Содержание
Муниципальное казенное учреждение Отдел образования муниципального района Аскинский район Республики Башкортостан
|
|
Проксима Центавра.
Год 2099 | Новости авиации и космонавтики
Межзвёздные путешествия остаются уделом научной фантастики, но прорыв может оказаться близок, если мы согласимся на компромиссы в наших представлениях о них.
Майкл Пек побеседовал с экспертами о возможности достижения космическим аппаратом звёзд до конца столетия.
Дата – 31 декабря 2099 года, последний день ХХI века. Место – Проксима Центавра, красный карлик, запрятанный в углу галактики Млечный Путь. Металлический цилиндр, прикреплённый к устройству, похожему на зонтик, приближается к звезде со скоростью, равной одной пятой скорости света. В то время как он проносится мимо, крошечная антенна передаёт поток данных. Через четыре с небольшим года первые снимки другой звезды, снятые с близкого расстояния, достигают Земли. Тысячелетиями об этом можно было только мечтать. Когда древние смотрели на звёзды, они видели лицо бога. Когда астрономы вглядывались ввысь, они восхищались чудесами космоса. Но всегда эти сверкающие точки казались недостижимыми, слишком далекими, чтобы люди смогли до них добраться.
Однако, новые технологии и научные исследования говорят, что путешествия к звёздам могут быть достижимы, хотя и не так просто, как показано в «Звёздном Пути». Первый межзвёздный полёт может теоретически начаться в середине века, с использованием технологий, которые не так уж значительно превосходят нынешние.
“Я полагаю, что можно послать аппарат размером с банку кока-колы к звёздам,“ – говорит Кельвин Лонг, британский инженер и исполнительный директор Инициативы по межзвёздным исследованиям – частного филиала Британского межпланетного общества. Лонг представляет зонд, приводимый в движение лазерными лучами, отражёнными от легкого паруса. Так как космический корабль маленький, то потребуется сравнительно небольшое количество энергии, чтобы ускорить его до скорости, равной 20% скорости света. Если запустить его около 2050 года, то он сможет достичь Проксимы Центавра к концу века, оборудованный различными инструментами для наблюдения ближайшего соседа Земли, а также соседних экзопланет.
Путешествующая между звёзд банка кока-колы – это, конечно не космический корабль «Энтерпрайз», но это практическое решение, которое окажется необходимым, чтобы противостоять обескураживающим препятствиям к межзвёздным путешествиям. Каждый любитель научной фантастики знает, никогда не было недостатка в идеях, касающихся межзвёздных полётов, начиная от лазерной реактивной тяги до термоядерной энергии и фотонных ракет. Проблема всегда была в том, как отделить факты и возможности от мечтаний и заблуждений. Лонг из нового поколения исследователей, которые пытаются привнести современную точность в область, где когда-то господствовали футуристы.
“Многие люди, которые занимаются межзвёздными полётами видят перед собой слишком общую картину,“ – говорит Лонг. “Проблема с общей картиной в том, что вы теряете связь с сутью того, что является на самом деле осуществимым.
Рассмотрение проблемы
Автоматическая межпланетная станция (АМС) НАСА «Вояджер-1» в настоящее время покидает Солнечную систему со скоростью 17 км/с.
АМС «Новые горизонты» направляется к поясу Койпера со скоростью 14,4 км/с. Такая скорость кажется большой, если не принимать в расчёт расстояния. Проксима Центавра, ближайшая к нам звезда находится на расстоянии 4,3 световых года. Если зонд отправить к звезде со скоростью «Новых горизонтов», то он прибудет на место через 70000 лет, много времени спустя после смерти его создателей и потери интереса у их потомков. Космический корабль «Апполон-10», который облетел Луну в 1969 году был самым быстрым средством передвижения, которое использовали люди и его скорость была 9,3 км/с. С такой скоростью дорога до Проксимы заняла бы 139 000 лет. Межзвёздный аппарат должен иметь скорость по меньшей мере 10 000 км/с или 3,3% от скорости света, как считает Лонг – участник команды, которая выиграла в 2011 году конкурс DARPA «100-летний звездолёт» по проектированию межзвёздного корабля.
Вафельный спутник
Один из вариантов – запускать небольшой аппарат. Зонд размером с банку колы, который предлагает Лонг, выглядит огромным по сравнению с космическим аппаратом, разрабатываемого в рамках проекта НАСА в сотрудничестве с несколькими калифорнийскими университетами по использованию направленной энергии для межзвёздных исследований.
Цель заключается в применении направленной энергии для отправки «вафельного спутника» к звёздам.
Руководитель проекта, Филип Любин, физик из университета Калифорнии в Санта-Барбаре планирует использовать десятисантиметровый зонд весом в один грамм, почти как маленькая скрепка, прикреплённый к парусу размером в метр (название «вафельный спутник» было дано потому, что разрабатываемый космический корабль представляет собой буквально кремниевую пластину – silicon wafer).
Сначала 50 миллионов лазерных усилителей мощностью 1 кВт и массой 1 кг каждый, будут запущены на орбиту, где они будут соединены вместе как конструктор Лего и составят масштабируемую лазерную решётку длиной, скажем, 10 километров. Как только аппарат займёт позицию возле лазеров, фотоны будут направлены на его парус, толкая корабль как ветер океанские парусники. Таким образом зонд будет разогнан до максимальной скорости в 20% от скорости света, или 60 000 км/с. Оборудованный миниатюрными датчиками и связным оборудованием для отправки данных назад на Землю, он сможет достигнуть Альфу Центавра, систему из трёх звёзд – Альфы Центавра А, Альфы Центавра В и Проксимы Центавра – примерно за 20 лет.
Зонд весом в 1 грамм — звучит не слишком впечатляюще, по сравнению с конструкцией других звёздных кораблей, но подход с использованием направленной энергии имеет свои преимущества. Космический корабль не должен тащить с собой двигательную установку, что позволяет уменьшить размеры аппарата. Система может запускать корабли любого размера под парусом, хотя чем больше размер, тем меньше скорость. Зонды небольших размеров можно запускать миллионами и сравнительно недорого. “Можно запускать зонд каждые пять или десять минут,” – говорит Любин.
Но важнее всего, что использование направленной энергии опирается на твёрдый фундамент современных науки и технологии, таких как лазеры и орбитальные конструкции. “Это сильно отличается от призывов к использованию червоточин, фотонных двигателей или термоядерного привода,” – говорит Любин.
Термояд
Но другие продолжают заниматься экзотикой. В одном из вариантов предлагается приступить к использованию того же самого процесса, который зажигает Проксиму Центавра и нашу собственную звезду.
В 70-е годы прошлого века учёные и инженеры, работавшие по проекту Британского межпланетного общества «Дедал», выполнили серьёзную попытку сконструировать космический корабль, который мог бы достичь звезды Барнарда, находящейся на расстоянии 5,9 световых лет. Конструкторы в конце концов остановились на термоядерном приводе, в котором электронные пучки наводились бы на низкотемпературные топливные таблетки из дейтерия и гелия-3 и, нагревая их, создавали условия для начала термоядерной реакции. Расширяющаяся плазма вытекала бы из открытой части камеры реактора через сопло и создавала тягу, разгоняя корабль до скорости около 12% от скорости света, как рассказывает Роб Суинни, британский исследователь, участник проекта «Икар» — частной группы, основанной в 2009 году, чтобы возродить мечту проекта «Дедал».
Лонг предсказывает, что это будет корабль массой до нескольких тысяч тонн и экипажем в несколько сотен человек. Корабль по проекту «Дедал» предполагает путешествие, продолжительностью в несколько десятилетий, на что накладывает ограничение продолжительность человеческой жизни.
Поэтому Лонг предлагает корабль, способный хотя бы частично преодолеть проблемы межзвёздных расстояний и времени полёта: небольшой корабль, использующий двигатели на антивеществе, с экипажем из двенадцати человек. Летя со скоростью, составляющей от 30 до 50% скорости света он сможет достичь Альфы Центавра за несколько лет.
В 2013 году в рамках проекта «Икар» было представлено пять эскизных проектов, основанных на различных вариантах термоядерного двигателя, причём каждый корабль представлял из себя сооружение в сотни метров длиной и тысячи тонн весом. Четыре проекта из пяти предполагают использование топливных таблеток и систем охлаждения, а пятый будет использовать плазму, сжимаемую и нагреваемую посредством пинч-эффекта. Корабли будут оборудованы 150 тоннами научной аппаратуры, включая мини-зонды и полетят со скоростью 5% от скорости света. Предполагается, что они достигнут Альфы Центавра за 100 лет.
“В общем, технологии термоядерного синтеза, которые мы исследовали, позволяют совершить столетнее путешествие к Альфе Центавра в недалёком будущем, но не в ближайшие годы,” – говорит Суинни.
