Самоцентрирующийся лазерный парус для межзвездных полетов

Согласно новому исследованию, космические корабли смогут лететь к далеким звездам, используя паруса с поверхностями, подобными поверхностям компакт-дисков, которые помогут им оставаться «сосредоточенными» на лазерных лучах.

Обычные ракеты, управляемые химическими реакциями, в настоящее время являются доминирующей формой для космических полетов. Тем не менее, они не достаточно эффективны и быстры, чтобы достичь другой звезды в течение жизни человека.

Например, хотя Альфа Центавра является ближайшей к Земле звездной системой, она все равно находится на расстоянии около 4,37 световых лет, что составляет 41,2 триллиона километров или более чем в 276 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Космическому аппарату Voyager 1, запущенному в 1977 году и достигшему межзвездного пространства в 2012 году, потребуется около 75 000 лет, чтобы долететь до Альфы Центавра, если бы он летел по направлению к ней.

Большая проблема всех двигателей на современных космических кораблях состоит в том, что топливо, которое корабли несут с собой, имеет массу. Длительные полеты требуют много топлива, что делает космические корабли тяжелыми, что, в свою очередь, требует больше топлива, делает их тяжелее и так далее. Эта проблема экспоненциально ухудшается с увеличением массы космического корабля.

Предыдущие исследования показали, что «легкий космический парус» может быть одним из технически осуществимых способов создать зонд для полета к другой звезды в течение жизни человека.

Многочисленные эксперименты показали, что такие «солнечные паруса» могут полагаться на солнечный свет в качестве движителя, учитывая достаточно большое зеркало и достаточно легкий космический корабль.

Инициатива Breakthrough Starshot стоимостью 100 миллионов долларов, о которой было объявлено в 2016 году, планирует запустить к Альфе Центавра множество космических кораблей размером с микрочип, каждый из которых оснащен чрезвычайно тонкими, невероятно отражающим парусом, и будет приводиться в движение самыми мощными из когда-либо созданных лазеров. По плану микро-корабли будут лететь со скоростью до 20% от световой и достигнут Альфы Центавра примерно через 20 лет.

Одна из проблем, связанных с использованием лазерных парусов, заключается в том, что, если они отклоняются от выравнивания с лазерными лучами, которые будут базироваться здесь, на Земле, по крайней мере на начальном этапе, они могут сильно отклониться от курса.

Теперь ученые разработали и испытали новый парус, который в принципе мог бы автоматически центрироваться на лазерном луче в течение необходимых нескольких минут, позволяя космическому кораблю двигаться по курсу для межпланетных или даже межзвездных путешествий.

Новый парус опирается на структуры, известные как дифракционные решетки, наиболее известные версии которых можно увидеть на CD и DVD. Дифракционная решетка представляет собой поверхность, покрытую серией регулярно расположенных микроскопических выступов или щелей, которые могут рассеивать или собирать свет, заставляя волны различной длины или цвета распространяться в разных направлениях.

Ученые построили парус, состоящий из двух дифракционных решеток, расположенных рядом. Каждая решетка была сделана из выровненных жидких кристаллов, которые содержались в пластиковом листе. Подобные жидкие кристаллы часто используются в электронных дисплеях видеоэкранов и цифровых часов.

Предыдущие легкие конструкции парусов действуют как зеркала, отражающие лучи света назад к своим источникам. В новой конструкции жидкие кристаллы в каждой дифракционной решетке отклоняют световые лучи под углом, создавая силы, которые направляют парус как назад, так и в сторону.

Решетка на левой стороне нового паруса отклоняет свет справа от лазерного луча, в то время как решетка на правой стороне отклоняет свет влево. Если парус дрейфует так, что лазерный луч падает на любую сторону паруса, это возвращает парус обратно в положение со светом, падающим на центр паруса.

В итоге исследователи создали парус, генерирующий силы повторного центрирования, которые возвращали его в соответствие с направлением лазерного луча.

«Было очень приятно обнаружить, что экспериментальные результаты согласуются с нашими теоретическими предсказаниями», — говорят ученые. «Это соглашение предполагает, что мы можем уверенно проектировать более сложные дифракционные структуры для легких парусов, управляемых либо солнечным светом, либо лазерным лучом».

Исследователи сейчас экспериментируют с парусами, способными центрироваться, если они дрейфуют в любом направлении, а не только влево или вправо. Они предположили, что в будущем их паруса можно будет испытать на Международной космической станции или на небольшом орбитальном спутнике.

Результаты опубликованы онлайн в журнале Physical Review Letters.