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
Комментарии (47)
voyager-1
08.05.2018 14:05+3Пыль — другая проблема, но, согласно расчетам ученых, к концу путешествия пыль повредит не более 0,1% общей площади паруса.
А вот тут по расчётам выходит потеря 1,5 мкм/год толщины лобового щита, с учётом всех ухищрений (на значительно большей скорости правда). И для проекта требуется материал с огромным коэффициентом отражения (чтобы парус не поплавился при разгоне), при том что материалов даже близких к таким показателям пока не были получены и неизвестно даже можно ли такие получить.
saag
На мой взгляд, даже это решение более близко к реальности, чем наземные лазеры, дерзнувшие превзойти по светимости Солнце…
Ну в ITER вполне дерзнули обойти по характеристикам Солнце в самом его ядре — и пока всё получается. Так что лазеры с необходимыми свойствами наверняка можно получить. Вопрос только к технической реализации самих зондов сейчас стоит.Nuwen
08.05.2018 14:19+1Парус это не лобовой щит, на нём не образуются микрократеры от налетевших частиц. Пылинки будут оставлять отверстия размером с себя, а атомы водорода и электроны будут просто проходить насквозь, почти не оставляя следа.
В оригинальном тексте явно имелось ввиду именно 10 квадратных километров площади, так как размеры названы достаточно впечатляющими —Those speeds—and the acceleration needed to get there—provide a rough idea of the size of the sail we'd need, and the dimensions are pretty impressive: 10 square meters but weighing less than a gram.
Так что парусу такой площади не грозит расплавление от лазерного луча, за счёт малой концентрации.Mad__Max
08.05.2018 17:04Как метры в километры превратились?
Nuwen
08.05.2018 18:05Тогда непонятно, почему в оригинале сказано что размеры pretty impressive. Квадратные километры это необходимые порядки для солнечных парусов, например. Хотя, если посчитать, то фольга толщиной в сотни атомов алюминия будет как раз примерно такой плотности — один грамм на десять квадратных метров.
Mad__Max
08.05.2018 20:47Потому что размеры самого аппарата там предполагаются на уровне нескольких квадратных сантиметров(фронтальная проекция). На этом фоне его развернутый парус в 10-16 квадратных метров (изначально 16 кв.м. озвучивалось, сейчас 10 кв.м.) но при этом массой всего в ~грамм — это «pretty impressive».
Если не сказать «unrealistic». Т.к. помимо толщины порядка 100 атомов для самой фольги — нужно еще как-то относительно жесткие и прочные поддерживающие структуры в этот грамм впихнуть. Иначе просто расправленную фольгу сомнет и завернет вокруг аппарата давлением света.Nuwen
09.05.2018 03:151 грамм сусального золота это 18 квадратных метров, например. Может тогда впечатляющей была названа древность технологии? 1700 лет, всё таки.
Mad__Max
10.05.2018 01:051 грамм сусального золота это НЕ 18 кв.м. Интернет говорит о типовой толщине порядка 100 нм. При плотности 19000 кг/м3 1 грамм дает:
0.001/19000=5.26E-8 м3 / 0.0000001 ~ 0.5 м2
И несмотря на на порядок больший вес «сусальное» золото толщиной порядка 100 нм порвется даже не при разворачивании паруса, а еще при попытке сделать целиковый лист размером 10-20 м2, а не мелкими «заплатками» наносимыми на какую-то гораздо более прочную поверхность.
Не говоря уже о дальнейшем воздействии мощного луча света, который порвет его как механически(давлением) так и просто расплавит из-за слишком низкого коэффициента отражения.
Т.е. нужен материал на порядок легче, при этом во много раз прочнее по механическим характеристикам и одновременно где-то с на 2-3 порядка лучшим отражением света.
arheops
08.05.2018 21:14Потому, что выдающаяся — толщина. Особенность английского языка.
с 10км нереально получить нужную жесткость(он просто превратится в сложенный зонтик)
antihydrogen
08.05.2018 19:59Как автор упомянутого вами расчета, сделаю пару замечаний:
1) Есть более серьезный, чем мой, расчет arxiv.org/abs/1608.05284
как раз для случая 0.2с. Из него получается, что за время полета до Альфы Центавра из-за ударов пыли выгорит 0.5мм толщины щита, если он сделан из кварца.
