Астрономия

«Мы в положении канатоходца — только оперируем цифрами»

Как сильно можно надуть солнечный парус

The Planetary Society/Max Pixel/Indicator.Ru

Как с помощью космического парусника можно доказать общую теорию относительности, как он способен помочь в освоении Марса и почему расчет его траектории напоминает шахматную партию, рассказали в интервью Indicator.Ru профессор кафедры космического машиностроения Самарского университета Ольга Старинова и директор центра теоретической физики Городского университета Нью-Йорка Роман Кезерашвили.

Солнечный парус — это приспособление, использующее давление солнечного света (или лазера) на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. Хотя идея использования подобного рода устройства по-прежнему вызывает немало споров и скептицизма, научные исследования в этой сфере набирают обороты во всем мире.

Убедительным доказательством, открывшим дорогу будущему межпланетных космических парусников, стал успешный запуск японского аппарата IKAROS 21 мая 2010 года. В июне 2019 года в космос полетел кубсат LightSail 2 с солнечным парусом площадью 32 м2. Он стал первым спутником, который успешно изменил траекторию своего движения с помощью паруса. В настоящее время энтузиастами, поддержанными Юрием Мильнером и Стивеном Хокингом, ведется разработка проекта Breakthrough Starshot, зонда с солнечным парусом, который с помощью лазеров планируют разогнать до одной пятой скорости света, что, как предполагается, позволит ему добраться до Альфы Центавра за 20 лет.

Один из ведущих центров развития идеи движения космических кораблей с помощью солнечного паруса — Самарский национальный исследовательский университет им. С. П. Королева. Исследования в этой области ведутся в вузе с начала 1990-х годов, сейчас ими руководит профессор кафедры космического машиностроения Ольга Старинова. С 2016 года проект получил дополнительную подпитку благодаря сотрудничеству с физиком-теоретиком, членом Международной академии астронавтики, директором центра теоретической физики Городского университета Нью-Йорка Романом Кезерашвили. В июне 2019 года он официально вошел в состав исследовательской группы Самарского университета, которая работает над созданием инновационной конструкции паруса. Последние работы ученых были опубликованы в журналах Acta Astronautica и Advances in Space Research. Мы поговорили с исследователями о том, каким будет солнечный парусник Самарского университета и какие задачи он поможет решить.

— Как родилась идея аппарата, где главный двигатель — солнечный свет? И как устроен солнечный парусник?

Ольга Старинова: Первый проект космического аппарата с использованием солнечного паруса был запатентован в 1924 году Фридрихом Цандером, вскоре после того, как Петр Лебедев экспериментально подтвердил теоретическое предсказание Максвелла о давлении света на твердые тела. Это концепция солнечного парусника — космического аппарата специального вида, где движущей силой являются не реактивные двигатели, а солнечное давление. Принцип движения аналогичен обычным кораблям, только там паруса надувает ветер, а в нашем случае на парус давит солнечный свет. Солнечный парус разворачивается и ориентируется на Солнце. Частицы солнечного света — фотоны — обладают импульсом и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление, которое и увлекает за собой космический аппарат. Когда корабль отдаляется от Солнца, давление уменьшается, но теоретически к тому времени аппарат уже может набрать начальную скорость, которая позволяет двигаться к цели.

Однако, конечно, не все так просто. Сила светового давления очень мала, соответственно, чтобы парусник получил достаточно большое ускорение, поверхность паруса должна быть огромной и в то же время максимально легкой. Для этого солнечный парус изготавливают из тончайшей металлизированной зеркальной пленки, просчитывая толщину поверхности так, чтобы она была минимальной и при этом не становилась прозрачной. Кроме того, нужно еще суметь развернуть в космосе это хрупкое полотно, снабдить его механизмами, защищающими от схлопывания, и просчитать динамику полета.

— Интересны ли солнечные парусники с исследовательской точки зрения?

