Солнечный парус

Принцип ускорения космических аппаратов при помощи светового паруса основан на давлении, которое оказывают фотоны на любую поверхность, передавая ей свой импульс. В качестве источника света может выступать наземная или орбитальная лазерная установка или, если говорить о межпланетной среде, Солнце. Преимущества такого метода разгона аппаратов заключается в неограниченном времени действия и отсутствия расхода рабочего тела. Считается, что использование парусов может позволить за относительно короткое время достичь ближайших планетных систем, тем не менее, это сопряжено с рядом трудностей. На сегодняшний день солнечный парус был успешно испытан на аппаратах IKAROS и LightSail 2.

Сам парус должен быть относительно большим, легким, иметь высокую отражательную способность и при этом быть достаточно прочным, чтобы выдержать процесс развертывания и влияние космического излучения. В их конструкции, в основном, используют тонкую пленку из каптона или майлара, толщиной несколько микрометров, с нанесенным на нее алюминиевым покрытием нанометровой толщины для увеличения светоотражающей способности. Однако предлагаются и другие инженерные решения, такие как пленки из алюминия, магния или бериллия или углеродного волокна.

Проект GrapheneSail, разрабатываемый европейской компанией SCALE Nanotech при поддержке Европейского космического агентства, предлагает вариант солнечного паруса, состоящего из двухслойного графена, покрывающего медную решетку, ускоряемый лазерным лучом. Такая структура позволяет снизить среднюю плотность паруса и сделать его достаточно жестким.

Команда проекта во главе с Сантьяго Картамил-Буэно (Santiago Cartamil-Bueno) опубликовала результаты испытаний модели паруса в условиях высокого вакуума и микрогравитации. Модели паруса весили 0,25 миллиграмма и представляли собой круглые медные сеточки, диаметром 3,05 миллиметра и толщиной около 30 микрометров, на которых размещались два слоя CVD графена. Образцы загружались в вакуумную камеру, к которой было подведено оптоволокно от двух лазеров с непрерывным режимом излучения, мощностью один ватт, работающих на длинах волн 450 и 655 нанометров. В камере также находилась система слежения на основе оптического микроскопа. Вся установка вместе с батареей и системой управления размещалась в капсуле, которая сбрасывалась вниз внутри 100-метровой башни ZARM Drop Tower в Бремене, тем самым, на 4,7 секунд внутри капсулы устанавливался режим микрогравитации за счет свободного падения.

Эксперименты подтвердили работоспособность паруса. Значение создаваемой тяги и ускорения для образца без графена в диапазоне мощностей лазерного излучения от 0,1 до 1 ватта, составили соответственно 31 миллиметр на секунду в квадрате и 8 наноньютонов, в то время как для образцов с графеном эти значения составили 47–992 миллиметра на секунду в квадрате и 12–248 наноньютонов в зависимости от мощности и рабочей длины волны. Полученные значения тяги на один порядок больше, чем результаты теоретических расчетов, что требует продолжения работ и вызывает большой интерес к графену в качестве материала для солнечного паруса.

автор Александр Войтюк / источник nplus1

Группировка статитов, один из которых перехватывает межзвездный объект

Во-первых, межзвездные астероиды имеют колоссальную скорость, превышающую третью космическую. Скорость Оумуамуа была около 25 километров в секунду, что примерно на пять километров в секунду быстрее самого быстрого искусственного объекта в истории — аппарата New Horizons после гравитационного маневра у Юпитера в 2007 году.

Вторая проблема косвенно вытекает из первой. Даже с очень быстрым телом можно сблизиться, уступая ему в скорости, если вовремя рассчитать точку возможной встречи. Но из-за того, что современные космические миссии готовятся годами, астероид пройдет такую точку до практически возможного запуска. Кроме того, малый удельный импульс химических ракетных двигателей оставляет недосягаемыми обширные районы Солнечной системы, так что многие потенциальные траектории сближения невозможно реализовать, даже если узнать о межзвездном теле за десяток лет. Оумуамуа уже предлагали догнать на лазерных парусах, но, опять-таки, нехватка времени сделала идею неактуальной.