2) Для Старчипа решить эту проблему просто — после окончания разгона аппарат просто поворачивается ребром к направлению своего движения. Ну выгорит полмиллиметра с края, не страшно.arheops
08.05.2018 21:16А как его спозиционировать вдоль вектора скорости с точностью в 100 атомов на 10 метров?
Mad__Max
08.05.2018 21:20Речь про позиционирование самого аппарата, а не паруса. Парус фиг с ним, после разгона в СС его можно списывать, возможно даже специально сбрасывать отсоединяя от аппарата — чтобы он не тормозил его движение об межзведную среду и этим не вносил искажения в траекторию полета.
Nuwen
08.05.2018 14:06Десять квадратных метров, при массе в 1 грамм и толщине всего в 100 атомов? Наверное имелось ввиду 10 квадратных километров. При площади в десять метров и такой массе никакого лазера не хватит для разгона.
Mad__Max
08.05.2018 17:11Нет, в оригинале именно 10 кв.м. (хотя это не точное значени, а примерный порядок), лазеры в сотни ГВт мощностью, 99.999% коэффициенты отражения (чтобы парус нафиг не расплавился под лучами настолько мощных лазеров), ускорения разгона в тысячи G, массы аппарта (вместе с научным оборудованием, системами дальней связи и источником энергии) в единицы-десятки грамм и прочее прожектерство.
Seregaalex
08.05.2018 19:22Я так понимаю что тормозить он не собирается. Да уж. Не повезло тамошним планетянинам. Сидят себе, развиваются, только первого гуманоида в космос запустили и тут прилетает такая херовина, со всем оборудованием на скорости 20% от световой, и надписью oooops.
Mad__Max
08.05.2018 21:12Ну тормозить никто всерьез и не думает — реалистичных идей чем можно было бы затормозить такую скорость по прилету нет. Так что чисто FlyBy миссия. На бешеной скорости и без маневрирования.
Но гипотетические инопланетяне пока могут спать спокойно. Даже если подобный проект когда-нибудь и правда будет реализован, с учетом космических масштабов расстояний вероятность попасть хоть во что-нибудь материальное (одну из планет или один из космических аппаратов летающих внутри системы) стремится к нулю.
Гораздо большая проблема не пролететь вообще слишком далеко от целевой звезды — с учетом того, что собственных двигателей и серьезных источников энергии на аппарате вообще не предполагается, то и коррекции траектории после начального разгона не будет.
А при пассивном полете на дистанцию световые годы малейшая погрешность в начальном угле «прицеливания» в момент разгона выливается в сотни миллионов а то и миллиарды км отклонений на конечном участке траектории. Это если очень хорошо «прицелиться», если же прицел не очень, то есть большой риск что расстояние до звезды и планет при пролете окажется таким, что слабенькие приборы, которые возможно разместить на борту не смогут собрать больше полезной информации, чем это могут мощные наземные и орбитальные работающие из нашей СС.
Единственный выход, что если самая дорогостоящая часть (проектрирование и разработка нужных технологий и строительство «батарей» разгонных лазеров и источников энергии для них) будет реализована, то дополнительные аппараты можно производить и запускать относительно дешево и массово. И «обстреливать» ими ближайшие звезды в надежде, что хотя бы один:
1. Попадет достаточно точно.
2. Будет все еще работоспособен к моменту прилета(через десятки-сотни лет после запуска) и сможет прислать назад хоть какие-то новые данные.
ExtenZ
08.05.2018 14:24Оптимально уже не Луне или Астероиде сделать лазерную батарею
Вопрос по энег.установке открыт
/discussvanxant
08.05.2018 20:43Не дадут. А то такими лазерами с Луны уж очень удобно править миром.
Mad__Max
08.05.2018 21:16А мы
на солнце полетим ночьюразместим батарею мегалазеров с обратной стороны Луны! Для разгона аппаратов забрасываемых в дальний космосе это не помеха, а вот на Землю навести такой «луч смерти» не получится.
ExtenZ
09.05.2018 00:00с обратной стороны Луны? лазеры которые хоть 1кг силы дают в сумме? Гарин смеется в кулак, евпоча
4erdak
08.05.2018 15:24-3Да никаким он не должен быть, это просто редчайший говнопроект, который не имеет право на существование в реальном мире, одни только космические лучи сделают из него решето, не говоря уже про частицы покрупнее.
svboobnov
08.05.2018 15:54+1Будьте так добры, подтвердите свои высказывания расчётами, хотя бы приблизительной статистикой (данные возьмите хотя бы из Википедии или учебника по астрономии).
