Наука

В Самаре разработали парусник, способный долететь до звезд за десятки лет: как это работает

Зачем нужны такие аппараты и что может заинтересовать землян на дальних границах Солнечной системы, рассказала глава исследовательской группы Ольга Старинова
Космический парусник может покорять межзвездные пространства

Космический парусник может покорять межзвездные пространства

При словосочетании «космический парус» в сознании появляются фантастические корабли из мультфильма «Планета сокровищ», которые целой армадой движутся в космическом пространстве, приближаясь к загадочной неизвестной планете. Такие «космические корабли», конечно, недостижимо далеки от реальности, но вполне способны родить и подкрепить мысли о длительных космических путешествиях.

Самое длительное путешествие, которое совершил рукотворный космический аппарат, началось четыре десятка лет назад и продолжается до сих пор. В 70-х годах NASA запустила аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» для исследования окраин Солнечной системы. Выполнив основные цели своих миссий, аппараты продолжили работу - их направили в межзвездное пространство по направлению к ближайшей звезде. Ближайшая к нам звезда находится в созвездии Центавра. Три звезды – Альфа Центавра А, Альфа Центавра B и Проксима Центавра вращаются друг относительно друга, поэтому ближайшими к нашей Солнечной системе могут оказываться разные звезды, но сейчас, на очень долгое время это Проксима.

Говоря «ближайшее», стоит понимать, что это все равно очень далеко. Вся звездная система находится от Земли на расстоянии около 40 триллионов километров. Такое число сложно себе представить, поэтому разработаны другие системы измерения столь больших расстояний. Одна из таких систем - световой год. Это расстояние, которое свет, движущийся со скоростью 300 тыс. км/с, преодолевает за один год. И вот, если двигаться с такой скоростью, то достичь Альфы Центавра можно примерно за 4 года. Однако, самый быстрый аппарат, созданный человечеством, это как раз один из «Вояджеров», который сейчас несется в межзвездном пространстве со скоростью 62 тыс. км/ч, или, всего-навсего, 17,2 км/с. При таком раскладе его путешествие до системы Центавра займет порядка 40 тысяч лет. Это, конечно, долго. Поэтому ученые изобретают способы, как уложить подобный полет хотя бы в пределы человеческой жизни и сделать его длиной просто в 40 лет, без тысяч. Работают над такой задачей и в Самарском национальном исследовательском университете им. Королева. В вузе действует исследовательская группа, которую возглавляет заведующая кафедры динамики полета и систем управления Ольга Старинова.

Одна из разработок группы - уникальный солнечный парус, который потенциально способен передвигаться со скоростью до 120 тыс. км/с. Самарская ученая рассказала, сколько времени нужно парусу, чтобы долететь до ближайшей звезды, чем там можно заняться и почему это может быть интересно обычным землянам.

- Ольга Леонардовна, Альфа Центавра – ближайшая к нам звезда?

- Это звездная система, в которой находятся три звезды – Альфа Центавра А, Альфа Центавра B и Проксима. Они вращаются друг относительно друга. Сейчас ближайшая Проксима. Поскольку звезды перемещаются, через пару десятков тысяч лет ближайшая будет другая звезда. Что касается расстояний между ними, то если теоретически Альфу Центавра разместить в центре нашей Солнечной системы, то Проксима Центавра будет намного дальше Плутона.

- А сколько «Вояджеру» лететь при его нынешней скорости?

- Несколько десятков тысяч лет. Но мы не знаем, как он себя поведет, когда натолкнется на ударную волну от ближайшей звезды. Когда он готовился выйти в межзвездное пространство, были вопросы, сможет ли он преодолеть границу нашей Солнечной системы. В итоге изнутри он вышел, а зайдет ли он с другой стороны в систему Альфы Центавра – пока непонятно. Кроме того, в настоящий момент Вояджеры не могут изменять направление движения и небольшие возмущения, накопленные за 40 тысяч лет, могут отклонить их от цели путешествия. «Вояджер-1» пересек гелиосферную ударную волну в 2004 году и вышел в межзвездное пространство в 2012 году, «Вояджер-2» преодолел границу Солнечной системы в 2019 году. Как выяснилось, аппараты преодолели зону влияния Солнца на разных расстояниях. Это говорит о том, что гелиосфера либо несимметрична, либо она расширяется и сокращается в зависимости от цикла активности Солнца.

