Эксперт объяснил, как работает световой парус и можно ли с ним улететь к звездам.
12 апреля 2016 года Юрий Мильнер и Стивен Хокинг объявили, что намерены запустить к Альфе Центавра наноаппарат на солнечном парусе. Инженер МГТУ им. Н.Э. Баумана Николай Неровный рассказал «Чердаку», реально ли это с физической точки зрения и почему главным итогом проекта может оказаться вовсе не межзвездное путешествие, а новое оружие.
— На чем основана работа солнечного паруса?
— В конце XIX века Джеймс Максвелл открыл уравнения, которые описывают поведение электромагнитных полей, и оказалось, что электромагнитные волны могут передавать некоторый импульс. В начале XX века российский физик Петр Лебедев экспериментально подтвердил, что свет — по природе электромагнитная волна — действительно оказывает давление на поверхности. На этом эффекте как раз и основана идея солнечных парусов, они же световые: в космос запускают аппарат с установленными зеркалами, падающий солнечный свет или свет от лазера с Земли оказывает на них давление и «подталкивает» весь аппарат.
— Эта идея развилась до какого-то реального применения?
— У нас в России эта тема никогда не была в мэйнстриме, а вот на Западе, и особенно в США, ей активно занимались. Например, где-то в середине 60-х американец Роберт Макнил предложил снарядить аппарат под солнечным парусом для изучения кометы Галлея. NASA всесторонне изучило этот проект, хорошо его проработало, но в итоге аппарат в космос не запустило. Дальше этой темой довольно активно занимался ученый по имени Роберт Форвард: он впервые и предложил концепцию разгона паруса с помощью лазера, которую сейчас анонсируют Мильнер и Хокинг в проекте Breakthrough Starshot.
— Аппараты на солнечном парусе уже бывали в космосе?
— Да, конечно. В 1993 году недалеко от станции «Мир» с корабля «Прогресс» развернули большой светоотражающий диск примерно 10 метров в диаметре. Он создавал яркое пятно шириной в несколько километров, которое проходило по территории Европы из Южной Франции в западную часть России. Эксперимент — он назывался «Знамя-2» — был удачным, некоторые наблюдатели на Земле даже увидели этот свет, но в 1997 году проект был свернут после провала следующего опыта под названием «Знамя-2.5» (при раскрытии зеркало зацепилось за антенну «Прогресса» — прим «Чердака»).
Первый солнечный парус на западе был раскрыт в 2010 году — это был космический аппарат Nanosail-D2. Этот парус был очень большим, поэтому его не смогли запустить высоко. В итоге парус сгорел в остаточных слоях атмосферы, но перед этим он успел раскрыться, что даже сняли телескопы с Земли. А уже в прошлом году Planetary Society (неправительственная организация, которая занимается проектами по исследованию космоса — прим «Чердака») запустило новый аппарат LightSail-1, с камерами прямо на борту, благодаря которым мы все наконец в деталях увидели, как солнечный парус раскрывается в космосе.
— Какой аппарат на солнечном парусе удалился дальше всего от Земли или космических станций?
— Это IKAROS, японский аппарат с солнечным парусом габаритами примерно 14 на 14 метров, который сейчас летает где-то между Землей и Венерой. Правда, IKAROS вышел на эту траекторию не сам — его просто отделили с борта другого аппарата, и уже в открытом космосе он раскрылся.
Потом за ним продолжали наблюдать с Земли и показали, что за шесть лет у IKAROS появилась небольшая прибавка к скорости, которую можно объяснить только силой светового давления.
Разница составляет несколько десятков метров в секунду, но это не так мало, учитывая, что масса аппарата около 300 килограммов. Просто изначально его цель была совершенно другая: в космос хотели отправить только некий балансировочный груз, но потом кто-то в Японии прознал, что на Венеру будет запущена болванка в 300 килограммов, и решил на базе этой программы еще проверить раскрытие паруса, чтобы два раза не летать.
— Получается, все аппараты на солнечных парусах сейчас привязаны к Земле, орбитальным станциям или другим экспедициям и самостоятельно летать между планетами или тем более звездами пока не могут?
— Это так — пока в космосе отрабатывали другие технические детали. Надо понимать, что даже процедура раскрытия паруса сама по себе очень сложна: как поведет себя материал в невесомости, как его расправить, чтобы не было складочек, — это все требует дополнительных исследований, которые планируются уже на LightSail2.
