Пътна карта до Алфа Центавър

Британският физик теоретик Стивън Хокинг и руският бизнесмен Юрий Милнер ще обявят началото на работата по създаване и изпращане на спътник към Алфа Центавър.

Инициативата, получила названието Breakthrough Starshot, може да стане първата мисия на ръкотворен апарат към друга звезда.

Новият проект ще стане продължение на инициативата Breakthrough Listen – най-големия проект по търсене на сигнали от извънземни цивилизации, стартирал през лятото на 2015 година.

Апаратът, който се планира да бъде изпратен към Алфа Центавър, ще представлява наноспътник на лазерни платна. Неговата скорост може да достигне 20 процента от скоростта на светлината (последната е равна на 300 000 километра в секунда). Такъв апарат може да се ускорява с помощта на масив от лазери.

За работата по създаване на спътника за междузвездни пътешествия и необходимите за тази цел лазерни системи може да бъдат необходими няколко десетилетия. Аналогичен проект, наречен DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and ExploRation), има и НАСА.

Астрофизикът Филип Любин от Калифорнийския университет в Санта Барбара (САЩ) е публикувал изследване в сайта arXiv.org със заглавието „Пътна карта на междузвездния полет“.

В статията се констатира ограничеността на съврменните ракети във възможността за изследване на периферията на Слънчевата система и близките звезди.

При съвременни технологични възможности предлаганата от Любин програма позволява да се изпрати автоматична станция към Алфа Центавър. Оглавяваният от учения DEEP-IN (Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration) през 2015 година е бил подкрепен о Института по напреднали изследвания на НАСА.

Как да изпратим техногенна сонда към най-близката до Слънцето звезда Алфа Центавър? Отговорът, предлаган от Любин, изглежда прост: необходимо е да сглобим на околоземна орбита група от лазери с обща площ с размерите на Манхатън и да я използваме за ускоряване на миниатюрни космически сонди до релативистки скорости (тоест скорости, сравними със светлинната скорост, която във вакуум е 300 000 километра в секунда).

Независимо от привидната фантастичност, предложението на Любин и колегите му се опира на съвременната наука и се намира в рамките на технологичните възможности на човека.

Проблемът гориво

През 1903 година братя Райт са извършили първия полет със самолет. След 66 години Нийл Армстронг за първи път е стъпил на повърхността на Луната. След още 66 години, през 2033 г., НАСА планира да спусне първия човек на Марс.

Според Любин усвояването на междузвездното пространство изисква преосмисляне на съвременните технологии за движение на ракети и сонди. Горивото в ракетите се използва в качеството на работно тяло: единственият начин да се изведе космически апарат на орбита се заключава в ускореното движение напред чрез изхвърляне на гориво назад толкова бързо, колкото това е възможно.

Повече от 90 процента в космическите ракети масата на носителя се пада на горивото. Това е изключително неефективно, тъй като по-голямата част от ракетната тяга отива за издигане на горивото, а не за полезен товар.

Към днешна дата най-далече от Земята в сравнение с другите космически сонди е отлетял апаратът „Вояджър 1“, който единствен е достигнал междузвездното пространство.

През 2017 година ще се закръглят 40 години от деня, когато „Вояджър“  е напуснал нашата планета. За това време апаратът се е озовал на разстояние повече от 18 светлинни часа от Земята (толкова време е необходимо на светлината, за да измине разстоянието от планетата до апарата).

В случай че изчисленията са верни и нищо не се случи с „Вояджър 1“, станцията ще достигне най-близката звезда след 40 000 години. Учените от Института за космически изследвания Кек (САЩ) са установили, че сондите за усвояване на Далечния космос, построени днес, биха могли да превишат скоростта на „Вояджър 1“ три-четири пъти. Любин заключава, че ако човек някога успее да се добере до друга звезда, то това вероятно няма да се случи чрез изгарянето на гориво.

Масив от лазери

Като алтернатива на превозваното гориво заедно с полезния товар Любин посочва външен източник на тяга. Използването на слънчеви платна се явява добър пример за такъв род движение – фотоните (кванти на електромагнитното излъчване) носят импулс и при сблъсък с повърхността на огледалото, както следва от законите за съхранение, му придават количество движение. С времето космическата сонда на слънчеви платна поради неголямото налягане на слънчевия вятър е способна да развие доста висока скорост.