Ольга Старинова рассказала о перспективных работах научной группы

Ольга Старинова рассказала о перспективных работах научной группы

- Где находится граница Солнечной системы и зачем отправлять туда аппарат?

- Сейчас существует несколько определений границ солнечной системы. Гелиосфера – это пузырь в межзвездной среде, который создает поток плазмы от Солнца. Именно эту границу сейчас преодолели Вояджеры. Однако гравитационное влияние Солнца простирается намного дальше. Есть несколько интересных задач, которые связаны с такими дальними областями космоса. Например, если разместить телескоп на определенном расстоянии от Солнца, то его можно использовать в качестве гравитационной линзы, благодаря чему станет возможным наблюдение и изучение планет за пределами Солнечной системы, будет видно даже рельеф небесного тела. Сейчас, когда мы смотрим на другую планету в другой звездной системе, то в самом лучшем случае видим неясную точку. Во многих случаях и ее не видим, а просто догадываемся по специальным признакам, что планета существует. «Вояджерам» понадобилось больше сорока лет, чтобы достичь границ Солнечной системы. Солнечный парус в теории может позволить сделать это значительно быстрее. Если бы до границы Солнечной системы мы летели не 40 лет, а хотя бы 4 месяца, это, конечно, принесло бы некоторые выгоды.

- С какой скоростью может двигаться солнечный парус?

- Треть скорости света - это технически осуществимо. Но все зависит от того, насколько близко его можно доставить к Солнцу. Чем ближе - тем быстрее разгоним, вполне реально достичь скорости 120 тыс. км/с. Технология солнечного паруса позволяет космическому аппарату двигаться в пространстве за счет давления солнечного ветра, не используя топливо. В космосе разворачивается огромное полотно, способное выдержать высокие температуры вблизи от Солнца. Световое давление звезды передается его поверхности, создавая ускорение и космический аппарат может разогнаться до значительных скоростей. Технология солнечного паруса уже опробовалась в том или ином в виде в космическом пространстве. На начало этого года в космосе побывало семь космических аппаратов с солнечным парусом. Так, несколько лет назад были запущены технологические космические аппараты LightSail-1 и 2, оборудованные солнечным парусом. Ученым на протяжении нескольких недель не удавалось развернуть конструкцию LightSail-1, но в итоге парус был раскрыт на 90%. LightSail-2 и сейчас находится в космосе.

- А чем уникален наш парус?

- У нашего мы по-другому делаем систему раскрытия – не за счет выдвижения элементов или вращения. Конструкция представляет собой надувной обод, внутри которого натянут парус. Мы также хотим попробовать придать ему дополнительное ускорение за счет специального вещества, нанесенного на его поверхность. При приближении аппарата к Солнцу вещество будет нагреваться и при определенной температуре испаряться и создавать дополнительное однократное реактивное ускорение.

- А управлять парусом можно?

- Да, им можно и нужно управлять, поскольку, когда мы подойдем к Солнцу, нужно будет развернуть его в правильном направлении. Но управлять таким космическим аппаратом очень трудно, поскольку нужно разворачивать в пространстве и одновременно поддерживать натянутой тонкую пленку огромной площади. Если парус повернуть слишком резко, то есть вероятность, что его поверхность просто сложится. В 1992 году в России проводился эксперимент с развертыванием вращающегося тонкого полотна – осветителя, так называемый эксперимент «Знамя-2». Вращающийся парус разместили на космическом аппарате. Парус вместе с развертывающимся устройством весил 29 кг и был порядка 20 кв. м, но, к сожалению, в расправленном состоянии поверхность была недолго.

