Содержание номера


ПИЛОТИРУЕМЫЕ ПОЛЕТЫ

Полет экипажа МКС-47. Май 2016 года

ЗАПУСКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Третье пришествие. JCSat-14 на орбите

«Яогань-30» – третий в серии

Еще два Galileo на «Союзе»

Thaicom 8 и еще одна посадка

О причинах переноса пуска с Восточного 27 апреля 2016 года

«Фрегат» спас реноме «Союза»

«Цзыюань-3» и аргентинский дебют

«Днепр» под Севастополем возродится

ПРЕДПРИЯТИЯ. ОРГАНИЗАЦИИ

Российские двигатели по обе стороны океана

Общественный совет начал работу

Памяти Анатолия Викторовича Благова

ПИЛОТИРУЕМАЯ ТЕХНИКА

Китайский «Мир», китайский «Аполлон»

СОВЕЩАНИЯ. КОНФЕРЕНЦИИ. ВЫСТАВКИ

«Русский космос» в медиасфере

Космический фестиваль на Дальнем Востоке

СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ

Индия испытала крылатый демонстратор

ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

Еще один спутник дистанционного зондирования для Египта

Новый директор Израильского космического агентства

МЕЖПЛАНЕТНЫЕ СТАНЦИИ

Второй этап ExoMars отложен на 2020 год

До Альфы Центавра при нашей жизни?

КОСМОНАВТЫ. АСТРОНАВТЫ. ЭКИПАЖИ

О космонавтах и астронавтах

Комплексные тренировки завершены

ЮБИЛЕИ

Несколько эпизодов из жизни Георгия Гречко. К 85-летию космонавта

Реклама

Новости космонавтики на Google Play Новости космонавтики на AppStore

До Альфы Центавра при нашей жизни?

Автор: Лисов И.


12 апреля в Нью-Йорке американский интернет-инвестор и филантроп российского происхождения Юрий Мильнер* в присутствии всемирно известного астрофизика Стивена Хокинга объявил о выделении 100 млн $ на техническую проработку проекта отправки многотысячной армады микроминиатюрных космических роботов к ближайшей звездной системе α Центавра. Каждый из них предполагается разогнать до скорости в 20 % скорости света с использованием космического паруса под действием сверхмощной лазерной установки наземного базирования. Преодолев расстояние от Солнца до α Центавра за время порядка 20 лет, нанозонды должны передать снимки потенциальных планет у ближайшей звезды. Но главное, разумеется, не в этом, а в обосновании технической возможности достижения скорости, сопоставимой со световой, при приемлемых финансовых и энергетических затратах. 

Мильнер считает, что 100 млн $ будут достаточны для обоснования концепции, в основу которой положена теоретическая работа Филипа Лубина (Philip Lubin) из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре. Если исследования дадут положительный результат, следующим шагом может стать обсуждение прототипа пусковой установки в масштабе 1:100 от рабочей системы.

Юрий Мильнер, Стивен Хокинг и основатель социальной сети Facebook Марк Цукерберг составляют «совет директоров» проекта. В консультативный совет включены некоторые известные физики (Фриман Дайсон, Ави Лёб, Саул Перлмуттер, Мартин Рис, Роальд Сагдеев), специалисты в области энергетических и космических систем (Джим Бенфорд, Пит Клупар, Джефф Лэндис, Филип Лубин) и космические активисты (Энн Друян, Мэй Джемисон, Лу Фридман и др.).

Исполнительным директором проекта назначен Саймон «Пит» Уорден (Simon P. Worden), бригадный генерал ВВС США в отставке, бывший директор Космического центра имени Эймса NASA, имеющий репутацию новатора в области космонавтики и активно продвигавший разного рода «прорывные» проекты во время нахождения на госслужбе. 

Никогда еще в истории не предлагалось столь существенное финансирование на решение столь фантастической задачи. Многие космические и околополитические активисты немедленно спели осанну проекту Breakthrough Starshot, многие специалисты «покрутили пальцем у виска» или даже публично «выставили двойку по физике» выпускнику МГУ и бывшему аспиранту ФИАНа, как это сделал Борис Штерн в «Троицком варианте». 

Посмотрим же, что именно предлагает Юрий Мильнер, как обосновывает реальность данного проекта в обозримом будущем, какие «подводные камни» видят и признают его инициаторы и независимые критики.

Цель: Система α Центавра – ближайшая к нам известная звезда. Точнее, тройная система – два близких ярких компонента A и B и слабенькая звездочка C с условным именем Проксима – сейчас именно она ближе к Солнцу, чем остальные компоненты. Расстояние от Солнца составляет 4.37 св. года, в земных единицах – примерно 41 трлн км, или в 1000 раз дальше Плутона. Достоверных сведений о наличии в системе планет нет. 