Я с удовольствием прочитаю Вашу статью.Mad__Max
08.05.2018 17:07Под предыдущими статьями уже не раз считали и прикидывали. Это уже фиг знает какое по счету повторение одних и тех же нереалистичных идей.
Но проект запущен, деньги выделены — надо создавать хотя бы информационный шум в СМИ.
tSmoker
08.05.2018 16:03Да почему никто не говорит о том как потом тормозить? Что там увидит этот аппарат за пару часов на околорелятивистских скоростях? Что передаст назад?
Nuwen
08.05.2018 16:45Развернётся и затормозит в световом потоке звезды назначения. Либо была схема, когда внешняя кольцевая часть паруса отделяется и становится огромным параболическим зеркалом, отражающим лазер в основной парус, который тормозится и даже разгоняется обратном в направлении.
antihydrogen
08.05.2018 20:50+1Для того, чтобы что-то разгонять лазером на межзвездных расстояниях — нужен лазер с апертурой размером с Землю, буквально. А возможности торможения в световом потоке звезды назначения весьма ограничены — изменение скорости больше чем на несколько десятков км/сек невозможно.
Более реалистичный вариант — магнитный парус. Это кольцо из сверхпроводящей проволоки с током, создающее магнитное поле, которое обеспечивает торможение из-за взаимодействия с межзвездной плазмой. Сила торможения пропорциональна кубу скорости, так что при скоростях меньше 1000 км/с магнитный парус крайне неэффективен, и дотормаживать до нуля придется другим способом, например электрическим парусом (положительно зараженная проволока, отталкивающая протоны солнечного ветра).
Но все эти штуки в Старчип весом 1 грамм не засунешь. Так что его и не предполагается тормозить. Он должен будет пролететь сквозь систему и сделать единственную фотографию планеты. В общем, особенного научного смысла в этом нет — фотографии экзопланет с разрешением порядка 1 км обещает проект телескопа в гравитационном фокусе Солнца arxiv.org/abs/1802.08421, а лететь до гравитационного фокуса гораздо ближе, чем до другой звезды.vanxant
09.05.2018 02:58Ну на самом деле до гравитационного фокуса Солнца и до *-Центавра расстояния одного порядка. Примерно одинаково неподъёмного для современной техники.
Mad__Max
10.05.2018 01:52Совсем не одного порядка — в статье расчеты приведены: грав. фокус солнца для интересующего диапазона электромагнитного излучения находится на расстоянии порядка 500-1000 а.е. А расстояние до центавра порядка 250 000 а.е — больше 2х порядков разницы.
При этом даже относительно простой телескоп в грав. фокусе Солнца позволил бы детально рассмотреть не только какую-нибудь ближайшую звездную систему типа Центавра, но и планеты вокруг звезд удаленных до нескольких сотен световых лет от нас.
Хотя и 500-1000 а.е. это за пределами текущих возможностей, но уже не что-то совсем фантастическое как запуск аппаратов на 250-1000 тысяч а.е. непосредственно до ближайших звезд.
differentlocal
10.05.2018 08:21Есть как минимум одно принципиальное различие — связь.
С аппаратом в гравитационном фокусе Солнца возможно поддерживать связь (естественно, дискретную) с приемлемой задержкой (для 550 а.е. round-trip получается около недели, а не 8 лет, как для Центавра + мощность передатчика и точность наводки нужны уже неадекватные совсем).
Для межзвездных экспедиций нужен совершенно другой уровень автономности, желательно — ИИ, другие технологии связи, наличие соответствующей инфраструктуры (космические ретрансляторы) и т.д.
SandroSmith
08.05.2018 18:06А как там насчёт прицеливания? Уже на четверти пути полёта этот парус будет иметь угловые размеры ~1.7х10^-11 градуса.
Spaceoddity
08.05.2018 18:45+1Так главное же импульс достаточный дать. Разгонять его весь путь не имеет никакого смысла.
У Вояджеров и Пионеров вон, вообще маршевых двигателей нет.
antihydrogen
08.05.2018 20:11+1Очень странная статья. Графен и тем более золото с серебром — совершенно неподходящие материалы для паруса. Они проводят ток, так что при мощности порядка 1 ГВт/м2 они мгновенно сгорят из-за наведенных полем лазерного пучка колебаний свободных электронов.