- Что сейчас сделано по нашему парусу?

- Работы ведутся совместно с американскими коллегами, которые в основном занимаются техническими исследованиями – к примеру, создают графеновый материал. А мы занимаемся динамикой полета и управлением движения. Речь идет о расчетах. Имеем ли мы что-то, что можно потрогать? Только модели. У нас есть расчеты на прочность, рассчитана нужная траектория. Я думаю, что, если бы нашлась фирма, которая создала бы экспериментальный образец, мы бы могли вывести его на орбиту. Но нужно провести еще много исследований, часть из которых требуют нахождения в космосе. Так, мы не знаем, как поведет себя материал паруса при длительном пребывании в космосе, как изменятся его свойства, выдержит ли он околосолнечные температуры. Траекторные расчеты показывают, что такой парус на пути к Альфе Центавра обгонит «Вояджеры». Может быть это и не принесет нам ответа на какие-то сокровенные вопросы и мы не сможем вывести большую массу полезной нагрузки, но такой эксперимент подтвердил приоритет страны в этом направлении исследований. Ранее глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин рассказал, что технология космического паруса известна и понятна специалистам госкорпорации. Но из-за недостатка финансирования вопрос о его разработке и проектировании пока не обсуждается.

- До системы Альфы Центавра космический парус будет лететь 40 лет лететь?

- Да, примерно так. Как мы говорим, в пределах человеческой жизни. Нам бы хотелось увидеть при своей жизни, как он туда долетит.

- А по размеру это аппарат вроде «Вояджера»?

- Наш аппарат по массе меньше «Вояджера», около 100 кг (масса «Вояджера» составляет порядка 800 кг – прим. ред.), поэтому затраты на запуск – небольшие.

- А если представить, что человека отправить?

- Если сейчас мы можем отправить к Марсу космический аппарат, который весит 4 тонны и содержит марсоход, то для того, чтобы направить на Марс экспедицию человек из шести, нужен как минимум 60-тонный аппарат. А Марс - это всего-то год туда и год обратно. А межзвездный перелет… Человеку необходимы еда, воздух. И потом ему просто будет скучно и тяжело лететь 40 лет и безвылазно все это время сидеть в аппарате! Может его там встречать никто не будет, тогда еще и обратно лететь. На самом деле при настоящем уровне технологий это несерьезное предложение.

- А вернуть от другой звезды парус можно?

- Ничто не помешает использовать излучение той же самой Альфы Центавра и направить его обратно.

- Какие еще имеются разработки, потенциально позволяющие лететь столь же быстро?

- Теоретически, можно сделать большой и прочный космический аппарат и взрывать атомные бомбы в фокусе какого-то большого зеркала, которое будет закрывать аппарат, чтобы он сам не разрушился. Это относительно реальный вариант, но это скорее вчерашний день, чем будущее. Хотя бы потому, что испытание ядерного оружия в космосе запрещено.

- А ионные двигатели?

- Они работают, но больших ускорений и скоростей не дают, в первую очередь они эффективны в пределах Солнечной системы. Эти двигатели ионизируют рабочее тело (в основном используются ксенон и аргон) и разгоняют его с помощью электрического поля. Такие двигатели потребляют меньше топлива, но для разгона ионов требуется большое количество энергии, что не позволяет запускать аппараты на дальние расстояния.

- Несколько лет назад как раз к Альфе Центавра хотели запускать наноаппараты. Тогда российский бизнесмен Юрий Мильнер и знаменитый космолог Стивен Хокинг высказывались о планах вложить 100 млн долларов в проект разработки и отправки маленьких аппаратов, разгоняемых при помощи лазера.