Роман Кезерашвили: Меня как физика-теоретика завораживает идея, что космические парусники могут предоставить убедительные доказательства фундаментальных законов, которые практически невозможно получить в условиях Земли. В частности, это относится к общей теории относительности. Благодаря космическому парусу мы сможем близко подойти к Солнцу и посмотреть, как его гигантская масса искривляет пространство и время, а главное, зафиксировать этот факт. Когда космический парусник приблизится к Солнцу, он начнет обращаться вокруг него, а затем Солнце увлечет в это вращение само пространство вместе с парусником. Траектория движения в неподвижном пространстве и во вращающемся разная. Отклонения, связанные с «эффектом скручивания» (frame-dragging), сказываются на периоде обращения паруса, и их можно отследить и измерить. Мы сможем просчитать классическую траекторию, увидеть реальную, а затем сравнить их. И это еще не все. Так как большие массы обладают свойством искривлять не только пространство, но и влияют на время, мы обнаружим и другой эффект: для парусника время вблизи Солнца замедлится.

— Есть ли другие возможности зафиксировать подобные эффекты?

Р. К.: Да, такого типа явления можно наблюдать и иначе, например на перигелии Меркурия, но для этого нужно подождать сотню лет. Почему сдвиг перигелия мы наблюдаем только на Меркурии? Потому что он ближе всего к Солнцу. У Земли тоже есть такой сдвиг, но в этом случае, чтобы его измерить, придется подождать примерно тысячу лет. А эксперимент с космическим парусником может уложиться в один год: всего лишь 71 день потребуется паруснику, чтобы совершить один оборот, а с каждым новым оборотом эффект искривления пространства будет нарастать.

О. С.: Конечно, возможность подтвердить теорию относительности — только одна из возможных сфер применения космических парусников. Есть и другие, не менее интересные. Например, на сегодня солнечный парус — практически единственный аппарат, который может уйти своей тягой от Солнца. Он способен развить достаточную скорость, чтобы выйти из его сферы действия. Длительность перелетов до других звезд гигантская, но мы сможем, например, запустить аппарат в облако Оорта или в фокус гравитационной линзы Солнца. Для сравнения: наиболее скоростному и «удаленному» космическому зонду Voyager-1 потребуется 300 лет, чтобы достигнуть облака. Солнечный парус, который мы сейчас проектируем, способен долететь до него за 20–30 лет. Порядок цифр совсем другой. Это значит, что мы можем получить уникальную исследовательскую информацию при своей жизни или ее получит ближайшее поколение. Мы сможем получить убедительное доказательство существования самого облака, предположительно, порождающего все кометы, и изучить вещество, которое осталось от формирования Солнечной системы около 4,6 млрд лет назад.

— Каким образом солнечный парусник разовьет такую высокую скорость?

Р. К.: Во-первых, новый космический парусник будет круглым, во-вторых, это будет надувная конструкция, и в третьих — он получит реактивное ускорение без реактивных двигателей.

Наш аппарат представляет из себя тор, проще говоря — «бублик», у которого средняя часть закрыта пластинкой. Пластинка — это и есть солнечный парус, он раскроется благодаря тому, что в тор в определенный момент поступит газ и надует всю конструкцию. Поверхность нашего солнечного паруса будет покрыта специальным веществом. Фокус в том, что, когда парусник приблизится к Солнцу, из-за нагревания это вещество из твердого состояния начнет переходить в газообразное и испаряться, что обеспечит конструкции ускорение по принципу реактивного двигателя. Сублимация (испарение вещества без фазового перехода в жидкость) позволит быстро достигнуть скоростей порядка 300–400 км в секунду, а потом Солнце продолжит толкать парус вперед давлением солнечного света.

Этот способ демонстрирует, как то, что нам мешает, может превратиться в нашего союзника. Обычный взгляд — надо бороться с высокой температурой вблизи Солнца, она же может расплавить парус! Я, напротив, предложил использовать это. Именно высокая температура запускает сублимацию, она придает конструкции большое ускорение, парусник стремительно удаляется от Солнца, теряя энергию, а следовательно, и охлаждается.

— То есть вам нужно постоянно обеспечивать паруснику баланс температурного режима вблизи Солнца?

