Электронный луч может доставить зонд весом до 1000 кг к Альфе Центавра

Доставить космический корабль к другой звезде — это монументальная задача. Однако это не останавливает людей от работы над ней. Наиболее заметными группами, которые в настоящее время этим занимаются, являются Breakthrough Starshot и Tau Zero Foundation, обе из которых сосредоточены на очень специфическом типе движущей силы.

В статье председателя совета директоров Tau Zero Джеффри Грисона и Геррита Брухауга, физика из Лос-Аламосской национальной лаборатории, специализирующегося на физике лазеров, рассматривается физика одной из таких технологий передачи излучения — релятивистского электронного пучка — и то, как его можно использовать для доставки космического зонда к другой звезде.

При проектировании такого типа миссии необходимо учитывать множество факторов. Одним из самых важных (в буквальном смысле) является вес космического зонда. Breakthrough Starshot фокусируется на крошечной конструкции с гигантскими солнечными панелями, которые позволят им долететь до Альфа Центавра на луче света. Однако с практической точки зрения такой маленький зонд не сможет собрать практически никакой фактической информации по прибытии туда — это скорее инженерный подвиг, чем настоящая научная миссия.

С другой стороны, в статье рассматриваются размеры космических аппаратов до 1000 кг — примерно такого размера были зонды Voyager, построенные в 1970-х годах. Очевидно, что при более совершенных технологиях на них можно будет установить гораздо больше датчиков и элементов управления, чем было в тех системах. Но для того чтобы толкать такой большой зонд с помощью луча, необходимо еще одно конструктивное решение — какой тип луча?

Breakthrough Starshot планирует лазерный луч, вероятно, в видимом спектре, который будет толкать непосредственно световые паруса, прикрепленные к зонду. Однако, учитывая нынешнее состояние оптических технологий, этот луч может эффективно толкать зонд только около 0,1 а. е. его пути, который в общей сложности составляет более 277 000 а. е. до Альфы Центавра. Даже этого крошечного количества времени может быть достаточно, чтобы разогнать зонд до приличной межзвездной скорости, но только если он крошечный и лазерный луч его не поджарит.

В лучшем случае лазер нужно будет включить на короткий промежуток времени, чтобы разогнать зонд до его крейсерской скорости. Однако авторы статьи используют другой подход. Вместо того, чтобы подавать энергию только на короткий промежуток времени, почему бы не делать это в течение более длительного периода? Это позволило бы накопить больше силы и позволило бы гораздо более мощному зонду двигаться с приличным процентом от скорости света.

С подобной конструкцией тоже связано множество проблем. Например, это распространение луча — на расстояниях, в 10 раз превышающих расстояние от Солнца до Земли, как такой луч будет достаточно когерентным, чтобы обеспечить какую-либо значимую мощность? Большая часть статьи подробно рассматривает этот вопрос, уделяя особое внимание релятивистским электронным пучкам. Концепция миссии, известной как Sunbeam, предполагает использование именно такого луча.

Использование электронов, движущихся с такими высокими скоростями, имеет несколько преимуществ. Относительно легко разогнать электроны до скорости, близкой к скорости света, по крайней мере, по сравнению с другими частицами. Однако, поскольку все они имеют одинаковый отрицательный заряд, они, скорее всего, будут отталкиваться друг от друга, что уменьшит эффективное толчок пучка.

Это не такая уж большая проблема на релятивистских скоростях из-за явления, обнаруженного в ускорителях частиц, известного как релятивистский пинч-эффект. По сути, из-за замедления времени при движении на релятивистских скоростях, электроны не испытывают достаточного относительного времени, чтобы начать отталкивать друг друга в какой-либо значимой степени.

Расчеты в статье показывают, что такой луч может обеспечить мощность на расстоянии до 100 или даже до 1000 а.е., что намного превышает точку, где любая другая известная двигательная система могла бы оказать воздействие. Они также показывают, что в конце периода питания луча зонд весом 1000 кг может двигаться со скоростью до 10% от скорости света, что позволит ему достичь Альфы Центавра чуть более чем за 40 лет.

Однако для этого нужно преодолеть множество трудностей — одна из них — как изначально сформировать такой большой пучок энергии. Чем дальше зонд от источника пучка, тем больше энергии требуется для передачи той же силы. Оценки варьируются до 19 гигаэлектронвольт для зонда на расстоянии 100 а.е. — очень высокоэнергетический пучок, но тем не менее он находится в пределах наших технологических возможностей, поскольку Большой адронный коллайдер может формировать пучки с энергией на порядки больше.

Чтобы захватить эту энергию в космосе, авторы предлагают использовать инструмент, который пока не существует, но, по крайней мере, теоретически мог бы существовать: солнечный статит. Эта платформа будет располагаться над поверхностью Солнца, используя комбинацию силы, возникающей под воздействием света от звезды, и магнитного поля, которое использует магнитные частицы, излучаемые Солнцем, чтобы удержать ее от падения в гравитационный колодец Солнца. Она будет находиться так же близко к Солнцу, как и самый близкий подход зонда Parker Solar Probe, что означает, что, по крайней мере теоретически, мы можем создать материалы, способные выдержать такой жар.

Само формирование луча будет происходить за массивным солнечным щитом, что позволит ему работать в относительно прохладной, стабильной среде, а также оставаться на станции в течение дней или недель, необходимых для того, чтобы вытолкнуть 1000-килограммовый зонд так далеко, как он сможет. Вот почему вместо орбитального спутника используется статит — он может оставаться неподвижным относительно зонда и не беспокоиться о том, что его закроет Земля или Солнце.

Все это пока что остается в области научной фантастики, поэтому авторы и встретились в первую очередь на сервере ToughSF Discord, где собираются любители научной фантастики. Но, по крайней мере, в теории, это показывает, что можно отправить научно-полезный зонд к Альфе Центавра в течение человеческой жизни с минимальными усовершенствованиями существующих технологий.

Работа опубликована в журнале Acta Astronautica.