Забрати космічний апарат до іншої зірки — це величезний виклик. Однак це не зупиняє людей, які працюють над цією задачею.
Найбільш помітні групи, які наразі займаються цим, — Breakthrough Starshot і Tau Zero Foundation, обидві з яких зосереджуються на особливому типі двигунів, що використовують передачу енергії через промені.
У статті, написаній головою ради Tau Zero, Джеффрі Грісоном, та фізиком з Лос-Аламоської національної лабораторії Гертритом Брюгаугом, розглядається фізика однієї такої технології — релятивістський електронний промінь — та як він може бути використаний для розгону космічного апарата до іншої зірки.
Існує багато аспектів, які потрібно врахувати при проєктуванні такої місії. Один з найбільших (буквально) — це вага космічного апарата.
Ілюстрація використання електронного променя у дослідженні (Грісон і Брюгауг).
Breakthrough Starshot зосереджується на дуже малому дизайні з величезними сонячними “крилами”, які дозволяють їм долати відстань до Альфи Центавра, використовуючи світловий промінь. Однак для практичних цілей такий маленький апарат не зможе зібрати багато корисної інформації після прибуття туди — це скоріше досягнення в інженерії, ніж справжня наукова місія.
Ця ж стаття розглядає апарати до 1000 кг — розміром приблизно з зонди Voyager, які були створені у 1970-х. Звісно, з більш передовими технологіями можна встановити на них набагато більше датчиків та систем управління, ніж мали старі системи.
Але для того, щоб розігнати такий великий апарат за допомогою променя, потрібно врахувати ще одне питання — який тип променя використовувати?
Breakthrough Starshot планує використовувати лазерний промінь, ймовірно, у видимому спектрі, який буде діяти безпосередньо на світлові вітрила, прикріплені до зонда. Однак, з огляду на поточний стан оптичних технологій, цей промінь може ефективно працювати тільки на відстані близько 0,1 астрономічної одиниці від апарата, а загальна відстань до Альфи Центавра перевищує 277 000 астрономічних одиниць.
Навіть цей мінімальний час може бути достатнім, щоб розігнати зонд до поважної міжзоряної швидкості, але тільки якщо апарат дуже малий і лазерний промінь не пошкодить його. Лазер потрібно буде включати лише на короткий час, щоб прискорити апарат до його постійної швидкості.
Автори статті пропонують інший підхід. Замість того, щоб надавати енергію лише на короткий період часу, чому б не робити це протягом довшого часу? Це дозволить накопичити більшу силу і дозволить більшому зонду досягти значної частки швидкості світла.
Є багато проблем, які потрібно буде вирішити для такого дизайну. Перше з них — розсіювання променя. На відстанях більше ніж у 10 разів більше відстані від Сонця до Землі, як забезпечити достатню когерентність променя для передачі значної потужності?
Основна частина статті зосереджена на релятивістських електронних променях. Ця концепція місії, відома як Sunbeam, використовуватиме саме такий промінь.
Використання електронів, що рухаються з релятивістською швидкістю, має кілька переваг. По-перше, досить легко розігнати електрони до швидкості, близької до швидкості світла — порівняно з іншими частками. Однак оскільки всі електрони мають однаковий негативний заряд, вони, ймовірно, будуть відштовхувати один одного, що знижує ефективність променя.
Це не є великою проблемою на релятивістських швидкостях через явище, яке було виявлене в прискорювачах часток, відоме як релятивістське стиснення. Фактично, через уповільнення часу, яке супроводжує рух з релятивістською швидкістю, електрони не мають достатньо часу для того, щоб розсуватися на таку відстань, щоб це мало істотний вплив.
Обчислення в статті показують, що такий промінь може передавати енергію до 100 або навіть 1000 астрономічних одиниць, значно далі, ніж будь-яка інша відома система пропульсії. Це також показує, що наприкінці періоду дії променя 1000-кілограмовий зонд може рухатись на швидкості до 10% від швидкості світла — це дозволить йому дістатись до Альфи Центавра менш ніж за 40 років.
Проте для цього потрібно подолати безліч проблем, одна з яких — як отримати таку потужність у формі променя. Чим далі зонд знаходиться від джерела променя, тим більше енергії потрібно для передачі такої ж сили.
Оцінки вказують на необхідність до 19 гігаелектронвольт для зонду на відстані 100 астрономічних одиниць — досить потужний промінь, хоча і в межах досяжності нашої технології, оскільки Великій адронний колайдер може генерувати промені з набагато більшою енергією.
Для захоплення цієї енергії в космосі автори пропонують використання пристрою, якого ще не існує, але теоретично можливого — сонячної станції. Ця платформа буде знаходитися над поверхнею Сонця, використовуючи комбінацію сил від світлового потоку зірки і магнітного поля, щоб утримувати її від потрапляння в гравітаційне поле Сонця.
Цей пристрій буде розташовуватись настільки близько, як і найближчий підхід Parker Solar Probe до Сонця, що теоретично можна створити матеріали, які витримають таку температуру.
Формування самого променя відбуватиметься за масивним сонячним щитом, що дозволить йому працювати в стабільному, охолодженому середовищі і перебувати на місці протягом кількох днів чи тижнів, необхідних для того, щоб розігнати 1000-кілограмовий зонд до максимальної відстані.
Саме тому використовується сонячна станція, а не орбіта — вона може залишатись нерухомим відносно зонда і не буде заважати ані Земля, ані Сонце.
Все це поки що є в царині наукової фантастики, саме тому автори зустрілися на сервері ToughSF Discord, де збираються фанати наукової фантастики.
Але, принаймні теоретично, це доводить, що можливо відправити науково корисний зонд до Альфи Центавра протягом людського життя з мінімальними удосконаленнями існуючих технологій.
Читайте оригінальну статтю.