Может ли лазер отправить космический корабль на Марс? Это предполагаемая миссия группы из Университета Макгилла, разработанная для удовлетворения запроса НАСА. Лазер шириной 10 метров на Земле будет нагревать водородную плазму в камере позади космического корабля, создавая тягу из газообразного водорода для космического корабля, и отправляя ее на Марс всего за 45 дней. Там он будет тормозить в атмосфере Марса, доставляя припасы человеческим колонистам или, возможно, когда-нибудь, даже будет доставлять самих людей.
В 2018 году НАСА поставило перед инженерами задачу разработать миссию на Марс, которая доставила бы полезную нагрузку не менее 1000 кг не более чем за 45 дней, а также совершила бы более длительные путешествия вглубь Солнечной системы и за ее пределы. Короткое время доставки мотивировано желанием доставить грузы и, когда-нибудь, астронавтов на Марс, сводя к минимуму разрушительное воздействие галактических космических лучей и солнечных бурь. SpaceX Илона Маска предполагает, что полет человека на Марс займет шесть месяцев с ее ракетами на химической основе.
Концепция Макгилла, называемая лазерно-тепловым двигателем, основана на массиве инфракрасных лазеров, расположенных на Земле, диаметром 10 метров, объединяющих множество невидимых инфракрасных лучей, каждый с длиной волны около одного микрона, для общей мощности в 100 мегаватт. Мощность, необходимая примерно для 80 000 американских домохозяйств. Полезная нагрузка, вращающаяся по эллиптической средней околоземной орбите, будет иметь отражатель, который направляет лазерный луч, идущий с Земли, в нагревательную камеру, содержащую водородную плазму. После того, как его ядро нагреется до 40 000 Кельвина (72 000 градусов по Фаренгейту), газообразный водород, обтекающий ядро, достигнет 10 000 К (18 000 градусов по Фаренгейту) и будет выбрасываться через сопло, создавая тягу, чтобы оттолкнуть корабль от Земли с интервалом в 58 минут. (Боковые двигатели будут удерживать корабль на одной линии с лучом лазера при вращении Земли.)
Когда излучение прекращается, полезная нагрузка уносится прочь со скоростью почти 17 километров в секунду относительно Земли — достаточно быстро, чтобы преодолеть орбитальное расстояние Луны всего за восемь часов. Когда он достигнет марсианской атмосферы через полтора месяца, он все еще будет двигаться со скоростью 16 км/с; однако, оказавшись там, размещение полезной нагрузки на 150-километровой орбите вокруг Марса станет сложной задачей для инженерной группы.
Это сложно, потому что полезная нагрузка не может нести химическое топливо для запуска ракеты, чтобы замедлить себя — необходимое топливо уменьшит массу полезной нагрузки до менее чем 6 процентов от первоначальных 1000 кг. И до тех пор, пока люди на красной планете не смогут построить эквивалентную лазерную решетку для приближающегося корабля, чтобы использовать его отражатель и плазменную камеру для обеспечения обратной тяги, аэрозахват будет единственным способом замедлить полезную нагрузку на Марсе.
Даже в этом случае аэрозахват или аэродинамическое торможение в атмосфере Марса может быть рискованным маневром, поскольку космический корабль испытывает замедление до 8 g (где g — ускорение свободного падения на поверхности Земли, 9,8 м/с2), примерно человеческого предела, всего на несколько минут, так как он снят за один проход вокруг Марса. Большие тепловые потоки на корабле из-за трения об атмосферу будут выше традиционных современных материалов систем теплозащиты, но не тех, которые находятся в активной разработке сейчас.
Лазерно-тепловое движение космического корабля в дальний космос - Марс и далее - контрастирует с другими ранее предложенными методами транспортировки, такими как лазерно-электрическое движение, в котором лазерный луч попадал на фотоэлектрические (PV) элементы позади полезной нагрузки; солнечно-электрический двигатель, в котором солнечный свет на фотоэлементах создает тягу; ядерно-электрический двигатель, в котором ядерный реактор вырабатывает электричество, производящее ионы, выбрасываемые двигателем; и ядерно-тепловую двигательную установку, в которой тепло ядерного реактора преобразует жидкость в газ, который выбрасывается из сопла для создания тяги.
«Лазерно-тепловая тяга позволяет быстро транспортировать 1 тонну с лазерными решетками размером с волейбольную площадку — то, что лазерно-электрическая тяга может делать только с решетками километрового класса», — говорит Эммануэль Дюплей, ведущий автор исследования, который работал над проект в течение двух лет в рамках летней программы бакалавриата по инженерным исследованиям Университета Макгилла. Дюплей сейчас учится в Делфтском технологическом университете по программе магистра наук в области аэрокосмической техники со специализацией в области космических полетов.
Большое преимущество концепции лазерно-тепловой двигательной установки, представленной Duplay et al. является его чрезвычайно низкое отношение массы к мощности, в диапазоне 0,001–0,010 кг/кВт — «беспрецедентное», пишут они, «намного ниже даже тех, которые приводятся для передовых технологий ядерных двигателей, из-за того, что источник энергии остается включенным на Земле и доставленный поток может быть обработан маломассивным надувным отражателем».
Лазерно-тепловое движение впервые было изучено в 1970-х годах с использованием 10,6-микронных CO2-лазеров, самых мощных в то время. Современные волоконно-оптические лазеры размером один микрон, которые можно комбинировать в массивно-параллельные фазированные решетки с большим эффективным диаметром, означают, что фокусное расстояние передачи энергии на два порядка выше — 50 000 км в лазере Дюплея.
Дюплэй объясняет, что архитектура лазеров с фазированной решеткой разрабатывается группой под руководством физика Филипа Любина из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Массив группы Любина использует отдельные лазерные усилители мощностью около 100 Вт, где каждый усилитель представляет собой простую петлю из оптоволокна и светодиода в качестве накачки, и может производиться недорого в массовом порядке — поэтому предполагаемая здесь марсианская миссия потребует порядка 1 миллиона индивидуальных усилителей.
Первые люди на Марсе, скорее всего, не доберутся туда с помощью лазерно-тепловой технологии. «Однако по мере того, как все больше людей совершают путешествие, чтобы поддерживать долгосрочную колонию, нам потребуются двигательные установки, которые доставят нас туда быстрее — хотя бы для того, чтобы избежать радиационной опасности», — говорит Дюплей. Он полагает, что лазерно-тепловая миссия на Марс может начаться через 10 лет после первых полетов человека, то есть примерно в 2040 году.