Термояд – не единственная теоретическая возможность для межзвёздных перелётов, но Суинни утверждает, что это лучший кандидат для осуществления цели проекта, если использовать современные технологии или технологии ближайшего будущего.
“Химические, ионные и плазменные двигатели, в принципе, не отвечают требованиям,” – говорит он. “Антивещество – дело не ближайшего будущего, а любые гиперпространственные двигатели или другие способы путешествия со сверхсветовой скоростью находятся за пределами реальности, если не теоретической физики.
Антивещество
Однако, другие учёные изучают возможность использования антивещества. Один из них — Эрик Дэвис, физик из Института перспективных исследований в Остине, штат Техас. В двигателях на антивеществе — получивших известность, благодаря Star Trek – смешиваются частицы вещества и антивещества, такие как протоны и анти-протоны, которые идентичны, но имеют противоположные электрические заряды.
«Когда антивещество встречается с веществом, происходит их аннигиляция с выделением энергии,» — объясняется в статье НАСА за 2006 год, обсуждающей возможность использования космических кораблей на антивеществе для отправки астронавтов на Марс.
«Полное превращение в энергию — вот, что делает антивещество таким мощным. Даже в ядерных реакциях, которые со значительным отрывом занимают второе место по мощности, только 3% массы вещества преобразуется в энергию.»
Фактически, в статье НАСА утверждается, что нескольких десятых миллиграмма антивещества — один миллиграмм — это одна тысячная веса конфеты M&M – было бы достаточно для того, чтобы отправить корабль на Марс.Дэвис говорит, что для межзвёздных перелётов двигатель на антивеществе был бы настолько эффективен, что корабль смог бы путешествовать почти со скоростью света и полёт до Альфы Центавра занял бы всего пять лет.
Лонг представляет себе огромные космические аппараты, летящие со скоростью от 10 до 20% скорости света, под воздействием термоядерных двигателей или двигателей в которых антивещество является катализатором термоядерной реакции (антивещество вводится в термоядерный двигатель).
Дэвис, однако, указывает, что ключевые моменты упущены: «Две проблемы, которые должны быть решены, прежде чем ракеты на антивеществе начнут использоваться – это производство антивещества в больших количествах и его хранение,” – говорит он.
Существует ещё одна, самая экзотическая концепция: кротовые норы(или червоточины), те гиперпространственные туннели в которых объект, входя с одного конца, появляется в другом в отдалённой точке пространства. Дэвис, который изучает физические явления, стоящие за этим понятием, говорит, что кротовые норы могут быть созданы отрицательной энергией вакуума, которую он описывает как “созданную форму квантовой энергии вакуума, производимой квантовыми полями элементарных частиц и силами их взаимодействия.”
Дэвис полагает, что проходимые кротовые норы представляют собой туннель, протяженностью в несколько астрономических единиц, который должен преодолеть космический корабль. Хотя это и не означает, что путешествие через червоточину будет мгновенным, но оно представляет собой способ преодоления эйнштейновского запрета на сверхсветовые скорости. “Путешественники будут передвигаться через червоточину со скоростью гораздо меньше скорости света, но для внешнего наблюдателя, они преодолеют расстояние между точкой отправления и точкой прибытия со скоростью большей, чем скорость света,” – говорит Дэвис.
А что если основной целью является не путешествие с большой скоростью, а перемещение большого количества людей? Для этого сценария, как представляет Лонг, потребуется колоссальный “мировой корабль”, гигантских размеров судно, перевозящее миллионы людей со скоростью, составляющей от одного до трёх процентов от скорости света. Такой массивный корабль может приводиться в движение ядерным импульсным двигателем в котором тщательно контролируемые ядерные взрывы создают тягу (концепция использовалась в конце 50-х годов в проекте “Орион”, разрабатываемым американским правительством и частными фирмами).
Частные исследования
В конечном счёте, несмотря на все перечисленные идеи, не существует такого вида силовой установки, который бы явно превосходил все остальные.
“Мы никогда даже не отправляли ничего на релятивистских скоростях,” – отмечает бывший астронавт НАСА Мэй Джемисон (Mae Jemison), которая летала в качестве специалиста на космическом челноке в 1992 году.
В настоящее время она возглавляет фонд «100-летний звездолёт», ведущий своё происхождение от одноимённого проекта DARPA (хотя DARPA больше не финансирует проект).
Организация, которую возглавляет Джемисон старается заложить основания для осуществления в будущем межзвёздного перелёта.
“Все говорят, что давайте разработаем технический план полёта. Но ничего не получается, потому что мы не знаем куда мы собираемся и как туда попасть.”
Именно поэтому проект Джемисон, который финансируется из частных источников, фокусируется не на проектировании конкретного межзвездный корабля с конкретной датой запуска, а на развитии фундаментальных возможностей, которые позволят людям — если они так решат — запустить пилотируемую межзвездную экспедицию в 2112 году. Эти возможности должны охватывать все аспекты, начиная от типа двигателя, заканчивая питанием экипажа и созданием одежды, которую можно использовать в течение многих лет без замены.
Джемисон прогнозирует, что межзвёздный полёт будет представлять из себя постепенный процесс, который может включать в себя такие этапы как построение лунной базы.
«Это не надо представлять, как Альфа Центавра или всё пропало,” – шутит она. Лонг говорит, что как только люди смогут путешествовать к внешним планетам нашей солнечной системы, они будут на полпути к достижению возможности осуществления межзвёздного путешествия.
Мотивация
Существует так много вариантов для осуществления межзвёздных путешествий и многие из этих вариантов трудноосуществимы или дороги, поэтому критики говорят, что необходимо начать с фундаментального вопроса: Зачем?
Стен Оденвальд, отставной астроном НАСА, который в 2015 году написал книгу “Межзвёздное путешествие: Справочник Астронома”, утверждает, что просто путешествие к другой звезде лишено смысла.
“Существует три простых вопроса, которые движут любое исследование: Куда мы идём, что мы будем там делать и какая Как от этого польза?” – говорит он.
Как полагает Остенвальд, в системе Альфы Центавра, скорее всего, нет планет земного типа и нет ничего такого, исследование чего имело бы научное значение, способное оправдать расходование сотен миллиардов долларов.
Для публики, поддержка долгосрочного проекта, не приносящего немедленной выгоды, должна оправдываться чем-то большим, чем демонстрация флага на чужой планете. Чтобы заинтересовать налогоплательщиков, на этой планете надо найти жизнь.
“Это будет лучшей мотивацией для первого межзвёздного зонда?” – предсказывает Остенвальд. “Там будет цель, о которой мы знаем, причина, чтобы туда добраться, и перспективу обнаружить там что-нибудь захватывающее.
Для Джемисон, само предприятие стоит затраченных усилий, независимо от того, будет обнаружено что-либо, или нет.
“Самое невероятное в межзвёздном путешествии –это те задачи, которые оно ставит перед нами,” – говорит она. – И решение некоторых из них фундаментально изменит жизнь здесь, на Земле.
Aerospace America April 2016
Галактический интернет
Дмитрий Мамонтов
«Популярная механика» №5, 2013
«Космос велик. Он просто огромен. Вы даже не поверите, насколько он умопомрачительно громаден. Вам может казаться, что от вашего дома до аптеки далеко, но это просто ерунда в сравнении с космосом».
Дуглас Адамс. Путеводитель по Галактике для путешествующих автостопом.
Представим себе далекое-далекое будущее. Первая земная межзвездная экспедиция прибывает в систему Альфа Центавра А. Корабли ложатся на парковочную орбиту вокруг обнаруженной местной планеты, а командир экспедиции торжественно объявляет о достижении цели и поднимает бокал коллекционного шампанского урожая 2158 года.
После этого экипаж, свободный от вахты, расходится по каютам, достает коммуникаторы, и начинается негласное соревнование — кто первым зарегистрируется в системе Альфа Центавра А в Facebook. И вот тут-то социально активных астронавтов и космонавтов будущего поджидает один неприятный сюрприз. Оказывается, что интернета в этой звездной системе нет!
И, как заявляет системный администратор экспедиции, не предвидится: «Передатчики, которыми оснащены корабли, недостаточно мощны для того, чтобы наладить постоянный канал с высокой пропускной способностью между Солнцем и Альфой Центавра А».
Так что быстрого интернета, мол, не ждите — максимум десятки килобит в секунду, как в каменном, то есть, простите, в XX веке.
Но тут слово берет один из инженеров-связистов, старый библиофил. Он приносит из своей каюты драгоценный старинный фолиант, написанный в самом начале XXI века, — «Полеты и коммуникации в глубоком космосе: использование Солнца в качестве гравитационной линзы» (Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens, 2009) — и говорит, что в этой книге есть решение возникшей проблемы.
Четыре года пути
Автора книги Клаудио Макконе интересует вопрос космических коммуникаций на больших расстояниях. Действительно больших, межзвездных, поскольку даже от ближайшей к Солнцу звездной системы — Альфы Центавра — свет идет до нас более четырех лет.
