Как создать световой парус, который не порвется и не расплавится во время межзвездного путешествия
Астрономы много лет ждали запуска космического телескопа Джеймс Уэбб, который обещает заглянуть в космос дальше, чем когда-либо прежде. Но если люди действительно хотят добраться до нашего ближайшего звездного соседа, им придется подождать еще «немного»: зонду, отправленному к Альфе Центавра с помощью обычной ракеты, потребуется примерно 80 000 лет, чтобы совершить путешествие.
Игорь Баргатин, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики, пытается решить эту футуристическую проблему с помощью идей, взятых у одной из древнейших транспортных технологий человечества: паруса.
В рамках инициативы Breakthrough Starshot он и его коллеги разрабатывают размер, форму и материалы для паруса, толкаемого не ветром, а светом.
Используя нанотонкие материалы и массив мощных лазеров, такой парус мог бы нести зонд размером с микрочип со скоростью, составляющей пятую часть скорости света, а достаточно быстро, чтобы совершить путешествие к Альфе Центавра примерно за 20 лет, а не за тысячелетия.
«Чтобы добраться до другой звезды в течение нашей жизни, потребуется релятивистская скорость или что-то близкое к скорости света», — говорит Игорь Баргатин. «Идея легкого паруса существует уже некоторое время, но мы только сейчас выясняем, как сделать так, чтобы эти конструкции выдержали путешествие».
Большая часть более ранних исследований в этой области предполагала, что солнце будет пассивно обеспечивать всю энергию, необходимую световым парусам для движения. Однако план Starshot по доведению своих парусов до релятивистских скоростей требует гораздо более целенаправленного источника энергии.
Как только парус окажется на орбите, большой массив наземных лазеров направит на него свои лучи, обеспечивая интенсивность света, в миллионы раз превышающую солнечную.
Учитывая, что целью лазеров будет трехметровая структура, которая в тысячу раз тоньше листа бумаги, выяснить, как предотвратить разрыв или плавление паруса, является серьезной инженерной задачей.
Игорь Баргатин, Дип Джаривала, доцент кафедры электротехники и системотехники, и Аасват Раман, доцент кафедры материаловедения и инженерии Инженерной школы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, опубликовали статьи в журнале Nano Letters, которые обрисовывают в общих чертах некоторые из этих основных спецификаций.
В одном исследовании, которое возглавлял Игорь Баргатин, показано, что легкие паруса Starshot, которые предполагается построить из ультратонких листов оксида алюминия и дисульфида молибдена, должны будут развеваться, как парашют, а не оставаться плоскими, как предполагалось в большинстве предыдущих исследований.
«Интуиция здесь такова, что очень тугой парус, будь то на парусной лодке или в космосе, гораздо более подвержен разрывам», — говорит Баргатин. «Эту концепцию относительно легко понять, но нам нужно было выполнить очень сложную математику, чтобы показать, как эти материалы будут вести себя в таком масштабе».
Вместо плоского листа Баргатин и его коллеги предполагают, что изогнутая конструкция, примерно такая же глубокая, как и широкая, была бы наиболее способна выдержать нагрузку от гиперускорения паруса, тяги, в тысячи раз превышающей земную гравитацию.
«Лазерные фотоны наполнят парус так же, как воздух надувает пляжный мяч», — говорит Мэтью Кэмпбелл, научный сотрудник группы Баргатина и ведущий автор первой статьи. «И мы знаем, что легкие контейнеры под давлением должны быть сферическими или цилиндрическими, чтобы избежать разрывов и трещин. Подумайте о баллонах с пропаном или даже о топливных баках на ракетах».
Другое исследование под руководством Аасвата Рамана, дает представление о том, как наноразмерные узоры внутри паруса могут наиболее эффективно рассеивать тепло, которое исходит от лазерного луча, в миллион раз более мощного, чем солнечный.
«Если паруса поглотят даже малую долю падающего на них лазерного излучения, они нагреются до очень высоких температур», — объяснил Раман. «Чтобы убедиться, что они не просто распадутся, нам нужно максимально увеличить их способность излучать свое тепло, что является единственным способом передачи тепла, доступным в космосе».
Предыдущие исследования светового паруса показали, что использование конструкции фотонного кристалла, по существу, пронизывающей «ткань» паруса регулярно расположенными отверстиями, максимизирует тепловое излучение конструкции. Новая статья исследователей добавляет еще один уровень периодичности: образцы парусной ткани соединены вместе в сетку.
С расстоянием между отверстиями, соответствующим длине волны света, и расстоянием между образцами, соответствующим длине волны теплового излучения, парус мог выдержать еще более мощный начальный толчок, сокращая время, необходимое лазерам, чтобы оставаться на своей цели.
«Несколько лет назад даже думать или проводить теоретическую работу над такой концепцией считалось надуманным», — говорят ученые.
«Теперь у нас есть не только дизайн, но и дизайн основан на реальных материалах, доступных в наших лабораториях. Наш план на будущее — создавать такие структуры в небольших масштабах и тестировать их с помощью мощных лазеров».
Проект Breakthrough Starshot является частью Breakthrough Initiatives, набора космических научных программ, исследующих фундаментальные вопросы жизни во Вселенной. Эти благотворительные инициативы финансирует Фонд «Прорыв», основанный Юрием Мильнером.