|
Луч электронов направит зонд к Альфе Центавра
|
|
|
|
Полет космического аппарата к другой звезде - это грандиозная задача. Однако это не мешает людям работать над этим. Наиболее заметными группами, занимающимися этим в настоящее время, являются Breakthrough Starshot и Tau Zero Foundation, обе из которых сосредоточены на совершенно особом типе двигательной установки - лучевой энергии.
|
|
|
|
В статье председателя правления Tau Zero Джеффри Грисона и Геррита Брухауга, физика из Лос—Аламосской национальной лаборатории, специализирующегося на лазерной физике, рассматривается физика одной из таких технологий излучения — релятивистского электронного пучка - и то, как ее можно использовать для перемещения космического аппарата к другому объекту. Работа опубликована в журнале Acta Astronautica.
|
|
|
|
При проектировании такого типа миссий учитывается множество факторов. Один из самых серьезных из них (в буквальном смысле) - это вес космического аппарата. Breakthrough Starshot фокусируется на миниатюрной конструкции с гигантскими солнечными "крыльями", которые позволили бы им полететь на луче света к Альфе Центавра. Однако для практических целей такой маленький зонд сможет собрать практически всю актуальную информацию, как только прибудет туда, — это скорее инженерный подвиг, чем настоящая научная миссия.
|
|
|
|
|
|
|
С другой стороны, в статье рассматриваются зонды весом до 1000 кг — примерно такие же, как зонды "Вояджер", построенные в 1970-х годах. Очевидно, что при наличии более совершенных технологий можно было бы установить на них гораздо больше датчиков и элементов управления, чем было в этих системах. Но для перемещения такого большого зонда с помощью луча требуется другое конструктивное решение — какой тип луча выбрать?
|
|
|
|
Компания Breakthrough Starshot планирует использовать лазерный луч, вероятно, в видимом спектре, который будет воздействовать непосредственно на световые паруса, прикрепленные к зонду. Однако, учитывая современное состояние оптических технологий, этот луч может эффективно воздействовать на зонд только около часа.1 а.е. своего путешествия, которое в общей сложности составляет более 277 000 а.е. до Альфы Центавра. Даже этого ничтожно малого промежутка времени может быть достаточно, чтобы разогнать зонд до приличной межзвездной скорости, но только в том случае, если он крошечный и лазерный луч не поджарит его.
|
|
|
|
В лучшем случае лазер нужно будет включить лишь на короткий промежуток времени, чтобы разогнать зонд до крейсерской скорости. Однако авторы статьи придерживаются другого подхода. Вместо того, чтобы обеспечивать питание только на короткий период времени, почему бы не сделать это на более длительный период? Это позволило бы увеличить мощность и позволило бы более мощному зонду двигаться со скоростью, составляющей приличный процент от скорости света.
|
|
|
|
При таком проектировании также возникает множество проблем. Во—первых, это распространение луча - на расстояниях, более чем в 10 раз превышающих расстояние от Солнца до Земли, как такой луч может быть достаточно когерентным, чтобы обеспечить сколько-нибудь значимую мощность? Большая часть статьи посвящена этому вопросу, основное внимание уделяется релятивистским электронным лучам. Концепция этой миссии, известная как Sunbeam, предполагает использование именно такого луча.
|
|
|
|
Использование электронов, движущихся с такой высокой скоростью, имеет ряд преимуществ. Во—первых, разогнать электроны примерно до скорости света относительно просто - по крайней мере, по сравнению с другими частицами. Однако, поскольку все они имеют одинаковый отрицательный заряд, они, скорее всего, будут отталкиваться друг от друга, уменьшая эффективное воздействие луча.
|
|
|
|
На релятивистских скоростях это не такая большая проблема из-за явления, обнаруженного в ускорителях элементарных частиц, известного как релятивистский пинч. По сути, из-за замедления времени при движении с релятивистскими скоростями электронам не хватает относительного времени, чтобы начать отталкивать друг друга в какой-либо значимой степени.
|
|
|
|
Расчеты, приведенные в статье, показывают, что такой луч может обеспечить мощность в 100 или даже 1000 а.е., что значительно превышает возможности любой другой известной двигательной установки. Это также показывает, что в конце периода включения луча зонд массой 1000 кг может двигаться со скоростью, составляющей 10% от скорости света, что позволит ему достичь Альфы Центавра чуть более чем за 40 лет.
|
|
|
|
Однако для того, чтобы это произошло, необходимо преодолеть множество трудностей, одна из которых заключается в том, как в первую очередь сформировать луч с такой мощностью. Чем дальше зонд находится от источника луча, тем больше энергии требуется для передачи той же силы. Оценки варьируются до 19 гигаэлектронвольт для зонда мощностью 100 а.е., что является пучком очень высокой энергии, который вполне доступен нашим технологиям, поскольку Большой адронный коллайдер может формировать пучки с энергией на порядки большей.
|
|
|
|
Чтобы уловить эту энергию в космосе, авторы предлагают использовать инструмент, который еще не существует, но, по крайней мере, теоретически мог бы это сделать: солнечный статит. Эта платформа будет располагаться над поверхностью Солнца, используя комбинацию силы, создаваемой излучением света от звезды, и магнитного поля, которое использует магнитные частицы, испускаемые солнцем, чтобы не дать ей упасть в гравитационный колодец Солнца. Он будет находиться так близко, как только приблизится к солнцу солнечный зонд Parker Solar Probe, а это значит, что, по крайней мере теоретически, мы можем создавать материалы, способные выдерживать такую высокую температуру.
|
|
|
|
Само формирование луча будет происходить за массивным солнцезащитным экраном, что позволит ему работать в относительно прохладной и стабильной среде, а также оставаться на станции в течение нескольких дней или недель, необходимых для того, чтобы выдвинуть зонд весом 1000 кг как можно дальше. Именно по этой причине используется статит, а не орбита — он может оставаться неподвижным относительно зонда и не беспокоиться о том, что его закроет Земля или Солнце.
|
|
|
|
Все это пока еще относится к области научной фантастики, вот почему авторы встретились в первую очередь на сервере ToughSF Discord, где собираются любители научной фантастики. Но, по крайней мере, в теории, это показывает, что можно отправить полезный с научной точки зрения зонд к Альфе Центавра в течение жизни человека с минимальными достижениями в существующих технологиях.
|
|
|
|
Источник
|