На таких расстояниях можно использовать различные способы коммуникаций. Скажем, послать «письмо в бутылке», то есть космический зонд с информацией. Вероятность его прибытия к цели высока, и объем информации достаточно велик (практически не ограничен), но вот только посылать такие зонды очень невыгодно как с экономической, так и с энергетической точки зрения, поэтому для создания постоянного канала связи он подходит плохо.
Другой способ — с помощью вполне традиционных средств связи, использующих электромагнитные волны. Основная проблема такой связи — расходимость: даже направленный пучок электромагнитных волн, будь то радио или свет, неизбежно расходится за счет дифракции.
На стороне приемника улавливается лишь малая часть энергии сигнала, посланного передатчиком в пространство. Бороться с этим можно, увеличивая мощность сигнала, но этот путь невыгоден энергетически, да и повышение чувствительности приемника (в том числе и установкой больших антенн) имеет свою цену, тем более что с увеличением расстояния между передатчиком и приемником ситуация ухудшается.
Радио с помехами
В своей статье 2011 года «Межзвездная радиосвязь, улучшенная использованием Солнца в качестве гравитационной линзы» (Interstellar radio links enhanced by exploiting the Sun as a Gravitational Lens) в журнале Acta Astronautica Клаудио Макконе приводит расчеты традиционного радиоканала между Солнечной системой и Альфой Центавра А.
Они неутешительны: при передаче сигнала мощностью 40 Вт с Земли с помощью гигантской 70-метровой антенны системы NASA DSN (Deep Space Network), имеющей усиление 84 дБ (то есть усиливающей мощность сигнала в основном направлении более чем в 100 млн раз), на частоте 32 ГГц (Ka-диапазон, именно такой использует зонд Cassini) и скорости передачи 32 кбит/с (такую имеет европейский космический зонд Rosetta) и приеме с помощью 12-метровой антенны (с усилением 69 дБ, то есть чуть меньше чем в 10 млн раз) космического зонда в системе Альфа Центавра А частота появления ошибочных битов (bit error rate) составляет 0,49. Это означает, что почти 50% пересылаемой информации теряется, что, с точки зрения Макконе, делает указанный коммуникационный канал практически бесполезным.
Однако Макконе нашел выход из этого тупика. Причем принципиально отличающийся от «игры мускулами». Ученый предлагает фокусировать отсылаемый к другим звездам радиосигнал.
.. с помощью Солнца.
Солнечная линза
То, что любое массивное тело в рамках общей теории относительности (ОТО) будет искривлять траекторию световых лучей, предположил еще Альберт Эйнштейн в 1915 году. Вскоре этот эффект был подтвержден экспериментально, а в 1936 году Эйнштейн опубликовал в журнале Science расчеты, согласно которым звезда может выступать в качестве гравитационной линзы, дающей кольцеобразное изображение.
Годом позднее американский астроном Фриц Цвикки пришел к заключению, что линзой может быть не только звезда, но и целая галактика. Этот вывод смогли подтвердить лишь в 1979 году, когда британские астрономы обнаружили объект, состоящий из двух находящихся на угловом расстоянии 6 угловых секунд абсолютно идентичных квазаров, и выяснили, что это на самом деле один квазар, «раздвоенный» с помощью эффекта гравитационного линзирования далекой галактикой, находящейся между квазаром и Землей.
Этот эффект гравитационного линзирования Клаудио Макконе и предлагает использовать для фокусировки посылаемого к далеким звездам радиосигнала.
Но, чтобы использовать Солнце в качестве фокусирующей линзы, нужно разместить источник сигнала в одном из фокусов. Ближайший фокус Солнца расположен далеко за пределами Солнечной системы, в 550 а.е. от звезды (1 а.е. — это радиус орбиты Земли, 150 млн километров).
Напомним, что космический зонд Voyager-1, отправленный в 1977-м, в этом году подошел к границе Солнечной системы и находится на расстоянии около 123,7 а.е. от звезды.
Миссия в фокус
По замыслу Макконе, зонд миссии FOCAL (Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens), оснащенный радиопередатчиком и 12-метровой антенной, нужно расположить на «оптической оси» линзы (прямой, соединяющей приемник и передатчик) в любом месте дальше ближайшего фокуса — 550 а.е. от Солнца. Лучше дальше, поскольку в этом случае огибающий Солнце радиосигнал будет испытывать меньшее влияние помех от солнечной короны.
В канале передачи, который использует расположенную в точке фокуса передающую антенну, добавляется еще один компонент — Солнце как гравитационная линза.
Усиление этой линзы для того же Ka-диапазона составляет 70 дБ (10 млн раз). Это может кардинально изменить ситуацию, особенно если учесть, что гравитационной линзой является не только Солнце, но и любая другая звезда, в частности Альфа Центавра А. Правда, поскольку ее масса и диаметр отличаются от солнечных, ее ближайший фокус располагается в 750 а.е. от звезды.
Согласно расчетам Макконе, используя два космических аппарата FOCAL с 12-метровыми антеннами в соответствующих фокусах Солнца и Альфы Центавра А, можно добиться совершенного успеха: за счет усиления двух звезд свести практически к нулю частоту появления ошибочных битов при мощности 0,1 мВт (да-да, 0,1 милливатт!).
Широкая полоса
Вышеприведенные данные верны для канала связи со скоростью 32 кбит/с, однако такой канал по современным меркам более чем скромен. Макконе не останавливается на этом и в своей новой статье «Галактический интернет, возможный благодаря гравитационному линзированию звезд» (Galactic Internet made possible by star gravitational lensing, Acta Astronautica, 2013) приводит расчеты возможной скорости широкополосных каналов межзвездной связи.
Результаты впечатляют: скажем, при неограниченной полосе частот (и мощности менее 1 мВт) скорость передачи информации по радиомосту между Солнцем и Альфой Центавра А составляет 210 Гбит/с, а между Солнцем и Сириусом А — 100 Гбит/с. Возможна связь и на более далеких расстояниях: скажем, между Солнцем и солнцеподобной звездой в центре нашей Галактики скорость передачи данных составит хотя и небольшие, но приемлемые 5,4 кбит/с (правда, при мощности в 1 кВт). Это, разумеется, теоретические данные, на практике будет не так радужно, но все равно это практически достижимые величины.
Чужая сеть
Но кое-какие важные детали Макконе опускает. Мы не говорим о технической возможности миссий, подобных FOCAL, ведь это дело далекого будущего. Но существуют и фундаментальные ограничения, главное из которых связано с конечностью скорости света. Радиосигнал от Солнца до Альфы Центавра А идет 4,37 года, и про запаздывание с открытием страницы в браузере можно даже и не говорить.
Более того, передатчик и приемник вращаются по своим орбитам вокруг звезд, которые тоже движутся друг относительно друга, а на синхронизацию часов на таком расстоянии есть ограничения в специальной теории относительности.
Поэтому сделать так, чтобы приемник оказался в фокусе гравитационной линзы точно в заранее неизвестный момент прихода сигнала, не получится.
Впрочем, и это ограничение вполне можно обойти. Достаточно построить вокруг каждой звезды на расстоянии больше минимального гравитационного фокуса сферу Дайсона, начиненную различным коммуникационным приемопередающим оборудованием. Тогда для каждого межзвездного радиомоста в любой момент времени на этой сфере обязательно найдется приемная или передающая ячейка.
«И не исключено, — рассуждает Макконе, — что какая-нибудь высокоразвитая цивилизация уже построила галактический интернет, использующий подобные принципы». И тогда земная космическая миссия, посланная на расстояние 550 а.е и далее, вполне возможно, обнаружит там какой-нибудь межзвездный узел связи.
Могут ли зонды из углеродной пены сделать межзвездный полет доступным?
Художественная иллюстрация поверхности Проксимы b, ближайшей к Земле экзопланеты.
(Изображение предоставлено ESO/M.
Kornmesser)
Новое исследование показало, что космический корабль
, сделанный из пузырьков углеродной пены, сможет добраться от Земли до Альфа Центавра за 185 лет, приводимый в движение исключительно силой солнца.
Рой этих зондов может помочь обнаружить и изучить загадочную Планету Девять нашей Солнечной системы, если этот гипотетический мир существует, добавили ученые.
Обычные ракеты, приводимые в действие химическими реакциями, в настоящее время являются ведущей формой космических двигателей. Однако они далеко не настолько эффективны, чтобы достичь другой звезды за человеческую жизнь.
Связанные: Концепции двигателей сверхбыстрых космических аппаратов (изображения)
Например, Альфа Центавра, ближайшая к Земле звездная система, находится на расстоянии около 4,37 световых лет от нас — более 25,6 триллиона миль (41,2 триллиона километров) , или примерно в 276 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца.
НАСА потребовалось бы Космический корабль «Вояджер-1» , запущенный в 1977 году и достигший межзвездного пространства в 2012 году, должен достичь альфы Центавра примерно за 75 000 лет, если зонд будет двигаться в правильном направлении (а это не так).