В оригинальном проекте в качестве материала предлагались диэлектрические зеркала, сделанные из сверхпрозрачных материалов (типа использующихся в световодах оптических линий связи). Для паруса сойдет двухслойное диэлектрическое зеркало — этого достаточно для того, чтобы отразить назад большую часть света. То что значительная часть пройдет насквозь — неважно, главное чтобы в самом парусе не поглощалось. А для защиты от лазерного излучения собственно аппарата (который сложно сделать идеально прозрачным) придется использовать полноценное многослойное диэлектрическое зеркало, практически полностью отражающее излучение на частоте волны используемого лазера.
xtala
08.05.2018 20:23Романтично. И не реалистично. На скоростях которые позволят добраться до системы Проксима Центавра в разумные сроки сей девайс размочалит.
Имхо фотонный полноценный звездолет, пока самый реалистичный проект на мой дилетантский взгляд.
Правда нужно как минимум освоить и внедрить в жизнь еще несколько футуротехнологий.
Это — термояд на холодном синтезе, для энергетической установки, анабиозные системы, искусственный интеллект для полноценного управления кораблем без вмешательства экипажа на время полета, системы терраморфинга (иначе покой хрен переться в такую даль?), ну и компонентная многоуровневая защита корабля: мощный лазер для пробивания тунеля в межзвездном газе, собственное магнитное поле для отражения всякого рода космического излучения, углеродный корпус с нанороботами для его латания. Наверное не помешал бы еще впереди хороший титановый щит.
Вообще звездолеты наверняка будут больше походить на подводные крейсера чем на стеклянные дворцы. И ЦП должен находиться где-то в центре, а не на верхних палубах с романтичными видами.arheops
08.05.2018 21:31Собственное магнитное поле — плохая идея, смотрите магнитный тормоз.
Как и лазер вперед(либо будет нехватать, либо тормозить).
Пока реалистичней всего щит из кварцевого стекла + теория вероятности, отбить и тем более обнаружить обьект крупней песчинки — нечем.
Hellsy22
10.05.2018 03:54Романтично. И не реалистично.
… термояд на холодном синтезе
Очень реалистичный набросок, ага. Чего уж сразу не варп-двигатель?
… искусственный интеллект
… системы терраморфинга
odissey_nemo
08.05.2018 20:28+1Главное — откуда они найдут прибыль для себя лично. Без этого не взлетит. А уж полетит, долетит — это не важно. Это — вторично.
Mad__Max
08.05.2018 21:31+1Прибыли не предполагается. На проект дают деньги некие странные, но богатые личности, весьма своеобразно понимающие науку и ее продвижение. Типа Юрия Мильнера.
Которые не хотят давать денег на что-нибудь реально полезное для науки (но «скучное» и «банальное»), но готовы дать на что-нибудь громкое и уникальное, пусть и почти бесполезное и малореалистичное.
Ну а ученые отметившиеся в проекте ИМХО рассуждают примерно так — у если «клиент» так уж хочет и согласен выделять деньги только под подобные проекты, попробуем извлечь хоть какую-то пользу для науки и технологий из его денег.
Разработка уникальных материалов для «паруса» или технологий фокусировки массивов лазеров на сверхбольших расстояниях потом и для другого пригодятся, даже если сам проект полностью провалится.
ferreto
08.05.2018 23:13Что-то одолевают меня сомнения, что на скорости 20% от световой этот аппарат сможет хоть что-то сфотографировать/сделать какие-то замеры…
Roman_Kor
09.05.2018 16:23+1Статья о том, что что-то когда-то изобретут. Больше всего мне нравится эта фраза:
к середине века необходимые инструменты появятся
saag
"… и тогда был создан корабль, который в горючем не нуждался, его двигатель мог питаться космической пылью..."(С) Девятая планета Тайи
На мой взгляд, даже это решение более близко к реальности, чем наземные лазеры, дерзнувшие превзойти по светимости Солнце…
Lexxnech
Неверно. Превзойти «светимость Солнца вообще» не нужно, а превзойти энергию излучения, приходящуюся на небольшую площадь элементарно. Там ~1.3 киловатта на м^2 всего.
AbrikOS3
Превзойти солнце всё таки придётся. Только не в светимости, а в параллельности лучей света