Постріли маленькими кулями в космічний корабель може прискорити його швидкість

Сьогодні кілька космічних агентств досліджують передові ідеї двигунів, які дозволять здійснювати швидкі транзити до інших тіл Сонячної системи.

До них належать концепції НАСА щодо ядерно-теплового або ядерно-електричного двигуна (NTP/NEP), які могли б забезпечити час транзиту до Марса за 100 днів (або навіть 45 ), а також китайський космічний корабель з ядерним двигуном , який міг би досліджувати Нептун і його найбільший супутник Тритон.

Хоча ці та інші ідеї можуть дозволити досліджувати міжпланети, вихід за межі Сонячної системи представляє деякі серйозні проблеми.

Як ми досліджували в попередній статті, космічним кораблям, які використовують звичайні двигуни, знадобиться від 19 000 до 81 000 років , щоб досягти навіть найближчої зірки, Проксими Центавра (4,25 світлових років від Землі). З цією метою інженери досліджували пропозиції щодо космічних кораблів без екіпажу, які покладаються на промені спрямованої енергії (лазери), щоб прискорити світлові вітрила до частки швидкості світла.

Нова ідея, запропонована дослідниками з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, передбачає зміну ідеї «промінь-вітрило»: концепція промінь-промінь , яка може прискорити 1-тонний космічний корабель до краю Сонячної системи менш ніж за 20 років.

Концепцію під назвою « Променева рушійна установка для прориву в дослідженні космосу » запропонував Артур Давоян , доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної інженерії Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA).

Ця пропозиція була однією з чотирнадцяти пропозицій, обраних програмою NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) у рамках їх відбору 2023 року, яка присудила загальну суму 175 000 доларів США у вигляді грантів на подальший розвиток технологій. Пропозиція Давояна ґрунтується на нещодавній роботі з двигуном спрямованої енергії (DEP) і технологією легких вітрил для створення сонячної гравітаційної лінзи .

Як сказав професор Давоян електронною поштою Universe Today, проблема космічних кораблів полягає в тому, що вони все ще підпорядковуються Rocket Equation :

«Усі сучасні космічні кораблі та ракети літають, розширюючи паливо. Чим швидше паливо викидається, тим ефективніша ракета. Однак існує обмежена кількість палива, яке ми можемо нести на борт. Як наслідок, швидкість космічного корабля Ця фундаментальна межа продиктована Rocket Equation. Обмеження Rocket Equation призводять до відносно повільного та дорогого дослідження космосу. Такі місії, як Solar Gravitational Lens, неможливі за допомогою сучасних космічних кораблів».

Сонячна гравітаційна лінза (SGL) — це революційна пропозиція, яка стане найпотужнішим телескопом, який будь-коли створювався. Приклади включають сонячну гравітаційну лінзу , яка була обрана у 2020 році для розробки III фази NIAC.

Концепція спирається на явище, передбачене загальною теорією відносності Ейнштейна, відоме як гравітаційне лінзування , коли масивні об’єкти змінюють кривизну простору-часу, посилюючи світло від об’єктів на задньому плані. Цей метод дозволяє астрономам вивчати віддалені об’єкти з більшою роздільною здатністю та точністю.

Розташувавши космічний корабель у геліопаузі (~500 астрономічних одиниць від Сонця), астрономи могли вивчати екзопланети та віддалені об’єкти з роздільною здатністю головного дзеркала діаметром близько 100 км (62 милі). Завдання полягає в розробці силової установки, яка могла б доставити космічний корабель на цю відстань за розумний проміжок часу.

На сьогодні єдиними космічними апаратами, які досягли міжзоряного простору, були зонди «Вояджер-1» і «Вояджер-2», які були запущені в 1977 році і на цю мить знаходяться приблизно в 159 і 132 астрономічних одиницях від Сонця (відповідно).

Коли зонд «Вояджер-1» покинув межі Сонячної системи, він рухався з рекордною швидкістю близько 17 км/с (38 028 миль/год), або 3,6 астрономічні одиниць на рік. З усім тим, цьому зонду знадобилося 35 років, щоб досягти межі між сонячним вітром Сонця та міжзоряним середовищем (геліопауза).