О. С.: Да. Мы в положении канатоходца — только мы оперируем цифрами, чтобы этот баланс точно просчитать. Мы должны высчитать траектории, которые позволяли бы максимально приблизиться к Солнцу, а также «вписаться» в ограничения по температуре поверхности паруса. Особенное значение это приобретает, когда мы говорим о дальних миссиях, к той же Альфе Центавра. Нам нужно накачать парус солнечной энергией и при этом не спалить его. Помимо траектории и расстояния, мы просчитываем также сам парус, анализируем, какие натяжения в нем возникают, какова будет скорость движения такого аппарата и под каким углом он должен подойти к Солнцу.

Р. К.: Этот интересный ход предложила Ольга. Идея в том, что, регулируя положение паруса и угол по отношению к Солнцу, можно изменять его температуру. Например, при одном положении парус будет разогреваться до 1200 °C, а если изменить угол — температура упадет до 800 °C. А это значит, что мы сможем намного ближе подойти к Солнцу и аппарат при этом не расплавится.

О. С.: Да, слегка отклонив парус от солнечных лучей, мы понизим температуру, но, естественно, при этом изменится и направление полета. Баллистика — расчет необходимых маневров — напоминает сложную шахматную партию, где ты рассчитываешь наперед все доступные тебе ходы.

Р. К.: Сложность еще в том, что для дальних перелетов, когда объект развивает большие скорости, следует проводить расчеты, полагаясь не на ньютоновские законы, а на общую теорию относительности, которая учитывает искривленную геометрию пространства-времени (то есть гравитацию) и относительность с учетом гравитации. Например, вы рассчитываете полететь к гравитационному фокусу Солнца, нацелили аппарат, но он туда не попадет, если вы не учтете эффекты общей теории относительности. В этом случае отклонение может быть порядка 6 млн км, более того, и во времени будет ошибка — аппарат прилетит позже.

— Получается, солнечные парусники предназначены в основном для дальних миссий?

О. С.: Нет, не обязательно. На кафедре космического машиностроения мы уже просчитали межпланетные перелеты ко всем планетам Солнечной системы. Наши исследования выявили, что все планеты Солнечной системы могут быть достижимы обычным традиционным парусом — это полиамидная пленка с напылением алюминия. Вполне реально отправить небольшой космический корабль весом 100–200 кг к Юпитеру, Сатурну или к Марсу с исследовательской миссией. При этом он может существовать на орбите практически бесконечно долго, передавая научные данные. У солнечного парусника ресурс ограничен только деградацией поверхности и ресурсом электроники.

— Какое будущее вы видите у солнечных парусников? Могут ли они стать космическими крейсерами с пассажирами на борту?

О. С.: Если и станут, то очень нескоро. Чтобы принять людей на борт, потребуется очень большой аппарат с гигантским парусом. Пока реальные аппараты весят менее 100 кг — сюда входит и сам аппарат, и парус, и научная аппаратура. Сейчас исследования идут в прямо противоположном направлении — размер аппаратов не увеличивается, а уменьшается; проектируются наноспутники с солнечным парусом. Такие аппараты требуют меньше затрат, их легче вывести на орбиту, и для исследовательских целей они просто незаменимы.

Интересны и прикладные задачи, которые можно решать с помощью космических парусников в самом ближайшем будущем. К примеру, мировое космическое сообщество сейчас активно развивает проекты пилотируемого полета на Марс. Помимо задач, связанных с доставкой миссии, очевидно, что необходимо продумать и технологии, обеспечивающие пребывание человека на Красной планете. Марс — не самое теплое место, средняя температура на его поверхности — −50 °С. Поддерживать благоприятную для человека температуру на марсианской базе можно с помощью космических парусников. В силу своих физических особенностей парус является также зеркалом и может отражать солнечные лучи на заданный участок поверхности. Отраженный свет будет нагревать солнечные коллекторы или освещать солнечные батареи даже в ночное время суток, обеспечивая должную температуру и увеличивая выработку электроэнергии на базе. Благодаря парусу такой аппарат может находиться на некеплеровской орбите бесконечно долго. Эту идею мы впервые сформулировали на конгрессе в Мексике, затем на кафедре космического машиностроения разработали алгоритм, программу и рассчитали траектории запуска такого аппарата. Поэтому, говоря о будущем космических парусников, можно сказать: несмотря на то что мы только совершаем первые шаги в этой области, мы уже сейчас на пороге новых революционных технологий и научных открытий.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.