Космические зонды, использующие паруса, могут летать к внешним планетам и дальше
Космические путешествия могут быть мучительно медленными: например, зонду New Horizons (Новые горизонты) потребовалось почти 10 лет, чтобы добраться до Плутона.
Чтобы добраться до Проксимы Центавра b, ближайшей внесолнечной планеты к Земле, потребуются тысячи лет даже на самых быстрых современных ракетах.
Теперь ученые подсчитали, что маломощные лазеры на Земле могут запускать и маневрировать небольшими зондами, оснащенными парусами из кремния или нитрида бора, разгоняя их до гораздо более высоких скоростей, чем ракетные двигатели.
Вместо того, чтобы ловить ветер, как паруса на лодках, «лазерные паруса» будут ловить лазерные лучи и, в принципе, могут разгонять космические корабли почти до скорости света.
Ученые уже давно работают над этой концепцией. Например, финансируемый из частных источников проект Breakthrough Starshot направлен на отправку небольшого парусного зонда к Проксиме Центавра b, причем полет займет всего 20 лет.
Он будет разгоняться до 20% скорости света с помощью массива лазеров мощностью 100 ГВт на квадратный километр. Но ученые задались вопросом, могут ли лазерные массивы гораздо меньшей мощности и меньшего размера найти применение там, где сейчас используются обычные электрические и химические ракеты.
Когда-нибудь лазеры смогут корректировать орбиту спутников после запуска или запускать крошечные парусные зонды в межпланетные или межзвездные миссии, не требуя большого количества топлива.
Исследователи выполнили расчеты, чтобы показать, что даже лазеры мощностью около 100 кВт и размером массива около метра могут питать 1-граммовый зонд со скоростью, намного превышающей текущий рекорд, при лазерном освещении всего от нескольких минут до нескольких часов.
Ученые определили, что лучшими материалами для лазерных парусов, которые обеспечивают высокую отражательную способность и быстрое охлаждение, являются нитрид кремния и нитрид бора, структурированные на наноуровне.
Мы показываем, что лазерное движение становится практичным при мощности лазера ≥ 100 кВт и размерах лазерной решетки ∼ 1 м, что возможно в ближайшем будущем. Наш анализ показывает, что легкие (1–100 г) космические аппараты размером с пластину (∼10 см) могут быть выведены лазерами на орбиты, которые находятся за пределами досягаемости современных систем.
Наконец, исследователи подсчитали, что эти крошечные лазерные зонды могут перемещаться достаточно быстро, чтобы покинуть Солнечную систему, достигая в 5 раз большей скорости, чем зонд New Horizons.
Они говорят, что эти прототипы парусных космических кораблей, управляемые маломощными лазерами, могут проложить путь для быстрого освоения космоса и будущих межзвездных полетов.