Проблема со всеми обычными двигателями космических кораблей заключается в том, что используемое ими топливо имеет массу. Для длительных полетов требуется много топлива, что делает космические корабли тяжелыми, что, в свою очередь, требует больше топлива, что делает их тяжелее и так далее. Эта проблема становится экспоненциально хуже, чем больше становится космический корабль.
Таким образом, предыдущие исследования показали, что « легкое плавание » может быть одним из единственно технически осуществимых способов доставить зонд к другой звезде в течение жизни человека. Хотя свет не оказывает большого давления, ученые определили, что то немногое, что он оказывает, может оказать большое влияние. Действительно, многочисленные эксперименты показали, что «солнечные паруса» могут полагаться на солнечный свет в качестве движущей силы при наличии достаточно большого зеркала и достаточно легкого космического корабля.
Инициатива Breakthrough Starshot стоимостью 100 миллионов долларов, о которой было объявлено в 2016 году, направлена на запуск к Альфе Центавра роев космических кораблей размером с микрочип, каждый из которых оснащен необычайно тонкими, невероятно отражающими парусами. Согласно плану, эти «крахмалы» летят со скоростью до 20% скорости света и достигают Альфы Центавра примерно через 20 лет.
Недостатком проекта Starshot является то, что он требует самой мощной из когда-либо созданных лазерных решеток, чтобы выталкивать звездные чипы наружу. Мало того, что в настоящее время не существует технологии для создания этого массива, предполагаемая общая стоимость проекта может составить от 5 до 10 миллиардов долларов.
В новом исследовании астрофизики предположили, что более дешевый вариант может включать пузыри из углеродной пены. Исследователи обнаружили, что зонды, сделанные из этого материала, могут совершить межзвездных путешествия на быстрее, чем любая ракета, питаясь исключительно солнечным светом, без необходимости в гигантской лазерной установке.
Чтобы разработать способ, с помощью которого солнечный свет может разогнать световой парус до полезной межзвездной скорости, исследователи проанализировали предыдущие научные исследования в поисках прочных и легких материалов. Они остановились на аэрографите, пенопласте на основе углерода, который в 15 000 раз легче алюминия.
Ученые подсчитали, что полая аэрографитовая сфера диаметром около 3,3 фута (1 метр) с оболочкой толщиной 1 микрон (около 1% толщины среднего человеческого волоса) будет весить всего пять миллионных долей фунта (2,3 миллиграмма).
Связанный: Прорыв Starshot в картинках: Лазерный нанокорабль для изучения инопланетных планет
Образец аэрографита, материала-кандидата для строительства сверхбыстрого космического корабля, движущегося на солнечной энергии. (Изображение предоставлено Р. Хеллером)
Если бы такая сфера, несущая 0,035 унции (1 грамм) полезной нагрузки, была выброшена на расстояние около одной астрономической единицы (а.
е.) от Солнца, солнечный свет разогнал бы ее до скорости примерно до 114 000 миль в час (183 600 км/ч) — в три раза больше, чем «Вояджера-1». Такой сфере потребуется около 3,9 года, чтобы достичь орбиты Плутона . (Одна а.е. — это среднее расстояние от Земли до Солнца, которое составляет около 93 миллионов миль, или 150 миллионов км.)
Если бы такая сфера была выпущена примерно на 0,04 а.е. от Солнца — самое близкое, что НАСА Зонд Parker Solar Probe достигает нашей звезды — более интенсивный солнечный свет разгонит космический корабль почти до 15,4 млн миль в час (24,8 млн км/ч). По словам исследователей, он сможет преодолеть расстояние в 4,2 световых года между Землей и Проксимой Центавра, ближайшей к нашей Солнечной системе звездой, за 185 лет. Чем больше сфера, тем быстрее она может двигаться или тем больше полезной нагрузки она может нести. ( Проксима Центавра — одна из трех звезд в системе Альфа Центавра.)
«Что я нахожу удивительным в наших результатах, так это тот факт, что выходная мощность звезды, в нашем случае Солнца, может использоваться для приведения в движение межзвездный зонд к ближайшим звездам без необходимости в дополнительном бортовом источнике питания», — сказал Space.
com ведущий автор исследования Рене Хеллер, астрофизик из Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка в Геттингене, Германия.
«Нам не нужна наземная лазерная установка стоимостью в миллиард долларов, чтобы стрелять по парусу в космосе», — сказал Хеллер. «Вместо этого мы можем использовать, так сказать, зеленую энергию».
Исследователи отметили, что несколько граммов электроники или другой полезной нагрузки не так уж много для миссии. Тем не менее, они утверждали, что полезная нагрузка для этих кораблей будет в 10 раз больше массы космического корабля, тогда как полезная нагрузка химических межзвездных ракет обычно составляет одну тысячную веса ракеты.
Исследователи предположили, что эти космические корабли потенциально могут нести 32-ваттный лазер весом всего две тысячных фунта (1 грамм). Анализ любых отклонений от этого лазерного луча может помочь исследователям обнаружить гравитационные эффекты, которые, в свою очередь, могут помочь выявить присутствие миров, которые в противном случае были бы слишком темными и холодными, чтобы их можно было обнаружить, таких как гипотетическая 9.
0003 Планета Девять , сказал Хеллер.
Ученые подсчитали, что разработка прототипа корабля-пузыря может стоить 1 миллион долларов. Они подсчитали, что каждый пенопластовый корабль может быть построен примерно за 1000 долларов или меньше, а запуск ракеты для развертывания и испытания этих кораблей может стоить 10 миллионов долларов.
Самая большая оговорка в этой работе прямо сейчас «заключается в том, что никто никогда не строил аэрографитовую конструкцию больше нескольких сантиметров, а нам нужно что-то размером в несколько метров», — сказал Хеллер. Тем не менее исследователи контактируют с экспериментаторами, которые предполагают, что создание таких крупных структур в принципе возможно, отметил он.
Еще одно предостережение относительно этой концепции заключается в том, что в настоящее время нет возможности контролировать траекторию сфер после их развертывания. «Чтобы достичь определенной цели, это необходимо исправить», — сказал Хеллер.
Если бы бортовая электроника и оборудование могли обеспечить активное маневрирование, «тогда можно было бы транспортировать небольшие массы — от 1 до 100 граммов — между Землей и Марсом в течение нескольких недель», — сказал Хеллер.
Ученые предполагают, что обычные ракеты доставят космический корабль в космос, а затем развернут его для движения по солнечному свету. Остается неясным, насколько хорошо эти пузыри выдержат транспортировку.
«Одна хорошая вещь в аэрографите — это его сжимаемость, — сказал Хеллер. «Даже после сильного сжатия образец аэрографита может снова надуться до исходного состояния. Так что, если мы сожмем метровый аэрографитовый парус в лаборатории, возможно, мы сможем отправить его в космос и надуть там перед запуском. Вопрос в том, что происходит с его бортовой электроникой?»
В настоящее время ученые проводят эксперименты, чтобы проверить, насколько хорошо аэрографит поглощает и отражает свет. Они детализировали их выводы онлайн 7 июля в журнале Astronomy & Astrophysics.
Следите за Чарльзом К. Чоем в Твиттере @cqchoi. Следите за нами в Твиттере @Spacedotcom и на Facebook.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.
com.
Чарльз К. Чой — автор статей для Space.com и Live Science. Он охватывает все, что связано с человеческим происхождением и астрономией, а также физику, животных и общие научные темы. Чарльз имеет степень магистра гуманитарных наук Университета Миссури-Колумбия, Школу журналистики и степень бакалавра гуманитарных наук Университета Южной Флориды. Чарльз побывал на всех континентах Земли, пил прогорклый чай с маслом яка в Лхасе, плавал с морскими львами на Галапагосских островах и даже взбирался на айсберг в Антарктиде. Посетите его на http://www.sciwriter.us
Как мы будем получать сигналы от межзвездных зондов, таких как Starshot?
Кредит: Прорыв Старшот
Через несколько десятилетий в рамках инициативы Breakthrough Starshot надеется отправить парусник в соседнюю систему Альфа Центавра. Используя световой парус и массив лазеров направленной энергии, крошечный космический корабль можно разогнать до 20% скорости света (0,2 с).
Это позволило бы Starshot совершить путешествие к Альфе Центавра и изучить любые экзопланеты там всего за 20 лет, тем самым осуществив мечту о межзвездных исследованиях в течение нашей жизни.
Естественно, этот план сопряжен с рядом инженерных и логистических задач, одна из которых связана с передачей данных обратно на Землю. В недавнем исследовании директор Starshot Systems доктор Кевин Л.Г. Паркин анализирует возможность использования лазера для передачи данных обратно на Землю. Этот метод, утверждал Паркин, является наиболее эффективным способом для человечества получить представление о том, что находится за пределами нашей Солнечной системы.