Космический аппарат: Микроминиатюрный интегрированный зонд, все служебные системы которого и полезная нагрузка имеют массу в один грамм, причем сюда входит и космический парус площадью 4 x 4 м2. Сам зонд строится как «летающий чип» со встроенными системами управления и навигации, фотонными двигателями, навигационно-связным оборудованием и камерой. В основу энергетики аппарата кладется радиоизотопный источник на 238Pu или 241Am либо пленочные фотоэлементы. Парус выполняется на основе перспективных метаматериалов и имеет толщину всего в несколько сотен атомов.

Система разгона: Корабль-матка доставляет сотни и тысячи готовых к старту нанозондов на околоземную орбиту. Отделившись и раскрыв парус, аппарат разгоняется до скорости в 20 % от световой с помощью модульной наземной установки типа «фазированная решетка лазеров» мощностью порядка 100 ГВт, занимающей площадь порядка 1 км2. 

Реализуемость и стоимость: Авторы ссылаются на быстрый прогресс в области материалов и на аналоги закона Мура – многолетние тенденции, в соответствии с которыми идет быстрое снижение как масс компонентов КА микроминиатюрного класса, так и стоимости лазерных систем большой мощности. Они утверждают, в частности, что если сегодня капитальная стоимость предлагаемой системы составляет порядка 1 трлн $, то уже через 10 – 15 лет она снизится на два порядка, то есть до стоимости крупнейших научных установок современности, таких как Большой адронный коллайдер, ИТЭР или космический телескоп JWST. При этом стои­мость нанозонда составляет лишь тысячи долларов, а стоимость одного запуска оценивается в несколько сот тысяч долларов, а потому очевидная ненадежность нанозондов может компенсироваться их массовой отправкой с частотой раз в сутки.

Схема полета: К сожалению, авторы не представили того, что в NASA называется Design Reference Mission, то есть самосогласованного концептуального проекта. Вместо этого они указали около 20 основных проблем и возможные пути их преодоления, причем в ответах на различные вопросы один из основных параметров – продолжительность и длина участка разгона – «гуляет» почти на порядок. 

Исходя из физической логики, в качестве ограничения выступает именно длина участка разгона, в конце которой расфокусировка лазерного пучка становится больше линейного размера паруса. Поэтому далее мы будем считать базовым вариант, в котором нанозонд массой 1 г движется с ускорением 600 000 м/с2, продолжительность разгона составляет 100 секунд, а проходимая за это время дистанция – 3 млн км. Мы также примем без возражений техническую возможность создания через 10 – 15 лет 100-гигаваттной лазерной установки и системы накопления энергии для выдачи ею кратковременного импульса, а также полнофункционального нанозонда массой 1 г.

А теперь – вопросы и ответы
Может ли лазерная установка мощностью 100 ГВт придать нанозонду необходимое ускорение? Да, при полном отражении фотонов от паруса к нему прикладывается сила 667 Н, которая обеспечивает с некоторым запасом расчетное ускорение*. Механическая прочность паруса при давлении порядка 40 Па сомнений вроде бы не вызывает – при том условии, что его вообще удалось сделать и развернуть.

Можно ли всю энергию установки расходовать на разгон зонда? Теоретически излучатель диаметром 1 км при длине волны 1 мкм имеет расходимость порядка 10-9, что соответствует угловому размеру зонда на расстоянии 3 млн км. Однако рассеяние на неоднородностях атмосферы ухудшает этот показатель до 10-5, что полностью обессмысливает все мероприятие. Абсолютно неочевидно, что предлагаемые авторами меры – сооружение излучателя на высоте нескольких километров в районе с идеальным астроклиматом (типа гор Чили**) и применение адаптивной оптики – позволят скомпенсировать атмосферные эффекты.

Не испарятся ли парус и сам зонд при облученности 6250 МВт/м2, то есть примерно в 1 млн утюгов на каждый квадратный сантиметр паруса? Авторы утверждают, что эта проблема обходится применением материалов, обеспечивающих отражение 99.999 % падающего света – мощь 10 утюгов метаматериал будущего должен выдержать. Однако абсолютно не очевидно, можно ли при таких плотностях потока энергии абстрагироваться от перспективы разрушения любого физического материала, тем более имеющего всего несколько сотен атомов в толщину. 

Дополнительные вопросы связаны с концентрацией энергии на элементах жесткости паруса, а также с большим диапазоном расстояний в процессе разгона (от примерно 0.06 до 3 млн км) и соответственно – с концентрацией всей подаваемой мощности на маленьком участке паруса на его начальном участке. Последнее замечание, впрочем, можно снять, проводя разгон на дальностях от 1.5 до 4.5 млн км от Земли.

Возможно ли надежно и точно сопровождать лучом разгоняющийся до 0.2 c объект на дальностях до нескольких миллионов километров? Создание системы наведения луча со стабильностью на уровне 10-9 и с ведением по определенному закону вызывает немало вопросов, тем более что к концу разгона время обмена информацией достигнет 20 секунд и использование обратной связи по положению станет невозможным. 