При нинішній швидкості «Вояджеру-1» знадобиться понад 40 000 років, щоб пролетіти повз іншу зоряну систему – AC+79 3888, незрозумілу зірку в сузір’ї Малої Ведмедиці. З цієї причини вчені досліджують рух спрямованої енергії (DE) для прискорення легких вітрил, які можуть досягти іншої зоряної системи за лічені десятиліття.

Як пояснив професор Давоян, цей метод пропонує певні переваги, але також має певну частку недоліків:

«Лазерне плавання, на відміну від звичайних космічних кораблів і ракет, не потребує палива на борту для прискорення. Тут прискорення відбувається від лазера, який штовхає космічний корабель тиском випромінювання. В принципі, за допомогою цього методу можна досягти швидкості, близької до швидкості світла. Однак лазерні промені розходяться на великих відстанях, що означає, що існує лише обмежений діапазон відстані, на якому космічний корабель може бути прискорений. Це обмеження лазерного плавання призводить до необхідності мати надзвичайно високу потужність лазера, гігавати, а в деяких пропозиціях і теравати. або накладає обмеження на масу космічного корабля».

Приклади концепції лазерного променя включають проєкт Dragonfly , техніко-економічне обґрунтування Інституту міжзоряних досліджень (i4is) для місії, яка може досягти сусідньої зоряної системи протягом століття.

Крім того, є Breakthrough Starshot, який пропонує 100-гігаватний (ГВт) лазерний масив, який прискорить нанокрафт масштабу грама (Starchip).

З максимальною швидкістю 161 мільйон кілометрів (100 мільйонів миль), або 20 відсотків швидкості світла, Starshot зможе досягти Альфи Центавра приблизно через 20 років. Натхненний цими концепціями, професор Давоян та його колеги пропонують новий поворот цієї ідеї: концепцію пучка з гранулами.

Ця концепція місії може слугувати швидкою міжзоряною місією-попередницею, як Starshot і Dragonfly.

Але для своїх цілей Давоян і його команда досліджували систему пучків з гранулами, яка могла б перекинути корисний вантаж ~900 кг (1 тонна США) на відстань 500 астрономічних одиниць менш ніж за 20 років. Сказав Давоян:

«У нашому випадку промінь, що штовхає космічний корабель, складається з крихітних гранул, тому [ми називаємо це] пучком гранул. Кожна гранула прискорюється до дуже високих швидкостей за допомогою лазерної абляції, а потім гранули передають свій імпульс, щоб штовхнути космічний корабель.

На відміну від лазерного променя, гранули не розходяться так швидко, що дозволяє нам прискорити більш важкий космічний корабель. Гранули, будучи набагато важчими за фотони, несуть більший імпульс і можуть передавати вищу силу космічному кораблю».

Крім того, малий розмір і невелика маса гранул означає, що вони можуть рухатися лазерними променями відносно малої потужності. Загалом Давоян та його колеги підрахували, що 1-тонний космічний корабель можна було б розігнати до швидкості до ~30 астрономічних одиниць на рік за допомогою лазерного променя потужністю 10 мегават (МВт).

Для зусиль Фази I вони продемонструють здійсненність концепції пучка гранул за допомогою детального моделювання різних підсистем і експериментів з підтвердженням концепції. Вони також досліджуватимуть корисність системи променевих гранул для міжзоряних місій, які могли б досліджувати сусідні зірки за нашого життя.

«Промінь гранул має на меті змінити спосіб дослідження глибокого космосу, дозволяючи швидкі транзитні місії до віддалених пунктів призначення», — сказав Давоян. «За допомогою пучка гранул можна досягти зовнішніх планет менше ніж за рік, 100 астрономічних одиниць — приблизно за три роки, а сонячної гравітаційної лінзи на відстані 500 астрономічних одиниць — приблизно за 15 років. Важливо, що на відміну від інших концепцій, промінь гранул може рухати важкі космічні кораблі. (~1 тонна), що істотно збільшує масштаби можливих місій».

Якщо його реалізувати, космічний корабель SGL дозволить астрономам безпосередньо знімати зображення сусідніх екзопланет (наприклад, Proxima b) з багатопіксельною роздільною здатністю та отримувати спектри з їхніх атмосфер. Ці спостереження запропонують прямі докази атмосфер, біосигнатур і, можливо, навіть техносигнатур.

Таким чином, та сама технологія, яка дозволяє астрономам безпосередньо знімати екзопланети та вивчати їх у великих деталях, також дозволить міжзоряним місіям досліджувати їх безпосередньо.