Автор исследования, доктор Кевин Паркин, занимал должность системного директора Breakthrough Starshot с 2016 года. До этого он был награжден медалью Королева Российской Федерации астронавтики и космонавтики за новаторскую работу в области микроволнового теплового двигателя.
. Он также основал в Сан-Франциско аэрокосмическую компанию Parkin Research, которая специализируется на разработке экономичных технологий.
Решая вопрос о нисходящем канале связи, доктор Паркин стремился рассчитать наилучший вариант интегрированного паруса и космического корабля (парусника). С этой целью он рассмотрел возможность установки на борту парусника Starshot диаметром 4,1 м (13,45 фута) лазерного передатчика с узким лучом, который начнет передачу на 30-метровый (~ 100 футов) телескоп на Земле, как только достигнет Альфа. Центавра.
Предоставлено: Universe Today
Этот массив будет иметь форму 100-ваттной оптической фазированной решетки (встроенной в сам парус), которая использует лазеры для преобразования энергии из межзвездной среды (ISM). Доктор Паркин предполагает, что массив будет передавать данные на длине волны 1,02 микрометра, которые затем будут приниматься телескопом на длине волны 1,25 микрометра, что помещает передачу в ближний инфракрасный/ближний ультрафиолетовый спектр.
Этот тип нисходящей линии связи имеет много преимуществ по сравнению со связью, основанной на радиоволновой или микроволновой передаче. Как сказал д-р Паркин Universe Today по электронной почте:
: «По сравнению с микроволнами, лазеры имеют в тысячу раз более короткую длину волны и поэтому формируют гораздо более плотный луч от Альфы Центавра до Земли… Преимущество передачи 100 Вт по всей площади Парусное судно заключается в том, что земной приемник сжимается до 30-метрового телескопа, что, скорее всего, произойдет через десятилетие или два».
Доктор Паркин также добавил, что за это же время усовершенствования фильтров и детекторов позволят создать массивы телескопов метрового класса, которые могут работать вместе для приема сигналов от космического корабля. Однако такая система связи также имеет свои недостатки, один из которых напрямую связан с ее характером узкого луча. По сути, массив должен быть точно направлен на Землю, чтобы данные были получены.
Наблюдаемая Вселенная в логарифмическом масштабе.
Предоставлено: Пабло Карлос Будасси/Wikipedia Commons.
«Если парусник определяет относительное направление межзвездной среды, это указывает на Землю (или, по крайней мере, на то место, где находилась Земля, когда парусник стартовал)», — сказал доктор Паркин. «Оттуда он должен будет найти солнце. Затем, поскольку ширина луча составляет лишь десятую часть расстояния от солнца до Земли, парусник должен будет вычислить или найти относительное положение Земли и указать на нее».
Однако это можно преодолеть, отправив несколько космических кораблей, что соответствует общему замыслу Starshot. В течение многих лет Breakthrough Initiatives размышляла о том, как флот буксируемых световыми парусами «нанокораблей» весом всего несколько граммов может обеспечить межзвездные путешествия и исследования. Как объяснил доктор Паркин: «Экономика благоприятствует запуску легкого и частого, например, одного 4-граммового парусника в неделю (стоимость энергии составляет всего 6 миллионов долларов).
Это означает, что будет не один нисходящий канал, а много нисходящих каналов. Как видно с Земли различные парусники будут выстроены в ряд по небу, образуя своего рода конвейер парусников на разных этапах встречи с Альфой Центавра».
Дополнительным преимуществом отправки нескольких космических кораблей с прямыми линиями связи, добавляет доктор Паркин, является возможность перекрестных связей между ними. В этом сценарии соединение с Землей станет собственным конвейером данных — конвейером внутри конвейера. Это уменьшит риск потери важных данных и позволит кораблям, уже прошедшим через систему Альфа Центавра, передавать информацию тем, которые все еще находятся в пути.
Рой космических кораблей с лазерным парусом покидает Солнечную систему. Кредит: Адриан Манн
Последней рекомендацией, сделанной доктором Паркином в документе, было включение распределенного алгоритма, который позволил бы космическим кораблям функционировать в тандеме и с определенной степенью автономности, каждый из которых отвечал бы за картографирование различных частей системы Альфа Центавра.
Доктор Паркин указывает, что это сократит «цикл решения-действия», который невероятно медленный на межзвездных расстояниях:
«Преимущества этого огромны — всю систему можно разведать и нанести на карту до того, как появятся первые данные». теоретически, первый парусный корабль может обнаружить далекую планету как точку света, которая перемещается между изображениями, и на этом основании ограничить ее орбиту, чтобы следующий парусный корабль мог маневрировать, чтобы пройти на более близком расстоянии, разрешая детали поверхности. может создавать карты, отслеживать особенности поверхности и открывать большинство планет и лун в системе с течением времени».
Чтобы все это разложить по полочкам, доктор Паркин представляет себе флот парусных кораблей, проводящих автоматизированные исследования далеких звездных систем. Первый, кто войдет в систему, будет отвечать за картографирование планет и лун, следующая волна будет характеризовать их орбиты, а те, кто последуют за ними, будут наблюдать за ними с близкого расстояния, составлять карты и отслеживать их поверхности.
В этом отношении представленная здесь концепция решает одну из самых больших проблем межзвездных исследований, а именно сложность связи с зондами на таких больших расстояниях. Профессор Авраам Леб — профессор наук Фрэнка Б. Бэрда-младшего в Гарвардском университете и председатель Консультативного комитета Breakthrough Starshot — сообщил Universe Today по электронной почте:
«Линия связи, о которой говорится в документе Кевина, является одной из самых больших проблем для программы Starshot. Огромное расстояние до ближайшей звезды, 4,24 световых года, и низкая мощность передачи предполагают слабый сигнал и, следовательно, большой приемник. на Земле. Нет возможности посылать команды космическому кораблю в режиме реального времени, потому что кратчайший путь световых сигналов в обе стороны занял бы 8,48 года».
Наконец, д-р Паркин обратился к животрепещущему вопросу о том, что должно произойти, прежде чем проект такого рода может быть реализован. В то время как в документе представлено несколько творческих решений проблемы коммуникаций, одна из наиболее распространенных проблем, преследующих Starshot, заключается в том, что для того, чтобы вывести ее на уровень рентабельности, необходимы будущие достижения и инновации.
«Чтобы реализовать все возможности парусника, как описано здесь, может потребоваться 100 лет, или это может быть побочным продуктом коммерческих исследований в ближайшие несколько десятилетий», — сказал он. «Микроволновые фазированные решетки используются уже 50 лет, но оптических фазированных решеток еще нет, и потребуется много работы, чтобы интегрировать их в керамический парус. Генерация энергии из межзвездной среды, возможно, уникальна для Starshot и требует исследований. но выигрыш в том, что мощность, доступная для нисходящей линии связи, на порядки больше, чем это возможно в противном случае».
Опять же, любые и все концепции межзвездного или дальнего космоса сопряжены со своими проблемами, некоторые из которых особенно пугающие. И, как и многие другие технические препятствия, с которыми сталкивается команда Starshot, эти проблемы вдохновляют на творческие и инновационные решения. А пока все, что мы можем сделать, это ждать и надеяться, что прогресс произойдет и создадутся новые возможности.
Предыдущие исследования доктора Паркина включают исследование 2018 года «Прорывная модель системы Starshot», опубликованное в Acta Astronautica . В этой статье подробно описывается миссия и концепция Starshot, а также то, как это принесет пользу человеческим исследованиям не только в межзвездной области, но и в пределах Солнечной системы.
Узнать больше
Проблемы, которые еще предстоит решить в рамках проекта Breakthrough Starshot
Дополнительная информация:
Нисходящая линия связи Starshot: arxiv.
org/ftp/arxiv/papers/2005/2005.08940.pdf
Информация журнала:
Акта Астронавтика
Источник
Вселенная сегодня
Цитата :
Как мы будем получать сигналы от межзвездных зондов, таких как Starshot? (2020, 27 мая)
получено 6 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2020-05-interstellar-probes-starshot.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Внутри прорывной миссии Starshot к Альфе Центавра
Весной 2016 года я был на приеме у Фримена Дайсона, блестящего физика и математика, которому тогда было 92 года и почетного члена Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси.
говорит то, что вы от него ожидаете, поэтому я спросил его: «Что нового?» Он улыбнулся своей двусмысленной улыбкой и ответил: «Похоже, мы идем к Альфе Центавра». Эта звезда является одним из ближайших соседей нашего Солнца, и миллиардер из Силиконовой долины недавно объявил, что финансирует проект под названием Breakthrough Starshot, чтобы отправить туда какой-то космический корабль. «Это хорошая идея?» Я попросил. Улыбка Дайсона стала шире:
«Нет, это глупо». Затем он добавил: «Но космический корабль интересен».