Ричард Лайнарес (Richard Linares) из Массачусетского технологического института предложил поджидать межзвездный объект группой заранее выведенных кубсатов с солнечными парусами. Кубсаты — сверхмалые космические аппараты размером в пару десятков сантиметров. За счет стандартизированной платформы и серийного производства комплектующих они обходятся на несколько порядков дешевле «обычных» спутников. Также кубсаты за счет небольших размеров выгоднее запускать — одна ракета может принять на борт десятки подобных аппаратов. Такие микроспутники используются не только для студенческих проектов: например, аппараты миссии NASA Mars Cube One в 2018 году сфотографировали Марс.

Каждый кубсат исследователь предлагает снабдить солнечным парусом. Дело в том, что свет (и вообще электромагнитное изучение) оказывает давление на поверхности. Это давление чрезвычайно мало и в районе Земли составляет примерно 0,000009 ньютонов на квадратный метр. Однако, если парус очень большой, а масса относительно невелика, то эту силу можно использовать для разгона полезной нагрузки. Стоит отметить, что на 2020 год ни один космический аппарат еще не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя, поскольку его материал должен быть очень легок, но проводились удачные эксперименты.

Экспериментальный аппарат с солнечным парусом Lightsail-A

Для пролета мимо межзвездного объекта предлагается использовать частный случай аппарата с солнечным парусом — статит. Так называют искусственный спутник, который не движется по орбите, а неподвижно зависает около небесного тела при помощи солнечного паруса в точке, где силы гравитации уравновешивают давление на парус, как если бы ветер дул в парашют снизу вверх.

Согласно концепции, группа исследовательских кубсатов должна равномерно распределиться вокруг Солнца. Поскольку им не требуется топливо, ожидать они могут неограниченно долго. При обнаружении межзвездного астероида подходящий аппарат сбросит парус по команде с Земли в расчетный момент, чтобы под действием притяжения Солнца упасть в точку встречи, откуда передаст научные данные. Чем больше статитов запущено, тем больше шансов, что объект пролетит под одним из них.

Траектории перехвата астероида, достижимые за счет небольшого запаса топлива на борту зависающего статита

Если все пройдет хорошо, то ученые смогут получить изображения и спектроскопию внесолнечного объекта с близкого расстояния, вплоть до нескольких десятков километров. На данный момент идея прошла первую стадию отбора конкурса Продвинутых инновационных концептов NASA и теперь ученые должны ответить, реализуем ли этот проект на практике.

NASA регулярно инвестирует деньги в проекты, которые звучат фантастично, но могут привести к прорыву. Например, агентство профинансирует разработку ракетного двигателя, который сам набрызгивает посадочную площадку в процессе посадки, а также рассмотрит возможность создания гигантского радиотелескопа на обратной стороне Луны.

источник plus1 / автор Василий Зайцев

Таинственный межзвездный астероид Оумуамуа может быть аппаратом с гигантским солнечным парусом, который был послан внеземной цивилизацией для поиска жизни в других системах. Астероид Оумуамуа прибыл в нашу солнечную систему в октябре 2017 года и сразу же приковал внимание ученых своей странной траекторией и меняющейся скоростью, а в октябре 2018 года ученые не смогли найти его в том месте, где он должен был находиться. Однако Оумуамуа все еще продолжает будоражить умы исследователей.

