Сегодня космические агентства мира находятся в поисках инновационных идей по разгону космических аппаратов, которые позволят побыстрее добираться до планет и других тел Солнечной системы. Это, например, концепция «Бимодального NTP/NEP с циклом топпинга волнового ротора» от НАСА, которая теоретически позволит добираться до Марса за 45 дней, или китайский ядерный космический аппарат, предназначенный для исследования Нептуна и его крупнейшего спутника, Тритона. Но если подобные идеи и способны предложить нам новые удобные способы исследования нашей планетной системы, выход за её пределы всё ещё представляется чрезвычайно затруднительным мероприятием.

Космический зонд Helios-2, запущенный в 1976 году для исследования солнечной активности, сегодня держит рекорд по максимальной скорости для космических аппаратов – 252 792 км/ч или 70 220 м/с. Для этого ему потребовалось воспользоваться эффектом гравитационной пращи. Но и такому аппарату на достижение ближайшей к нам звезды, Проксима Центавра, расположенной в 4,25 световых годах от Солнца, потребовалось бы около 19 000 лет.

Другим вариантом разгона космических кораблей будет использование внешних по отношению к ним источников энергии – например, лазеров (как развитие идеи солнечного паруса). А в новой работе от исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предлагается разгонять беспилотный корабль весом в тонну при помощи луча из дробинок. По расчётам, допинать таким образом корабль до границ Солнечной системы получится менее, чем за 20 лет.

Концепцию разгона кораблей дробью предложил Артур Давоян, адъюнкт-профессор университета. Её вместе с тринадцатью другими предложениями отобрали для дальнейшего изучения и разработке по программе инновационных передовых концепций NIAC от НАСА. Предложение Давояна построено на недавних работах, разрабатывающих концепцию разгона аппаратов при помощи направленной энергии для создания обсерватории на основе солнечной гравитационной линзы.


Гравитационное линзирование галактики и кольцо Эйнштейна

По словам Давояна, сегодняшние корабли используют концепцию реактивных двигателей, в которой чем быстрее из ракеты вылетает топливо, тем эффективнее она работает. Но количество топлива, которое можно взять на борт корабля, ограничено – а, следовательно, ограничена и максимальная скорость его разгона, как диктует нам формула Циолковского. Миссии исследования космоса в результате получаются дорогими и медленными. Например, использование солнечной гравитационной линзы с такими технологиями не представляется возможным.

Солнечная гравитационная линза – революционное предложение по созданию самого мощного телескопа. Концепция основана на предсказанном ещё Эйнштейном эффекте гравитационного линзирования, в результате которого массивные объекты, искривляющие пространство-время, фокусируют и усиливают свет от объектов, расположенных за ними. Это явление позволяет астрономам изучать чрезвычайно удалённые объекты.

Расположив космический телескоп на границе гелиопаузы, расположенной на расстоянии около 500 а.е. от Солнца (в 500 раз дальше, чем Земля), астрономы смогли бы изучать экзопланеты и другие объекты с разрешением, сравнимым с тем, что имелось бы у телескопа с зеркалом диаметром в 100 км. Проблема только в том, чтобы разработать двигатель, способный доставить аппарат на такое расстояние за разумное время. На сегодня только два космических аппарата достигли межзвёздного пространства: это зонды Вояджер-1 и 2, запущенные в 1977 году. Сейчас они находятся на расстояниях в 159 и 132 а.е. от Солнца соответственно.

Покидая Солнечную систему, Вояджер-1 перемещался с рекордной для того времени скоростью в 17 км/с – то есть, около 3,6 а.е. в год. И всё равно зонду потребовалось 35 лет для того, чтобы достичь гелиопаузы – границы, где солнечный ветер уравновешивается межзвёздной средой. При такой скорости Вояджеру-1 потребуется 40 000 лет на то, чтобы добраться до другой звёздной системы — AC+79 3888, тусклой звёздочки в созвездии Малая Медведица. Именно поэтому учёные исследуют варианты прямого разгона космических кораблей на световых парусах, способных достичь соседних звёзд за несколько десятилетий.


Проект Starshot, спонсируемый Breakthrough Foundation, собирается стать первым примером межзвёздного перелёта.

По словам профессора Давояна, у предложенного метода есть свои преимущества и недостатки. Кораблям, разгоняемым лазерами, в отличие от обычных ракет и космических кораблей, не нужно нести с собой топливо. Их ускорение происходит благодаря тому, что лазер воздействует на корабль посредством давления излучения. В принципе такой метод позволяет разогнаться до околосветовых скоростей. Однако лазерные лучи на больших расстояниях имеют склонность к расфокусировке, что ограничивает радиус действия подобной системы. Схема требует использования лазеров чрезмерной мощности, измеряемой в гигаваттах или даже тераваттах, что накладывает ограничения на массу корабля.

В качестве примера можно привести проект Project Dragonfly, исследующий принципиальную возможность создания подобной системы, ведущийся в институте межзвёздных исследований i4is. Такая миссия теоретически может достичь соседней звёздной системы лет за сто. Проект Breakthrough Starshot, предлагающий использовать массив из лазеров мощностью 100 ГВт, который будет ускорять флот из очень маленьких кораблей (Starchip). При максимальной скорости в 161 млн км/ч, или 20% от скорости света, Starshot сможет долететь до Альфы Центавра за 20 лет. Вдохновившись этими проектами, Давоян с коллегами предложили новый вариант старой идеи: луч из дробинок.

По расчётам учёных, подобный луч сможет довести корабль массой в 900 кг на расстояние в 500 а.е. от Солнца менее чем за 20 лет. Давоян говорит, что в данном случае луч, который будет разгонять корабль, будет состоять не из фотонов, а из мелких дробинок. Каждая из них будет разгоняться до сверхвысокой скорости при помощи лазерной абляции, и дробинки будут передавать полученный импульс кораблю. Дробинки способны передавать гораздо больше импульса, чем фотоны.

При этом дробинки остаются достаточно маленькими и лёгкими для того, чтобы разгонять их при помощи относительно маломощных лазеров. В целом Давоян с коллегами считают, что однотонный космический корабль можно разогнать до скорости порядка 30 а.е. в год при помощи лазерного луча на 10 МВт. В первой фазе проекта планируется продемонстрировать работоспособность концепции луча из дробинок посредством подробного моделирования различных подсистем и экспериментов. Также будет проведено исследование того, возможно ли применять луч дробинок для запуска межзвёздных миссий по исследованию ближайших звёзд, способных добраться до места назначения в течение жизни одного человека.

По словам Давояна, луч дробинок способен перевернуть принципы изучения глубокого космоса, быстро доставляя космические корабли на сверхбольшие расстояния. Теоретически до внешних планет Солнечной системы можно будет добраться меньше чем за год, преодолеть расстояние в 100 а.е. за три года, а телескоп солнечного линзирования доставить на расстояние в 500 а.е. за 15 лет. Кроме того, в этой концепции можно использовать гораздо более тяжёлый корабль, весом до тонны, что позволяет значительно расширить спектр научных возможностей.

Телескоп солнечного линзирования позволит астрономам получать непосредственные изображения близлежащих экзопланет (к примеру, Проксима b) в многопиксельном разрешении, а также изучать спектры их атмосфер. Подобные наблюдения позволят получить прямые доказательства наличия у планет атмосфер, биосигнатур и даже вероятных техносигнатур. Получается, что одна и та же технология позволит учёным и получать прямые изображения экзопланет, и изучать их напрямую.