Космический корабль действительно интересный. Вместо обычной ракеты, питаемой химическими реакциями и достаточно большой, чтобы нести людей или тяжелые инструменты, Starshot представляет собой облако крошечных многофункциональных чипов, называемых StarChips, каждый из которых прикреплен к так называемому световому парусу. Парус будет настолько нематериальным, что при попадании в него лазерного луча, называемого световым излучателем, он будет ускоряться до 20 % скорости света.
До Альфы Центавра, находящейся на расстоянии 4,37 световых года, может долететь самая быстрая ракета за 30 000 лет; StarChip может добраться туда за 20. По прибытии чипы не остановятся, а скорее пронесутся мимо звезды и любой из ее планет за несколько минут, передав изображения, которым потребуется 4,37 года, чтобы вернуться домой.
«Глупая» часть заключается в том, что смысл миссии «Звездный выстрел» явно не в науке. То, что астрономы хотят знать о звездах, — это не то, что можно узнать при быстром пролете — и никто не знает, есть ли вообще у Альфы Центавра планета, так что Starshot не может даже обещать крупных планов других миров. «Мы почти не думали о науке», — говорит астрофизик Эд Тернер из Принстонского университета, который входит в Консультативный комитет Starshot. «Мы почти считали само собой разумеющимся, что наука будет интересной». Но в августе 2016 года команде Starshot повезло: совершенно не связанный с ней консорциум европейских астрономов обнаружил планету вокруг следующей звезды, Проксимы Центавра, на десятую долю светового года ближе к нам, чем Альфа Центавра.
Внезапно Starshot стал единственным практически возможным в обозримом будущем способом посетить планету, вращающуюся вокруг другой звезды. Тем не менее, Starshot немного напоминает мечты тех поклонников научной фантастики и межзвездных путешествий, которые серьезно и бесконечно говорят о том, чтобы отправить людей за пределы Солнечной системы с технологиями, которые наверняка сработают, учитывая достаточное количество технологических чудес и денег.
Старшот, однако, не нуждается в чудесах. Его технология, хотя в настоящее время не существует, основана на общепризнанной технике и не нарушает никаких законов физики. И у проекта есть деньги. Юрий Мильнер, предприниматель, который также финансирует другие исследовательские проекты под названием Breakthrough Initiatives, а также ежегодные научные награды под названием Breakthrough Prizes, запускает первоначальную разработку Starshot со 100 миллионами долларов. Кроме того, Милнер собрал достаточно внушительный консультативный комитет, чтобы убедить скептика в том, что Starshot может работать, включая мировых экспертов в области лазеров, парусов, чипов, экзопланет, аэронавтики и управления крупными проектами, а также двух лауреатов Нобелевской премии, британского королевского астронома.
выдающиеся академические астрофизики, группа умных, опытных инженеров — и Дайсон, который, несмотря на то, что считает миссию Starshot глупой, также говорит, что концепция паруса с лазерным приводом имеет смысл и заслуживает внимания. В целом мало кто сделал бы долгосрочную ставку против операции с такой суммой денег, хорошими советами и таким количеством умных инженеров.
Какими бы ни были его перспективы, этот проект совершенно не похож ни на одну из предыдущих космических миссий. «В Starshot необычно все, — говорит Джоан Джонсон-Фриз, эксперт по космической политике Военно-морского колледжа США. Его цели, способ финансирования и структура управления отличаются от всех других игроков в космических путешествиях. Коммерческие космические компании сосредоточены на получении прибыли и на пилотируемых миссиях, которые остаются внутри Солнечной системы. НАСА, у которого также нет планов межзвездных путешествий, слишком не склонно к риску для чего-то такого неопределенного; его бюрократические процедуры часто обременительны и избыточны; и его миссии зависят от непоследовательного одобрения и финансирования Конгресса.
«НАСА нужно время; миллиардеры просто могут это сделать», — говорит Лерой Чиао, бывший астронавт и командир Международной космической станции. «Вы собираете эту команду и уходите».
ПЛАН ИГРЫ
Человек, управляющий проектом Starshot, всегда вдохновлялся дальними уголками. Юрий Мильнер родился в Москве в 1961 году, в том же году, когда Юрий Гагарин стал первым человеком, полетевшим в космос. «Родители прислали мне сообщение, когда назвали меня Юрием, — говорит он, — то есть он должен был отправиться куда-то, где еще никто никогда не был. Поэтому он пошел в физику — «это была моя первая любовь», — говорит он. Милнер потратил 10 лет на получение образования, затем работал над квантовой хромодинамикой. «К сожалению, у меня не очень хорошо получилось, — говорит он. Затем он занялся бизнесом, стал одним из первых инвесторов в Facebook и Twitter и накопил состояние, которое, как сообщается, составляет почти 3 миллиарда долларов. «Итак, года четыре назад, — говорит Милнер, — я снова начал думать о своей первой любви».
Прототип StarChip, сфотографированный в лаборатории Маунтин-Вью, Калифорния, имеет ширину около 15 миллиметров. Фото: Стэн Мусилек
В 2013 году он учредил Премии за прорыв, по одной для наук о жизни, математики и физики. А в 2015 году он начал то, что он называет своим хобби, «Инициативы прорыва», своего рода работу со вселенной: приз в 1 миллион долларов за лучшее сообщение внеземной цивилизации; 100 миллионов долларов на более широкий и чувствительный поиск внеземного разума; а теперь 100 миллионов долларов для Starshot.
В начале 2015 года Милнер набрал команду центрального управления для Starshot из людей, которых он встречал на различных собраниях Breakthrough. Председателем Консультативного комитета Starshot и исполнительным директором соответственно являются Ави Лоэб, заведующий кафедрой астрономии Гарвардского университета, и Пит Уорден, руководивший Исследовательским центром Эймса НАСА и участвовавший в плане DARPA/НАСА по запуску звездолета через 100 лет.
. Уорден нанял Пита Клапара, инженера, работавшего в аэрокосмической отрасли и работавшего на него в Ames, в качестве технического директора Starshot. Они, в свою очередь, собрали внушительный комитет, в который входят специалисты в соответствующих технологиях, которые, по-видимому, готовы участвовать за деньги или бесплатно, а также такие громкие имена, как Марк Цукерберг из Facebook и космолог Стивен Хокинг. Политика управления Starshot, кажется, представляет собой баланс между строгостью иерархического дерева решений НАСА и культурой Силиконовой долины, когда в одной комнате помещается группа умных людей, ставя перед ними долгосрочную цель и отступая. Один из членов комитета, Джеймс Бенфорд, президент Microwave Sciences, говорит, что задача состоит в том, чтобы «дать нам следующую неделю и пять лет, и мы придумаем, как их связать».
Собравшиеся члены команды начали с того, что согласились, что могут исключить отправку людей на Альфу Центавра как надуманную, и планировали сосредоточиться на беспилотной миссии, которую, по их оценкам, они смогут запустить примерно через 20 лет.
Затем они согласились, что большой проблемой является двигатель космического корабля. Поэтому в середине 2015 года постдоки и аспиранты Леба начали сортировать варианты на невозможные, маловероятные и осуществимые. В декабре того же года они получили статью Филипа Любина, физика из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, под названием «Дорожная карта к межзвездным полетам». Вариантом движения, предложенным Любином, была лазерная фазированная решетка, то есть большое количество маленьких лазеров, объединенных вместе, чтобы их свет когерентно объединялся в единый луч. Лазерный луч будет толкать управляемый парусом чип, который должен будет двигаться со скоростью, составляющей долю скорости света, чтобы добраться до другой звезды за пару десятилетий. (Похожая идея была опубликована 30 лет назад физиком и писателем-фантастом по имени Роберт Форвард; он назвал ее Starwisp). — говорит Любин, и он присоединился к проекту.
В январе 2016 года Милнер, Уорден, Клапар, Леб и Любин встретились в доме Милнера в Силиконовой долине и разработали стратегию.
«Входит Юрий, держа в руках лист бумаги с заметками, — говорит Лабин, — и начинает задавать правильные научные и экономические вопросы». Прелесть необычного подхода к проекту заключалась в том, что вместо того, чтобы проходить затяжной процесс получения и рассмотрения предложений, как это делало бы НАСА, или беспокоиться о потенциальной прибыли, как коммерческая компания, команда Starshot была свободна в том, чтобы выработать базовый план. план, основанный исключительно на том, что звучало лучше всего для него.
Единственным действительно дорогим элементом Starshot был лазер; паруса и фишки были бы недорогими и одноразовыми. Последних собирали в пусковую установку, запускали над атмосферой и выпускали, как летучих рыб, одну за другой — сотни или тысячи — так много, что, как и в стратегии размножения рептилий, потеря нескольких не имела бы значения. Каждый из них будет поражен лазером и разогнан до 20 процентов скорости света за несколько минут. Затем лазер отрезал, и чип и парус просто полетели.