Допустим, мы преодолели все эти трудности, и по крайней мере часть из сотен и тысяч нанозондов отправилась в путь в работоспособном состоянии. Может ли подобный аппарат лететь 20 лет в автономном режиме? «Железо», условно говоря, вполне способно работать 20 лет, тем более при отсутствии движущихся частей. Разумеется, бортовой процессор должен быть способен к автономному восстановлению работы КА после сбоев, в которых не будет недостатка. Имеющиеся данные о плотности межзвездной среды позволяют считать, что аппарат встретит на пути примерно 1018 протонов с энергией 30 МэВ, то есть примерно 2 млрд штук ежесекундно. Добавив к этому космическую пыль (порядка 1000 пылинок массой 0.1 мг с энергией 180 МДж каждая), мы должны заключить, что вероятность не получить на 20-летнем пути катастрофическое повреждение крайне мала. Если она окажется порядка 0.1 – 0.01 %, то эти риски можно попытаться перекрыть количеством нанозондов.
Авторы полагают возможным получать информацию с зондов в процессе перелета, выдавать на них команды и даже перепрограммировать в полете с использованием стартовой лазерной установки в режиме передатчика. Здесь очевидны сложности с наведением луча передатчика на объект на расстоянии, заведомо не позволяющем корректировать ориентацию по факту и по уровню приема. Прицеливания непосредственно в α Центавра может оказаться недостаточно, поскольку полет совершается в среде с неизвестными физическими характеристиками и при отсутствии модели движения, учитывающей притяжение нескольких десятков или даже сотен близких звезд. В последние же четыре года полета в районе цели какие-либо команды будут бесполезными, так как элементарно опоздают. 

Представляется логичным требовать от нанозонда возможности выполнить полет и исследование цели полностью в автономном режиме. К примеру, с использованием бортовой камеры (авторы говорят о камере с френелевской линзой и планарным фурье-приемом, что не требует фокусирующей оптики) осуществляется обнаружение планет, вычисление параметров их орбит и выбор места встречи (и угловой скорости сопровождения планеты) с таким расчетом, чтобы планета разрешалась на снимке хотя бы на сотню элементов и можно было попытаться увидеть самые крупные детали поверхности.

Для ориентации и маневрирования авторы предлагают фотонные двигатели на базе диодных лазеров. Однако встает вопрос: допустим, аппарат, нацеленный точно на α Центавра, на дальности 1000 а. е. от цели определил структуру системы и выбрал место встречи на расстоянии 1 а. е. от звезды. При скорости 60 000 км/с он должен будет выдать боковой импульс в 60 км/с, причем за время менее месяца. Возможно ли это с имеющимися на КА двигателями? Или авторы вообще не намерены маневрировать и готовы снимать планеты с «никаким» качеством с расстояния порядка 1 а. е.? Или же – прошить систему α Центавра тысячами зондов «квадратно-гнездовым методом» в расчете на то, что хотя бы несколько пройдут на приемлемом расстоянии от планет?

Еще более спорной является возможность передачи собранных в системе α Центавра данных на Землю. Авторы полагают возможным использовать наземную лазерную установку в качестве приемника, а на борту задействовать космический парус в качестве антенны для импульсного оптического передатчика мощностью 1 Вт. При этом потребуется перестройка формы поверхности антенны (после разгона, описанного выше!) в виде френелевской линзы, причем как будет определяться достижение необходимой формы – непонятно. Далее, потребуется наведение антенны на Землю (не на Солнце!) с точностью порядка 10-7 – это угол расходимости пучка при антенне метровых размеров. 

Физически ширина пучка у Земли составит порядка 10 млн км, то есть на приемную установку при точном прицеливании попадет лишь 10-14 отправленных фотонов. Поскольку отправляться будет 5 х 1018 фотонов в секунду, а регистрировать собираются каждый из них, то на бумаге темп передачи получается очень неплохой. Однако возможность регистрации каждого или почти каждого фотона пока продемонстрирована лишь с лунной орбиты. И уж совсем непонятно, возможно ли вести прием оптического сигнала от одноваттного источника на расстоянии менее 1’’ от звезды, излучающей 1026 Вт, да еще в условиях атмосферных помех…

Итог нашим рассуждениям выглядит так. Проработка идеи Лубина – безусловно, дело благое и перспективное, поскольку позволит дать обоснованный ответ на вопрос о ее реализуемости в перспективе ближайших десятилетий. Мильнер, Хокинг и Цукерберг смогли привлечь внимание людей и инициировать обсуждение очень интересного проекта. Однако святая уверенность авторов проекта в том, что все проблемы, в том числе и чисто физического характера, преодолимы, пугает, а эффект обманутых надежд может перечеркнуть все дальнейшие поиски в этом направлении. Как справедливо замечает Б. Штерн, «подобные провокации лишают людей ориентиров, где правда, где чушь, и в конечном счете низвергают науку на один уровень с дешевой пропагандой».
Журнал Новости Форум Фото Подписка Рекламодателям Контакты