В космос — на всех парусах: какие разработки откроют дорогу к новым мирам
Первые парусники на орбите Земли
В июне 2021 года NASA объявило о миссии под названием Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). В ходе нее агентство испытает новые композитные сверхлегкие мачты для солнечных парусов. Если эксперимент станет удачным, то на них смогут запускать спутники и зонды для исследования космоса.
Солнечные паруса работают по тому же принципу, что и обычные, но вместо ветра задействуют свет, который представляет собой поток фотонов. Они, как и любые движущиеся частицы, обладают импульсом и передают его часть объекту, с которым сталкиваются. Таким образом, поток фотонов Солнца можно использовать, чтобы привести в движение объект, на котором установлен парус.
Солнечный парус избавляет от необходимости ракетного топлива и позволяет увеличить полезную нагрузку космического аппарата. Однако давление солнечного света уменьшается при отдалении от Земли, поэтому нужно использовать паруса очень большой площади.
Чтобы снизить их вес, NASA планирует развернуть солнечный парус на орбите с помощью композитных стрел, которые изготовлены из полимерных материалов с углеродным волокном и на 75% легче доступных на сегодняшний момент металлических мачт. После раскрытия площадь квадратного паруса составит примерно 81 кв. м. NASA утверждает, что технология композитных стрел позволит развернуть парус площадью до 500 и даже до 2 000 кв. м.
Первым действующим аппаратом с солнечным парусом стал японский IKAROS. Его вывели на орбиту 21 мая 2010 года. Парус толщиной 7,5 микрона — тоньше человеческого волоса — представлял собой квадрат со стороной 14 м. После его развертывания IKAROS отправился к Венере и в декабре того же года получил ее изображения. В 2012 году корабль был занесен в Книгу рекордов Гиннеса как первый в мире межпланетный аппарат на солнечном парусе. Последние сигналы от IKAROS были получены в 2015 году, когда он находился на расстоянии 110 млн км от Земли. Благодаря парусу аппарат ускорялся дополнительно на 100 м/с, или на 360 км/ч.
Еще один аппарат с солнечным парусом, который до сих пор находится на орбите Земли, — LightSail-2. Это проект Планетарного общества США, его запустили на орбиту 25 июня 2019 года. Площадь паруса LightSail-2 составляет 32 кв. м. Команда проекта уже два года изучает, как солнечный парус удерживает спутник на орбите и фиксирует скорость снижения его высоты, а также мощность энергии паруса. LightSail-2 в это время отправляет красочные снимки Земли.
Наноспутники для макропутешествия к Альфа Центавре
Breakthrough Starshot — это исследовательский проект компании Breakthrough Initiatives. В его рамках предложили разработать флот межзвездных зондов Starchip на легких парусах, который сможет совершить путешествие к звездной системе Альфа Центавра на расстояние 4,37 световых лет (40 трлн км) от Земли.
Проект в 2016 году основали венчурный инвестор Юрий Мильнер, физик Стивен Хокинг и глава Facebook (ныне Meta) Марк Цукерберг. Первичные вложения в проект составили $100 млн, окончательную стоимость миссии Мильнер оценивает в $5–10 млрд.
Основной задачей флота станет облет Проксимы Центавра b, экзопланеты размером с Землю в системе Альфа Центавра. При скорости от 15% до 20% скорости света на этот маневр потребуется от 20 до 30 лет и еще примерно четыре года уйдет, чтобы доставить сообщение со звездолета на Землю. Для сравнения — самому быстрому из существующих кораблей пришлось бы лететь до цели порядка 30 тыс. лет. Самым быстрым космическим аппаратом в истории человечества считается ракета Saturn V, которая была способна разгоняться до скорости 64 500 км/ч.
Breakthrough Starshot намерен продемонстрировать работу концепции сверхбыстрого светового нано-космического корабля. Еще одной его целью является исследование Солнечной системы и обнаружение астероидов, траектория которых может пересекаться с земной.
Материнский космический корабль с обычным ракетным двигателем поднимет тысячи крошечных космических аппаратов диаметром всего несколько сантиметров на высотную орбиту Земли. После развертывания флотилии сеть наземных лазеров будет направлена на паруса спутников, чтобы разогнать посланцев нашей планеты по орбите. Каждый зонд будет оснащен миниатюрными камерами с разрешением не менее 2 Мп.
