у нас будет магнитная пушка, которая будет разгонять корабль до нужной скорости.
Конечно же, для реализации этой идеи потребуется не один десяток лет (может сотни). А пока, пусть повисит на Хабре, дожидаясь своего времени :)
flx0
25.01.2023 08:44+2Это в принципе единственная адекватная идея для любого хоть сколь-нибудь масштабного освоения космоса.
agat000
25.01.2023 10:51Можно и на орбите Луны, станцию-катапульту. При нормальном освоении подвозить топливо будет несложно, прямо с Луны.
raamid
25.01.2023 11:55Все что на орбите будет требовать компенсации импульса. Можно конечно запускать корабли в разные стороны с учетом дальнейших гравитационных маневров.
agat000
27.01.2023 05:02После выстрела просто корректировать орбиту движками. Если топливо производить на Луне - проблем нет. Хотя с поверхности конечно проще.
raamid
25.01.2023 19:01Еще можно выбрать "попутный" астероид, прицепиться к нему и потихноку поедать в качестве топлива. Правда технологии еще нужно немного доработать.
Кстати, вот и технология. Устанавливаем на астероид электромагнитную катапульту. Распиливаем астероид на куски, кладем их в катапульту и стреляем для получения реактивной тяги. Энергию берем от Солнца.
Этот метод также можно будет использовать для борьбы с опасными астероидами.
agat000
27.01.2023 05:04Тогда уж использовать вещество астероида в качестве реактивного рабочего тела, испарять в ядерном реакторе. Так эффективнее. Только реактор нужен, желательно ТЯ.
raamid
27.01.2023 18:28Это конечно лучше, просто я пытаюсь мыслить в рамках доступных технологий, а ядерный, тем более термоядерный реактор в космосе - это пока что не очень доступно. ИТЭР уже лет 20 на Земле строят и никак не достроят.
polar_winter
25.01.2023 05:14+4до скорости порядка 30 а.е. в час
что быстрее скорости света, наверно имелось ввиду в год
koresh_builder
25.01.2023 06:58+1А тормозить-то как такой корабль?
Wizard_of_light
25.01.2023 09:32+2raamid
25.01.2023 12:12А вот это очень интересно. Можно использовать для разгона и торможения. В выводах пишут что на 1-2 порядка эффективенее солнечного паруса, если сравнивать тягу на единицу массы.
v1000
25.01.2023 11:26+4Энергию вырабатываем за счет пара, космические аппараты разгоняем дробью. Ретрофутуризм какой-то.
dbubb
25.01.2023 11:44+3Космический зонд Helios-2, запущенный в 1976 году для исследования солнечной активности, сегодня держит рекорд по максимальной скорости для космических аппаратов – 252 792 км/ч или 70 220 м/с.
Ну вообще-то у же нет.
21 ноября 2021 года зонд Parker solar probe достиг скорости 586 865 км/ч (примерно 163 км/сек)
zVadim
25.01.2023 15:33+1Мне кажется некорректно сравнивать скорость Helios-2, до которой он разгоняется в пиригее своей орбиты вокруг Солнца на расстоянии 8,5 млн. км от него, и скорость Вояджера-1 с которой движется в 23,8 млрд. км от Солнца (в 2700 раз дальше) навсегда покидая Солнечную систему.
dbubb
25.01.2023 15:50+1Так я с Вояджером и не сравнивал. Я про Parker solar probe написал, у него такая же орбита - вокруг солнца.
А у Вояджера и скорость на порядок ниже.
arheops
25.01.2023 18:17Интересно, не посчитают ли гипотетические инопланетяне поток дробинок со скоростью 20% от световой оружием?
Ну это не говоря о точности фокусировки такого потока на расстоянии в 100ае. Подруливающих двигателей же они не имеют. Кометы в облаке аорта — есть.
johnfound
26.01.2023 00:52Никакого луча не будет, потому что дробинки эти массивные и будут двигаться по баллистическим траекториям. Оно и лазером попасть в мишень на таких расстояниях проблематично, а по сути струей садового шланга и вовсе мне кажется невозможно.
MonteDegro
26.01.2023 15:35+2Пусть хотя бы в KSP сначала такие технологические решения проверяли, что ли...
Tarson
По расчётам учёных, подобный луч сможет довести корабль массой в 900 кг на расстояние в 500 а.е. от Солнца менее чем за 20 лет
Довести то можно, а чем он тормозить-то будет чтобы остаться на этом расстоянии? Как-то особо не указывается, что если даже разогнать тот же парусник до 0,2 скорости света, то он на этой скорости и просвистит очень быстро через соседнюю звездную систему и уйдет в закат... То есть надо делать все наблюдения очень быстро и получится одноразовый телескоп.
Да и вообще там только может инопланетяне вышли в своё околозвездное пространство, а тут на их систему обрушивается рой снарядов с релятивистскими скоростями (привет от соседей). Так они нам сами войну объявят...
SLY_G Автор
Гравитационное торможение никто не отменял.
arheops
А посчитайте сколько он будет находится возле звезды с такой скоростью то.
Milliard
Ему тормозить не нужно. У гравитационно-линзового телескопа фокус не точка, как у оптического, а линия, начинающаяся в 550 а.е. от Солнца и заканчивающаяся на бесконечности.
johnfound
А зачем тогда нам Солнце? Пусть используют любую звезду и все.
А вообще, вся статья звучит бредово.