Предлаганите от Любин лазерни платна ще работят по същия принцип, с изключение на това, че светлината към тях ще постъпва не от Слънцето, а от доста по-мощен източник – масив лазери на Земята или на орбита на планетата.

С точно фокусиране и синхронизиране на работата на системите лазерните платна могат да получат сто хиляди пъти повече енергия, отколкото от светилото, и ще позволят на космическия апарат да развие огромни скорости.

На пръв поглед разполагането на толкова мощен лазер на околоземна орбита изглежда неизпълнима задача, но екипът на Любин е стигнал до извода, че още днес съществува такава технология.

От фантастиката в реалността

Решението се заключава в използването на модулни масиви на синхронно работещи мощни лазери, захранвани от общ източник. Модулността отстранява необходимостта от създаването на един огромен лазер и вместо това предполага разгръщане на управляема система от няколко устройства, захранвани от един или няколко лазера със сравнително неголеми количества енергия.

За най-оптимално разположение на масива се смята околоземна орбита, тъй като атмосферата разсейва лазерното лъчение и се нагрява от него. Любин предлага да се започне сглобяването на масив от неголеми модули на Земята и след това да се продължи изграждането му на околоземна орбита.

Системата DE-STAR-4 е способна да генерира тяга, достатъчна за изпращането на CubeSat до Марс за осем часа или на космически кораб с маса от десет тона – за един месец (съвременните ракети позволяват това да стане за шест-осем месеца).

Оценките показват, че околоземна групировка от DE-STAR-4 ще бъде около сто пъти по-тежка от Международната комическа станция (която има маса около 420 тона). Създаването на системата се явява технологично осъществима задача. Главната трудност в разгръщането на модулния масив от лазери се заключава в проблемите с извеждане на околоземна орбита на толкова тежък полезен товар.

На предела

Апаратът CubeSat ще достигне Марс за осем часа, движейки се със скорост, равна на около два процента от светлинната. Това е много над възможностите на използваната днес от човека техника. И все пак с такава скорост апаратът ще достигне до Алфа Центавър за 200 години.

За да достигат космически апарати с по-внушителни размери до най-близката до Слънцето звезда за няколко години, тяхната конструкция трябва да бъде преразгледана кардинално.

За тази цел Любин е разработил концепция на микроелектронни космически апарати, всеки от които има маса по няколко грама и е снабден с неголямо лазерно платно, необходимо за привеждането му в движение и осъществяване на бъдеща връзка.

Астрофизикът е на мнение, че фотонната технология допуска мащабиране до практически всякакви размери, но днес за тестване на технологията най-просто е да се използват миниатюрни космически апарати.

Типичната миниатюрна сонда, предназначена за междузвездни прелети, трябва да съдържа елементи на нанофотониката, миниатюрен радиоизотопен термоелектрически генератор с мощност един ват, нанодвигатели за коригиране на движението, кондензатори за съхраняване на енергията и малка камера.

Диаметърът на кръгло лазерно платно на такъв апарат ще бъде един метър. Системата DE-STAR-4, развиваща мощност 70 гигавата, може да ускори такъв апарат до скорост от около една четвърт от светлинната за десет минути. Това е достатъчно миниатюрна ръкотворна сонда да достигне Алфа Центавър за 15 години.

Първите пътешествия до най-близката до Слънцето звезда ще носят според Любин прелетен характер, тъй като развиваната от космическите апарати скорост ще бъде толкова висока, че няма да им позволи да бъдат захванати от гравитационните полета на светилата.

В перспектива има смисъл прелетният апарат да бъде снабден с възможност да се разпада на няколко сонди, които при приближаване към целта да провеждат независими изследвания.

В радиус 20 светлинни години от Земята са открити повече от 150 звезди и 17 планетни системи, от които 14 са способни да поддържат екзопланетите в потенциално обитаемата зона.

Знанието за досегаемостта на извънземните светове подхранва интереса на инженери и учени за изработката на нови технологии за покоряването на междузвездното пространство, а ентусиазмът, с който се очакват мисии на Луната и Марс, е сравним с предвкусването на епохата на Великите географски открития.

Двойната звезда Алфа Центавър се намира на 4,36 светлинни години от Земята. Вероятно в тази система (звездите А и В) влиза и червеното джудже Алфа Центавър С. Звездите Алфа Центавър А и В по физически характеристики са подобни на Слънцето, но са по-стари от него с 1,5 милиарда години.

Lenta.ru