У паруса есть ряд ограничений. Его площадь должна быть не меньше и не больше 10 кв. м, а масса при этом не может превышать один грамм. Сам материал не должен быть прозрачным, чтобы лазерные лучи не проходили сквозь него, а оказывали давление.
Предшественников Starchip, аппараты Sprite, уже испытали на МКС. Они успешно передавали данные с орбиты. Первый аппарат к Проксиме Центавра могут запустить к 2036 году.
Золотой телескоп для глубин Вселенной
NASA в 2021 году подготовило для всего человечества прекрасный рождественский подарок: 25 декабря с космодрома Куру во Французской Гвиане был запущен в космос «Джеймс Уэбб» — самый большой из ныне существующих телескопов. Идея проекта зародилась более 20 лет назад. Целью огромного телескопа станут масштабные исследования космоса. Еще до старта миссии ориентировочную стоимость проекта оценивали в $9,8 млрд.
«Джеймс Уэбб» будет изучать атмосферу уже открытых экзопланет, исследовать галактики и их среды, рассматривать объекты Солнечной системы, поможет ученым в раскрытии природы темной материи и черных дыр. Например, он проанализирует климат Плутона.
Глобальная миссия телескопа заключается в изучении происхождения Вселенной, поиске жизни вне Земли и исследовании новых миров. Он объединит усилия с телескопом Event Horizon, чтобы выявить сверхмассивную черную дыру в сердце Млечного Пути.
Первые научные исследования стартуют в начале 2022 года. Срок работы телескопа составит не менее пяти лет.
Ключевой особенностью телескопа является золотое зеркало размером 6,5 метра. Поскольку размеры не позволили бы разместить его в ракете-носителе, разработчики телескопа решили сделать зеркало из раздвижных элементов, которые развернут уже на орбите. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов составляет 1,32 м. Общий вес телескопа достигает 6,2 т.
Золото выбрали из-за способности эффективно отражать инфракрасное излучение, что необходимо для изучения малых тел, например, экзопланет. Благодаря чувствительности зеркала телескоп можно будет использовать в качестве машины времени, так как он будет присылать изображения очень далеких планет. А чем дальше объекты, тем они старше, потому что свету требуется очень много времени, чтобы добраться до Земли. Таким образом, исследователи увидят галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.
После запуска «Джеймса Уэбба» любой ученый сможет подать заявку на его использование, если его проект пройдет экспертную оценку. Такое право уже получила аспирантка из канадского университета Макгилла Лиза Данг, которая собирается изучить планету K2-141b в 202 световых годах от Земли. Предполагается, что ее поверхность покрыта океаном лавы, а осадки выпадают в виде камней.
Чрезвычайно большой телескоп на Земле
Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) — это строящаяся астрономическая обсерватория ЕС и Бразилии в Чили, которая благодаря улучшенной системе зеркал сможет изучать далекие космические объекты. Строительство купола телескопа стартовало в 2019 году. Его стоимость оценивается в €1,05 млрд.
Особенностью обсерватории станет телескоп с сегментированным зеркалом диаметром почти 40 м. Оно будет включать 798 шестиугольных сегментов диаметром 1,4 м каждый. Такое зеркало позволит собирать в 15 раз больше света, чем любой из существующих на сегодня телескопов. Это позволит получать изображения из космоса с большой степенью детализации. Сегменты зеркала изготавливает немецкая компания Schott, а их сборкой займется французская Reosc.
Всего в системе обсерватории будет пять зеркал. Главное, M1 вогнутой формы, будет собирать свет с ночного неба и отражать его в выпуклое М2. Оно, в свою очередь, будет отражать свет в M3, которое будет передавать его адаптивному плоскому зеркалу M4 над ним. Это четвертое зеркало будет исправлять искажения, прежде чем направить свет на M5, плоское наклонное зеркало, которое будет стабилизировать изображения и передавать их внутрь ELT.
Зеркало обеспечит площадь сбора до 978 кв. м, что в 13 раз больше, чем в современных крупнейших телескопах и в 100 млн раз больше, чем у невооруженного глаза. Точность наблюдений за Вселенной повысится в 16 раз по сравнению с той, которую обеспечивает крупнейший в космосе телескоп «Хаббл».
Благодаря работе обсерватории можно будет изучать атмосферы планет вне Солнечной системы, в том числе экзопланет, и даже искать признаки жизни на них, а также попытаться разгадать тайны темной материи. Ожидается, что первые научные наблюдения с использованием ELT пройдут в сентябре 2027 года.