— Насколько я знаю, вы тоже участвуете в подобном проекте?
— Да, он называется Парус-МГТУ, мы начали его делать еще будучи студентами в Бауманке и занимались аппаратом как хобби, а потом решили заявиться через «Роскосмос» настоящим большим космическим проектом. С тех пор мы получаем финансирование и планируем эксперимент по раскрытию паруса во время выхода в открытый космос на МКС.
— Как космонавты будут запускать аппарат?
— Все просто: космонавту нужно направить специальное оборудование в необходимую сторону и нажать на кнопку. Произойдет отстрел маленького космического аппарата, который начнет вращаться и выпустит две длинные ленты по 5-6 метров. Сейчас мы уже на финальных стадиях проработки этого проекта.
Перспективы проекта Хокинга и Мильнера
— О проекте Breakthrough Starshot было что-то известно в профессиональной среде до вчерашней пресс-конференции?
— Нет. Я постоянно отслеживаю новые публикации по солнечным парусам, но об этом проекте слышу первый раз. Во всяком случае, когда два года назад мы ездили на большой симпозиум в Глазго, то там ничего подобного не заявлялось.
— В пресс-релизе заявляются некоторые технические характеристики проекта, например разгон до 20% скорости света за 10 минут и стоимость 100 миллионов долларов на 10 лет. Это реальный план?
— Есть старая притча о том, что девять матерей за один месяц ребенка не родят. Дело здесь не столько финансах, сколько в технологиях... Для того чтобы достигнуть скорости в 1/5 скорости света за 10 минут, нужно ускорение порядка 12000-13000 g, 125 км/c2. Это много. В принципе сейчас уже есть электроника, которая работает при перегрузках в несколько сотен g, но чтобы она выдерживала тысячи g — это пока невероятно.
— То есть проект Breakthrough Starshot невозможно реализовать на практике?
— С точки зрения физики в этом проекте нет ничего невозможного, но инженерно это выглядит очень сложно. Если этот аппарат будет разгоняться до 20% световой скорости за 10 минут, как заявлено, то он будет очень быстро уходить из фокуса лазера. Это серьезная проблема. Кроме того, если мы действуем на парус очень мощным лазером, то огромный поток этой энергии наверняка будет тратиться не только на разгон паруса, но и на его нагрев, потому что невозможно сделать зеркало с идеальной отражающей способностью. Даже если 1% энергии лазера будет поглощаться парусом, это может привести к его перегреву и деформации, и уж тем более выйдет из строя электроника.
Роберт Форвард оценивал, что солнечный парус будет разогреваться до нескольких тысяч градусов, и поэтому для паруса нужно использовать термически устойчивые материалы, которые будут сохранять свои оптические и прочностные свойства даже при большом нагреве.
Чтобы решить все эти сложности, понадобится примерно 500 лет, и это еще оптимистичная оценка.
Одним словом, лично я смотрю скептически, но я могу ошибаться. Нужно смотреть технические детали проекта.
— Помимо прочего, в релизе говорится о лазере с мощностью до 100 ГВт. Звучит впечатляюще.
— Такие лазеры сейчас уже сейчас есть, но другое дело, что гигаваттные мощности они выдают только на очень маленькое время — фемтосекунды, пикосекунды.
Чтобы непрерывно работать в течение нескольких минут, такому лазеру понадобится энергия примерно от нескольких десятков АЭС. Это невероятная энергия, и совершенно непонятно, как ее получить и где хранить.
Плюс нужно учитывать потери на фокусировку, на нагрев материала, на не стопроцентный КПД самой лазерной установки.
В общем, это очень интересная инвестиция Мильнера. Лично я смотрю скептически на ее перспективы, но, если вдруг получится, это будет невероятно успешный проект. И речь здесь даже не о межзвездных перелетах, по сути мало кому нужных, а, скорее, о коммерческой доставке больших грузов с Земли в космос. Ну и, конечно, не стоит забывать о военных перспективах разработки: такой невероятно мощный лазер — очень интересное оружие, и большой вопрос, кто будет его контролировать.
Источник: http://chrdk.ru/sci/2016/4/13/chto_takoe_svetovoi_parus_kak_on_rabotaet_i_mozhno_li_s_nim_uletet_k_alfa_tsentavra/