Когда они доберутся до звезды, чипсы перезвонят домой. «Десять лет назад у нас не могло быть серьезного разговора об этом, — говорит Милнер. Но теперь, когда лазеры и чипы совершенствуются в геометрической прогрессии, а ученые разрабатывают и создают новые материалы, «это не через столетия, а через десятки лет».
Руководство Starshot отправило идею на рассмотрение, попросив ученых найти нарушителей условий сделки. Ни один не нашел. «Я могу сказать вам, почему это сложно и почему это дорого, — говорит Лабин, — но я не могу сказать, почему это невозможно сделать». К апрелю 2016 года команда согласовала систему, и 12 апреля Милнер организовал пресс-конференцию на вершине новой Башни Свободы в Нью-Йорке, на которой были представлены видео, анимация и несколько членов консультативного комитета. Он объявил о «межзвездном паруснике», движимом ветром света. Следующее лето исследователи провели, обрисовывая в общих чертах, что должно было произойти дальше.
КРАХМАЛЧИПЫ И ЛЕГКИЕ ПАРУСА
Команда вскоре обнаружила, что, хотя технически это осуществимо, план будет непростым.
Даже самая простая из технологий, StarChip, создает множество проблем. Он должен быть крошечным — размером примерно в грамм — но в то же время способным собирать и отправлять данные, иметь собственный источник питания и выдерживать долгое путешествие. Несколько лет назад группа инженера Мейсона Пека из Корнельского университета построила так называемые «спрайты» — чипы, похожие на смартфоны, с датчиком освещенности, солнечными панелями и радиоприемником, каждый из которых весит четыре грамма. Чипы Starshot будут созданы по образцу Sprites, но будут весить еще меньше, около грамма, и будут нести по четыре камеры каждый. Вместо тяжелых линз для фокусировки одним из вариантов является размещение крошечной дифракционной решетки, называемой планарной матрицей захвата Фурье, над датчиком света, чтобы разбить входящий свет на длины волн, которые позже могут быть реконструированы компьютером до любой глубины фокуса. Другое оборудование, предлагаемое для чипа, включает спектрограф для определения химического состава атмосферы планеты и магнитометр для измерения магнитного поля звезды.
Чипы также должны отправить свои изображения обратно через межзвездные расстояния. В настоящее время спутники используют одноваттные диодные лазеры для отправки информации, но на более короткие расстояния: до сих пор, говорит Пек, самое большое расстояние было от Луны, более чем в 100 миллионов раз ближе, чем Альфа Центавра. Чтобы нацелиться на Землю со звезды, лазер должен быть чрезвычайно точным. Тем не менее, в течение четырехлетнего путешествия сигнал будет распространяться и ослабляться до тех пор, пока, когда он не достигнет нас, он не будет состоять всего из нескольких сотен фотонов. Возможным решением была бы отправка изображений обратно по ретранслятору, от одного StarChip к серии изображений, летящих на одинаковых расстояниях позади. По словам члена Консультативного комитета Starshot Зака Манчестера из Гарварда, возвращение информации на Землю «по-прежнему остается очень сложной проблемой».
Фото: Брайан Кристи Учитывая расстояние до Альфы или Проксимы Центавра и несколько ватт, достижимых на маленьком чипе, сигнал прибудет на Землю слабым, но «с достаточным количеством фотонов, чтобы приемник Starshot мог его уловить», — говорит Пек.
На сегодняшний день ни один источник питания одновременно не работает в темноте и на морозе, весит меньше грамма и обладает достаточной мощностью. «Питание — самая сложная проблема для чипа, — говорит Пек. Одним из возможных решений, предлагает он, является адаптация крошечных ядерных батарей, используемых в медицинских имплантатах. Другой способ — использовать энергию, которую парус получает, путешествуя через межзвездную среду, заполненную газом и пылью, и нагревается за счет трения.
Та же самая межзвездная среда может представлять опасность для чипов Starshot. Среда похожа на сильно разреженный сигаретный дым, говорит Брюс Дрейн, астроном из Принстонского университета, который также является членом комитета. Никто точно не знает, насколько плотна среда или каковы размеры пылинок, поэтому трудно оценить ее разрушительный потенциал. Столкновения на скорости света между чипами StarChips и зернами любого размера могут привести к повреждению, которое может варьироваться от незначительных кратеров до полного разрушения.
По словам Дрейна, если StarChips составляют квадратный сантиметр, «вы столкнетесь со многими, многими из этих вещей» на своем пути. Одним из средств защиты от более мелких частиц может быть покрытие из нескольких миллиметров бериллиевой меди, хотя пылинки все же могут нанести катастрофический ущерб. «Чип либо выживет, либо нет», — говорит Пек, но, если повезет, из сотен или тысяч разосланных роем чипов некоторые выживут.
Следующей по сложности технологией является парус. StarChips будут приводиться в движение за счет отдачи света, отраженного от их парусов, подобно тому, как отдача от теннисного мяча толкает ракетку. Чем больше света отражается, тем сильнее толчок и быстрее парус; чтобы достичь 20 % скорости света, световой парус Starshot должен иметь отражательную способность 99,999 %. «Любой свет, который не отражается, в конечном итоге нагревает парус, — говорит Джеффри Лэндис, ученый из Исследовательского центра Гленна НАСА и член консультативного комитета, — и, учитывая необычайную температуру светового излучателя, мощность лазера, нагревающего парус, была бы катастрофой».
По сравнению с сегодняшними солнечными парусами, которые использовали солнечный свет для движения нескольких экспериментальных космических аппаратов вокруг Солнечной системы, они также должны быть намного легче, иметь толщину, измеряемую в атомах, или примерно «толщину мыльного пузыря», — говорит Лэндис. говорит. В 2000 году Бенфорд в самом близком приближении использовал микроволновый луч для ускорения паруса из углеродного листа. Его тест показал около 13 г с (в 13 раз больше, чем ускорение, ощущаемое на Земле, вызванное гравитацией), тогда как парус Starshot должен был бы выдерживать ускорение до 60 000 г с. Парус, как и StarChip, тоже должен был бы противостоять пыли в межзвездной среде, пробивающей в нем дыры. Пока не существует материала, который был бы легким, прочным, отражающим и термостойким и не стоил бы много миллионов долларов. «Одно из нескольких чудес, которые нам предстоит изобрести, — это материал паруса», — говорит Клупар.
Остаются другие решения, связанные с парусами.
Парус можно было прикрепить к чипу с помощью тросов, либо чип можно было закрепить на парусе. Парус может вращаться, позволяя ему оставаться в центре светового излучателя. После первоначального ускорения парус мог складываться, как зонтик, что делало его менее уязвимым во время путешествия. И как только он доберется до Альфы Центавра, он сможет развернуться и изменить свою кривизну, чтобы действовать как зеркало телескопа или антенна, чтобы отправлять сообщения чипа обратно на Землю. «Похоже, работы много, — говорит Лэндис, — но мы и раньше решали сложные задачи».
Тем не менее, все эти задачи все же легче, чем задачи светового лучника, толкающего парус. Единственный способ, с помощью которого Starshot может достичь значительной доли скорости света, — это использовать необычно мощный 100-гигаваттный лазер. Министерство обороны производит более мощные лазеры, говорит Роберт Петеркин, главный научный сотрудник Управления направленной энергии Исследовательской лаборатории ВВС США, но они излучают только миллиардные или триллионные доли секунды.
Световой луч Starshot должен был оставаться на каждом парусе в течение нескольких минут. Чтобы достичь такой мощности в течение такого длительного времени, небольшие волоконные лазеры можно сгруппировать в массив и сфазировать вместе, чтобы весь их свет объединялся в один когерентный пучок. Министерство обороны также построило лазеры с фазированной решеткой, но, по словам Петеркина, в их число входит 21 лазер в решетке не более 30 сантиметров в поперечнике, которая достигает нескольких десятков киловатт. Световой излучатель Starshot должен включать 100 миллионов таких лазеров мощностью в киловатт, и массив будет простираться на километр в каждую сторону. «Насколько это выходит за рамки современного искусства?» — говорит Петеркин.
«И становится все хуже и хуже», — добавляет он. 100 миллионов маленьких лазеров будут отклоняться обычной турбулентностью атмосферы, каждый по-своему. В конце концов, световой луч должен был свести их всех в единый фокус на высоте 60 000 километров на парусе площадью четыре квадратных метра.
«На данный момент, — сухо говорит Роберт Фьюгейт, ученый на пенсии из Управления направленной энергии, входящий в комитет, — мое внимание привлекло фазирование 100 миллионов лазеров через атмосферную турбулентность к цели метрового класса на расстоянии 60 мегаметров». Свет может полностью пройти мимо паруса или, что более вероятно, ударить по нему неравномерно, поэтому части паруса будут толкаться сильнее, заставляя его кувыркаться, вращаться или соскальзывать с луча.