В том числе на днях астрономы из Гарвардского Смитсоновского центра астрофизики (АКФ) проанализировали странную сигарообразную форму объекта, а также резкое повышение им скорости и сдвиг в траектории. И после этого они пришли к неожиданному выводу, заявив, что Оумуамуа вероятно представляет собой огромный солнечный парус искусственного происхождения. По их мнению внезапное ускорение объекта, когда он зашел в нашу солнечную систему, вероятно вызвано воздействием света нашего Солнца. Ранее предполагалось, что в ускорении виноват газ, который вышел из астероида, но гарвардские астрономы говорят, что если бы это был газ, то это бы заставило астероид крутиться. Солнечный парус представляет собой устройство, которое собирает на своей поверхности солнечный свет и за счет него двигает транспортное средство в космическом пространстве. То есть в точности как парус ведет лодку, полагаясь на силу ветра.

https://arxiv.org/pdf/1810.11490.pdf

https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/29616-mezhzvezdnyy-gos...

Пройти 4,37 светового года на скорости в 20% световой (то есть очень быстро) за двадцать лет — такой сценарий кажется совершенно фантастическим. В такое путешествие Стивен Хокинг и российский миллиардер Юрий Мильнер хотят отправить крошечный (размером с почтовую марку) космический аппарат. Этот проект под названием Breakthrough Starshot ставит задачу послать «наноаппарат» к Проксиме b, планете земного типа в солнечной системе Альфа Центавра, что неподалеку от нас.

Однако одна из главных проблем этого далеко идущего плана заключается в «тормозах» космического аппарата, которые ему нужно задействовать, чтобы остановиться. Поскольку это небольшое судно будет мчаться в космосе на скорости 13 800 километров в секунду, определить, как его замедлить, будет необходимо, но довольно сложно. Если тормозные механизмы сработают неверно, космический аппарат пролетит через всю солнечную систему и не сможет собрать необходимую информацию.

Один из предложенных методов по решению этой проблемы заключается в солнечном парусе. Это должен быть парус, который разворачивается ближе к цели аппарата и использует гравитационное притяжение и радиацию ближайших звезд, чтобы выйти на орбиту и замедлиться. Для этого придется изменить изначальный план. Аппарат придется увеличить от размеров почтовой марки до куска мыла (меньше 100 граммов). В дополнение к этому парус — большая, легкая структура — будет помогать аппарату ускоряться и замедляться.

Чтобы ускорить аппарат, парус будет поглощать фотоны Солнца, а чтобы замедлить, будет поглощать излучение по мере приближения к цели. Это излучение, как полагают, позволит зонду устремиться к планете земного типа. Точно попасть в нужную солнечную систему и без того довольно сложно, но переход к Проксиме b будет намного сложнее. Эта концепция парусного судна будет медленнее, чем оригинальный дизайн Breakthrough Starshot, но команда надеется, что парус получится улучшить.

Блуждая по Вселенной

Первоначально план Breakthrough Starship предполагал, что вместо простой посадки на планету земного типа Проксима b флот таких наноаппаратов можно будет развернуть, чтобы исследовать более крупные межзвездные области. Хотя в теории эта возможность кажется многообещающей, не так-то много информации можно собрать, кувыркаясь в пространстве с огромной скоростью. Основной целью такого флота должен быть сбор информации о возможных признаках жизни, и на этом, в принципе, пока всё.

Хотя судно покрупнее нельзя будет развернуть большим флотом, оно может приземлиться на Проксиме b и собрать более подробную и полезную информацию. Кроме того, оно могло бы пройти больше расстояния и осуществить удаленную съемку, собрав больше данных, что важно. У такого аппарата будет уже не доля секунды на сбор данных, а столько времени, сколько потребуется — по крайней мере пока он не сломается.

Несмотря на то, что ученым и инженерам придется перебрать много концепций и оценить множество нюансов, важно не забывать о цели миссии: учиться. Независимо от типа аппарата, который будет развернут, это будет важный и недолговечный момент. Даже если на это уйдет больше времени, аппарат нужно спроектировать так, чтобы он мог собрать как можно больше информации. Возможность добраться до другой солнечной системы выпадает нечасто, поэтому нам лучше оснастить нашего крошечного амбассадора до зубов.

источник