Новый космический аппарат NASA будет летать с помощью света

В 1418 году европейские парусники покинули свои порты, чтобы исследовать Атлантический океан, и началась эпоха Великих географических открытий. В 2018 году небольшой космический зонд развернет парус и начнет путешествие к далекому астероиду. Это будет первый космический аппарат NASA, который будет двигаться за пределами орбиты Земли исключительно за счет солнечного света. Такая технология может открыть дорогу недорогому исследованию Солнечной системы и в конечном счете межзвездного пространства.

Зонд Near-Earth Asteroid Scout стоимостью 16 миллионов долларов входит в число 13 ценных грузов, объявленных NASA на днях. Все они отправятся вместе с торжественным запуском Space Launch System — крупной ракеты, разработанной на замену космическим шаттлам, которая однажды повезет космический аппарат «Орион» на Марс.

Потребуется 2,5 года, чтобы NEA Scout достиг пункта назначения, небольшого астероида 1991 VG. Но это будет не расслабленный круиз. Непрерывная тяга будет обеспечиваться солнечным светом, бьющим в солнечный парус, и она разгонит зонд до скорости 103 000 км/ч относительно Солнца.

По истечении определенного времени космический аппарат, оснащенный солнечным парусом, может разогнаться больше, чем космический аппарат подобных размеров с помощью обычной химической ракеты.

«Парус выигрывает гонку с точки зрения конечной скорости, как черепаха обходит зайца, — говорит Лес Джонсон, технический советник по передовым концепциям NASA в Центре космических полетов им. Маршалла. Химическая ракета обеспечивает огромную начальную тягу, но в конечном счете сжигает свое топливо. — Так как парус не использует никакого топлива, мы можем поддерживать тягу, пока светит солнце».

Легкий материал

Солнечные паруса делают из сверхтонкого материала с высокой отражающей способностью. Когда фотон солнца попадает на зеркальную поверхность, он отскакивает от паруса и передает свой импульс космическому аппарату — точно так же бильярдный шар передает свой импульс, когда сталкивается с другим шаром на столе.

Идея солнечного паруса существует с 1924 года, когда легенда советского ракетостроения Константин Циолковский и Фридрик Цандер задумали космический аппарат, «использующий огромные зеркала из очень тонких листов» и «давление солнечного света для достижения космических скоростей». Спустя сорок лет писатель фантаст Артур Кларк популяризовал эту идею в своем романе «Солнечный ветер».

NASA начало инвестировать в технологии солнечного паруса в конце 90-х. В 2010 году агентство успешно запустило небольшой парусный спутник на орбиту Земли, где тот оставался 240 дней, пока не вошел в атмосферу и не сгорел.

В том же году Японское космическое агентство продемонстрировало возможность применения солнечных парусов для межпланетных путешествий. Испытательный аппарат прицепили к борту венерианского зонда «Акацуки». Аппарат с солнечным парусом под названием IKAROS был раскрыт в космосе зондом, когда тот находился в 7 миллионах километров от Земли. Спустя шесть месяцев IKAROS успешно пролетел мимо Венеры.

Солнечные паруса стали возможны благодаря революции в сфере электроники.

Все дело в том, что проект солнечного паруса является своего рода заложником второго закона движения Ньютона: сила равна массе, умноженной на ускорение. Сила солнечного света постоянна, поэтому для достижения высокого ускорения вам потребуется низкая масса.

«Еще 25-30 лет назад электроника не была настолько легкой, — говорит Джонсон. — Невозможно было представить строительство достаточно малого космического аппарата, которому не понадобится огромный парус. С появлением смартфонов и миниатюризацией компонентов, теперь мы можем сделать действительно легкий и небольшой космический аппарат, а значит ему потребуется парус разумных размеров».

Джонсон приводит в пример CubeSat — миниатюрные спутники-кубики, построенные из «готовых к употреблению» технологий. NEA Scout будет CubeSat размером с обувную коробку, которую будет толкать солнечный парус площадью 86 кв. м.

Несмотря на свои скромные размеры, зонд упакован достаточным количеством инструментов для проведения обширного исследования астероида 1991 VG, фотографируя и измеряя химический состав, размер и движение объекта.

NASA видит в такой разведке важный первый шаг к будущим пилотируемым миссиям к астероидам. Если астронавт соберется исследовать поверхность космического камня, NASA хочет быть в уверенности, что тот вращается медленным и предсказуемым образом, а не вертится волчком в различных направлениях. Аналогичным образом, космическое агентство хочет знать заранее, твердый ли астероид или же представлен грудой камней, удерживаемых силой тяжести.

Движение света

Во время своей миссии NEA Scout осуществит как минимум один медленный подлет на близкое расстояние — его скорость упадет до 10 метров в секунду, а аппарат пройдет в полукилометре от поверхности астероида. Это указывает на другое преимущество солнечных парусов: они очень маневренные, иногда даже превосходят традиционные методы движения.

Ключ к управлению парусом — будь то Атлантический океан или космос — лежит в создании асимметричной тяги. Есть много разных способов ее создать, используя небесные эквиваленты мачт и такелажа. IKAROS обладает электрооптическим покрытием, которое темнеет при подаче напряжения, поглощая свет, а не отражая его. Можно таким образом «настроить» часть паруса так, чтобы она получала в два раза меньше солнца, чем другая, и развернуть аппарат.

NEA Scout будет использовать другой подход, используя скользящий механизм, который движет CubeSat вперед и назад относительно рам, на которых развернут парус.