Предприниматель-миллиардер Юрий Мильнер, который финансирует Breakthrough Starshot, держит прототип StarChip во время пресс-конференции в Нью-Йорке 12 апреля 2016 года, посвященной объявлению миссии. Также выступили ученые Стивен Хокинг и Фримен Дайсон, консультирующие проект. Предоставлено: Jemal Countess Getty Images
Опять же, у команды Starshot есть потенциальное решение, но оно сопряжено со своим собственным набором проблем. Технология под названием адаптивная оптика, уже используемая большими телескопами, компенсирует искажения, создаваемые турбулентностью атмосферы, с помощью гибкого зеркала, создающего равное и противоположное искажение.
Но эта технология потребует серьезной адаптации для Starshot. В случае с проектором вместо регулируемого зеркала ученым пришлось бы тщательно настраивать каждое лазерное волокно, чтобы выполнить коррекцию атмосферы. Текущая адаптивная оптика телескопов может в лучшем случае разрешать точку диаметром 30 угловых миллисекунд (мера углового размера объекта на небе). Starshot должен будет сфокусировать луч с точностью до 0,3 миллисекунды угловой секунды, чего раньше никогда не делали.
И даже если все эти разрозненные и сложные технологии могут быть построены, они все равно должны работать вместе как единая система, что для менеджеров Starshot похоже на создание головоломки с кусочками, формы которых развиваются или еще не существуют. Уорден называет этот процесс «искусством долгосрочной исследовательской программы». У системы «еще нет единого проекта», — говорит Кевин Паркин из Parkin Research, системный инженер, входящий в комитет. План на первые пять лет, говорит Клупар, состоит в том, чтобы «собрать урожай технологий», то есть под руководством соответствующих экспертов комитета члены команды будут проводить небольшие эксперименты и создавать математические модели.
Они начались зимой 2015–2016 гг. с изучения существующих технологий и запроса предложений по еще не разработанным технологиям; весной 2017 года они намерены заключить небольшие контракты от нескольких сотен тысяч до 1,5 млн долларов каждый. Затем появятся прототипы, и, при условии их успеха, строительство лазера и паруса может начаться в начале 2030-х годов, а запуск — в середине 2040-х. К тому времени Starshot, вероятно, будет стоить миллиарды долларов и, если повезет, соберет сотрудников в правительствах, лабораториях и космических агентствах США, Европы и Азии. «Я подниму доводы и надеюсь, что к нам присоединится больше людей», — говорит Милнер. «Это должно быть глобальным», — добавляет он, ссылаясь на разумные соображения национальной безопасности, связанные с огромной лазерной установкой. «Если вы начнете что-то подобное в тайне, будет гораздо больше вопросительных знаков. Важно открыто заявить о намерениях».
ЗВЕЗДА, ХО!
Учитывая все эти препятствия, каковы шансы на успех? Технологически подкованные люди, не связанные со Starshot, считают, что они маленькие; несколько человек прямо сказали мне: «Они не пойдут на Альфу Центавра».
Дэвид Шарбонно из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики говорит, что проект в конечном итоге будет настолько дорогим, что «он может привести к убеждению населения США вкладывать в него 5 % национального бюджета — столько же, сколько и программа «Аполлон».
Те, кто связан со Старшотом, думают, что шансы выше, но прагматичны. «Мы, безусловно, можем использовать лазеры для отправки кораблей к Альфе Центавра», — говорит Грег Мэтлофф из Технологического колледжа Нью-Йорка, член комитета. «Сможем ли мы получить их там в течение следующих 20 лет, я не знаю». Гарвардский университет в Манчестере говорит: «В течение 50 лет шансы довольно высоки; через столетие, 100 процентов». Уорден считает, что их подход целенаправленно измеряется, «и, может быть, через пять лет мы обнаружим, что не можем этого сделать». Милнер видит свою работу над Starshot не только в финансировании, но и в практической и обоснованной. «Если на это уйдет больше поколения, — говорит он, — нам не следует работать над этим проектом».
До конца августа прошлого года я думал, что Дайсон прав; Технология Starshot была интригующей, но Альфа Центавра была глупой. Звезда представляет собой двойную систему (Альфа Центавра А и В), и обе звезды солнцеподобны, ни одна из них не является необычной. По словам Шарбонно, астрономы понимают такие звезды «довольно хорошо», и хотя сравнение их вспышек и магнитных полей с нашим солнцем может быть полезным, «то, что мы узнаем о звездной физике, отправившись туда, не стоит вложений. ”
Теперь, когда астрономы знают, что у соседа Альфы Центавра есть планета, научное обоснование выглядит более многообещающе. Звезда Проксима Центавра находится чуть ближе к Земле и является красным карликом, наиболее распространенным типом звезд. Планета Проксима Центавра b находится на расстоянии от своей звезды, что делает ее пригодной для жизни. Когда было объявлено об открытии, команда Starshot отпраздновала это событие за ужином. Рассмотрят ли участники изменение цели проекта? «Конечно, — говорит Милнер.
— У нас достаточно времени, чтобы принять решение. Лазерный массив должен иметь достаточную гибкость в наведении, чтобы он мог «приспосабливаться к разнице примерно в два градуса», — говорит Фугейт.
В конечном счете, общая цель Инициативы прорыва состоит в том, чтобы найти все планеты в окрестностях Солнца, говорит Клупар, и Проксима Центавра b может быть только первой. «Я чувствую себя энтомологом, который берет один камень, находит жука, а затем думает, что под каждым камнем тоже будет жук», — говорит он. — Это неправда, но как-то обнадеживает.
Конечно, даже присутствие Проксимы Центавра b еще не делает науку ошеломительной. Чип может делать снимки, может быть, смотреть на магнитное поле планеты, возможно, пробовать атмосферу — но все это он будет делать на лету за считанные минуты. Учитывая время запуска и конечную цену, говорит астрофизик из Принстона Дэвид Спергель, «мы могли бы построить 12–15-метровый оптический телескоп в космосе, наблюдать за планетой в течение нескольких месяцев и получать гораздо больше информации, чем при быстром пролете».
Но миллиардеры вольны вкладывать деньги во что угодно, и родственные души вольны присоединиться к ним в этом желании. Более того, даже те, кто сомневается в научной ценности Starshot, часто все равно поддерживают ее, потому что при разработке технологии ее инженеры почти наверняка придумают что-нибудь интересное. «Они не решат всех проблем, но решат одну или две», — говорит Спергель. А изобретательное решение хотя бы одной сложной проблемы «было бы большим успехом». Кроме того, даже если Starshot потерпит неудачу, миссии, основанные на разработанных ею технологиях, могут достичь некоторых важных пунктов назначения как внутри, так и за пределами нашей Солнечной системы.
Пристрастие Милнера к проекту проистекает из его надежды на то, что он может объединить людей мира в том смысле, что они являются одной планетой и одним видом. «За последние шесть лет я провел 50 % своего времени в дороге, много времени в Азии и Европе, — говорит он. «Я понял, что глобальный консенсус сложен, но не невозможен».
Эта тема согласуется с другими инициативами «Прорыв», которые в основном направлены на поиск инопланетян для общения, а также со значительными инвестициями Милнера в Интернет и социальные сети, которые изменили характер общения и сообщества. Но в итоге даже он признает, что желание пойти к звезде необъяснимо. «Если вы продолжите спрашивать меня, почему, в конце концов я отвечу, что не знаю. Я просто думаю, что это важно».
Почти все, кого я спрашивала, говорили одно и то же: они не могут объяснить это тому, кто еще не понимает, они просто хотят уйти. Джеймс Ганн, почетный профессор кафедры астрофизических наук Принстона, который считает, что шансы Starshot на успех невелики, и отвергает научные мотивы, по-прежнему говорит: «Я рационален в большинстве вещей, но я не особенно рационален в отношении далеко идущих человечества. Я мечтал полететь к звездам с детства». Многие из консультативного комитета сказали то же самое. «Просто , так что круто», — говорит Лэндис, точно повторяя слова других участников.
Противоречия, присущие таким снам, возможно, лучше всего выражены Фрименом Дайсоном. По его словам, лазерный парус Starshot с его чипом имеет смысл, а те, кто стоит за проектом, умны и «вполне разумны». Но он считает, что им следует прекратить попытки добраться до Альфы или Проксимы Центавра и сосредоточиться на исследовании Солнечной системы, где StarChips можно было бы приводить в действие более реальными, менее мощными лазерами и перемещаться на более низких скоростях. «Исследование — это то, для чего люди созданы», — говорит он. «Это то, в чем мы очень хороши». Он считает, что «автоматические машины» должны исследовать вселенную — что нет научного оправдания для отправки людей. А затем, будучи Дайсоном и непредсказуемым, он добавляет: «С другой стороны, я все равно хотел бы поехать».
Первоначально эта статья была опубликована под названием «Полет на околосветовой скорости к Альфе Центавра» в журнале Scientific American 316, 3, 30-37 (март 2017 г.)
Дорожная карта межзвездного полета.