- Да. Был такой проект. Планировалось запустить несколько космических аппаратов размером с почтовую марку и примерно такого же веса, на который бы с Земли воздействовали лазером. Считалось, что они достигнут быстрого ускорения. Но проект прикрылся по многим причинам, в том числе и потому что один из его основателей, Стивен Хокинг, умер.

- На что способны эти маленькие аппараты?

- Они могли бы получать несколько бит информации и передавать ее на Землю. Максимум, что, вероятно, можно было узнать, это то, что аппарат долетел до какого-то места. Ни видео, ни фото не было бы.

- Как долго шел бы сигнал?

- Сигнал распространяется со скоростью света, поэтому, если бы полетели к Альфе Центавра, то порядка четырех лет.

- Хотелось бы также поговорить про не очень реальные способы перемещения в пространстве...

- Какие, например? Трансгрессия? (смеется – Ред.)

- В разных научных и псевдонаучных программах говорят о проколах в пространстве, или, как их еще называют, червоточинах.

- Да, такие темы обсуждают. Например, на одной из студенческих конференций, были два студента, которые доказывали, что прокол в пространстве действительно может образоваться, причем, в любом месте. И если поставить два огромных объекта, в полтора раза тяжелее Солнца, на некотором расстоянии друг от друга, то теоретически между ними может образоваться проход. Но остается много вопросов. Как минимум, где взять эти объекты в 1,5 раза тяжелее Солнца? И как их разместить на правильном расстоянии друг от друга? И как на нашей Солнечной системе отразится соседство с таким объектом? Вряд ли хорошо. Я думаю, что идеи, не связанные с двигательными установками, это, скорее, спекуляция. Но, кто знает, возможно, когда-нибудь найдут эту дыру, и мне будет стыдно!

Червоточина, или пространственный прокол, или «кротовая нора», представляет собой гипотетический портал, соединяющий две отдаленные точки в пространстве или даже разные Вселенные. Законы физики допускают существование подобных объектов при выполнении ряда экзотических, крайне редко встречающихся условий. Научных доказательств существования подобных объектов нет, впрочем, не доказано и отсутствие таковых. В основном червоточины упоминаются в жанре научной фантастики.

- А все-таки, не все понимают, зачем в принципе лететь к ближайшей звезде.

- Во-первых, на интерес. Почему бы и нет? Почему человеку просто не может быть интересно? Наверно, многие из нас ездили в другую страну просто на интерес и ничего особенного там не приобрели, но получили моральное удовлетворение. И если есть группа, которой интересно полететь на Луну, или куда-либо еще, почему бы им туда не полететь. Да, это дорого. Нам могут сказать, что человек, который отправился в другую страну, сам заплатил за свой перелет. Но этот человек посодействовал развитию авиационной промышленности, для которой добыли топливо, многие получили зарплату.

И я думаю, что если мы научимся разворачивать и использовать в космосе большие поверхности, то необязательно лететь к Альфе Центавра. Их можно использовать, чтобы добывать энергию, наблюдать за другими планетами, доставлять технические средства для потенциальных дальних полетов других аппаратов. А если послезавтра вдруг выяснится, что температура на Земле начнет повышаться на 10 градусов в год, то очень быстро народ захочет развернуть солнечный парус, который закроет Землю от Солнца. Это как вариант. Можно запустить аппарат, который будет светить периодически во время полярной ночи на какие-нибудь города.

Не всегда изначальная цель, которая была поставлена, важнее, чем результаты, которые были достигнуты в процессе ее достижения.

Да и к тому же, интересно, что там, на Альфе Центавра. Может быть, какие-то угрозы ужасные, а может и невероятные выгоды, которые мы не можем себе даже представить. Межзвездные перелеты – это некий пробный шар для цивилизации, которые, возможно, и не имеют под собой особый практической цели, но, если бы человечество научилось перемещаться с такими скоростями, чтобы достигать звезд, наверное, мы бы имели много чего полезного и в Солнечной системе.