«Если представить баночку от колы, которая будет нашим аппаратом, и поместить сверху лист бумаги плашмя, это будет парус, — говорит Джонсон. — Потом представьте, что вы просто физически двигаете листом влево и вправо. Вот так все и будет». Наклон паруса также позволяет настроить скорость.

Гибкость космического аппарата с солнечным парусом — в сочетании с постоянной тягой, благодаря неисчерпаемому запасу топлива — открывает путь нескольким интересным возможностям.

Допустим, вы хотите отправить зонд выше плоскости эклиптики Солнечной системы, чтобы изучить северный полюс Солнца. Чтобы резко изменить направление и скорость — не используя драгоценное топливо — инженеры обычно полагаются на гравитационный маневр. «Сейчас мы должны посылать космический аппарат к Юпитеру для гравитационного маневра, чтобы вывести его из плоскости эклиптики и получить больший угол орбиты вокруг Солнца, — говорит Джонсон. — С парусом будет достаточно просто направить его вверх».

Другое потенциальное применение, уже поближе к дому, это «сидящий на полюсе» спутник. Сейчас, если вы хотите зафиксировать спутник в определенном положении относительно места на Земле — а это было бы очень кстати для технологий связи — вы можете только отправить его на геостационарную орбиту, строго над экватором, на высоту 35 786 километров над Землей.

Но с парусом «вы можете находиться над Северным или Южным полюсом Земли и вращаться вокруг Солнца с такой же скорость, с какой Земля вращается вокруг Солнца, — говорит Джонсон. — Чтобы побороть гравитацию Земли, достаточно направить парус так, чтобы он толкал вас вверх все время. Таким образом, вы зависнете неподвижно над Северным или Южным полюсом».

Положительная энергия

Фотоны — которые мы видим как солнечный свет — не единственное топливо для космического аппарата, вырабатываемое Солнцем. Ученые NASA недавно получили дополнительные средства на исследование передовой концепции сверхбыстрого паруса, подгоняемого заряженными частицами в солнечном ветре.

Называется он электрический парус, e-sail. Эту идею впервые предложил Пекка Янхунен, научный сотрудник Финского метеорологического института. Он представил аппарат, окруженный 20 тончайшими проводами длиной в 20 километров каждый.

Эти провода генерируют положительно заряженное электрическое поле, растянувшееся на десятки метров в космос. Протоны солнечного ветра, путешествующие со скоростью выше 750 километров в секунду, отталкиваются этим электрическим полем, в ответ выталкивая космический аппарат. Отрицательно заряженные частицы солнечного ветра гасятся своего рода «электронной пушкой», так что электрический парус поддерживает положительно заряженное электрическое поле.

Электропарус будет иметь много топлива. Если солнечный свет, толкающий солнечный парус, значительно ослабевает, когда космический аппарат достигает пояса астероидов, солнечный ветер по-прежнему дует сильно. Со временем электропарус можно разогнать до 100-150 км/с.

Это означает, что космические зонды могут достичь Юпитера всего за два года или Плутона за пять. Электропарус может обеспечить совершенно новые возможности для освоения космоса, позволить нам осуществить экспресс-путешествие за пределы Солнечной системы, в межзвездное пространство.

«Вояджеру-1» потребовалось 35 лет, чтобы достичь границы Солнечной системы. Солнечный парус осуществил бы такое турне за 20 лет, а электропарус — за 10.

«Должен признать, два с половиной года назад, когда мой босс пришел ко мне и сказал: «мы хотим, чтобы ты взглянул на это», я откровенно поржал, — говорит Брюс Вигманн, системный инженер NASA. — Потом мы посмотрели и сказали, мол, весьма интересно. Прошли путь от неверующих к верующим».

На самом деле, Вигманн считает, что прототип можно запустить всего за пять лет. Но придется решить пару важных вопросов. Хотя электропарусу не нужно топливо, ему нужен мощный источник энергии для электронной пушки, которая отбивает электроны. Как много энергии? Зависит от количества электронов, которое собирает электропарус. Специалисты NASA изучают этот вопрос с помощью заряженного провода в плазменной камере, имитирующей солнечный ветер.

Еще одна проблема заключается в предотвращении изгибов тонких длинных проводов по мере воздействия на них солнечного ветра. Решение: вращать аппарат со скоростью, которая будет обеспечивать достаточно центробежной силы, чтобы провода оставались натянутыми.

Следующая остановка: Альфа Центавра

За пределами NASA у Леса Джонсона есть и другая работа: он пишет фантастику. На самом деле, он благодарен роману «Сучок в глазу Бога» 1974 года за пробуждение интереса к солнечным парусам.

Неудивительно, что он грезит о далеком будущем. Он хочет, чтобы солнечный парус отправился в другую солнечную систему.

«Мы могли бы построить большой лазер, — говорит он. — По мере того как парус удаляется от Солнца и солнечного света становится все меньше, можно подсвечивать его светом лазера, продолжая движение. Лазер будет оставаться на орбите Солнца, продолжая разгонять парус все быстрее и быстрее, пока тот не покинет Солнечную систему».

Разумеется, остаются технические трудности, которые придется решить. Во-первых, парус должен быть размером с Техас. И орбитальный лазер должен будет вырабатывать энергию, объем которой можно сравнить с той, что вырабатывает весь мир сегодня. Звучит, конечно, так себе, но за сто лет многое можно сделать.

Первое космическое судно, созданное людьми и отправленное в другую систему, может прибыть туда как его океанические предки во время эпохи Великих географических открытий: под развернутыми парусами, идущее по звездам.

hi-news

Опубликовано на сайте: 2016-02-14