Аерографітовий сонячний парус визнали придатним для міжзоряних польотів

Фізики теоретично проаналізували характеристики і можливості космічних апаратів, рух яких забезпечує аерографітовий сонячний парус. Виявилося, що такі апарати здатні здійснювати як польоти всередині Сонячної системи, так і міжзоряні подорожі без додаткової тяги, а також при метрових розмірах і власній масі біля грама переносити в десятки разів більш масивне навантаження. Тим не менш, створювати настільки великі аерографітові структури на практиці поки не вдавалося. Стаття опублікована в журналі.

Сонячним вітрилом називають пристосування, яке приводить в рух космічний апарат за рахунок тиску електромагнітного випромінювання (як правило, Сонця або лазером). При падінні випромінювання на поверхню вітрила окремі фотони передають їй свій імпульс і, таким чином, підштовхують парус у напрямку від джерела світла. За умови, що площа вітрила досить велика (щоб захопити більше фотонів), а маса - досить мала (щоб отримувати більшу надбавку до швидкості при даному прирощенні імпульсу), пристрій може забезпечити переміщення космічного апарату за відсутності додаткової тяги (детальніше про пристрій та історію створення таких пристосувань можна дізнатися в матеріалі «На всіх вітрилах»).

Одне з основних обмежень для сонячного вітрила - слабкий тиск сонячного світла на далеких дистанціях від зірки. Ця величина зменшується назад пропорційно квадрату відстані: якщо поблизу орбіти Меркурія тиск становить близько 60 мікропаскалів (тобто на кожен квадратний метр вітрила буде діяти сила в 60 мільйонних ньютона), то в області Землі він зменшується вже до дев'яти мікропаскалів, а біля меж Сонячної системи - стає ще в десятки мільярдів разів менше. В результаті далекі (в сенсі відстані до Сонця) польоти за допомогою сонячного вітрила стають скрутними: необхідно або встигати розганяти апарат на початковому етапі польоту, поки він знаходиться порівняно недалеко від світила, або використовувати лазерні установки, які б замінювали йому сонячне випромінювання, або вдаватися до додаткових джерел тяги - все це так чи інакше представляє технічні складності.

Фізики з Німеччини, Іспанії, США і Франції під керівництвом Рене Хеллера (René Heller) з Інституту дослідження Сонячної системи Товариства Макса Планка розглянули свій вид компактного космічного апарату на базі сонячного вітрила і теоретично оцінили його можливості в рамках передбачуваних місій.

Як матеріал для пристосування вчені запропонували використовувати аерографіт - синтетичну речовину з трубчастих волокон вуглецю, яка володіє рекордно низькою щільністю: 0,18 кілограма на кубічний метр - у 5,5 тисяч разів легше води. Щоб одночасно домогтися достатньої для ефективного польоту площі опромінюваної Сонцем поверхні і малої маси апарату, автори вибрали для вітрила полю сферичну форму. За словами дослідників, завдяки здатності аерографіту відновлювати форму після стиснення, на практиці вітрил, ймовірно, буде зручно доставляти в космос в складеному вигляді і розкривати.

Для оцінки здібностей апарату подорожувати всередині Сонячної системи і виходити за її межі вчені чисельно моделювали його рух під дією випромінювання Сонця і гравітаційного тяжіння - в першу чергу, до самої зірки, а в сценаріях, коли стартова точка траєкторії розташовувалася поблизу нашої планети, - ще й до Землі.

Крім того, фізики досліджували поведінку вітрила за участю додаткового навантаження, наприклад, компактного лазера для зв'язку із Землею. Автори сфокусували увагу на діапазоні мас корисного навантаження в одиниці-десятки грамів: так повна маса апарату не перевищувала верхній поріг, починаючи з якого гравітація пересилює світловий тиск, а маса навантаження - не виходила за нижні межі, типові для сучасних приладів електроніки.

В результаті дослідники встановили, що при товщині сферичної оболонки менше 1 міліметра парус принципово здатний здійснювати польоти всередині Сонячної системи і виходити в міжзоряний простір тільки за рахунок сонячного випромінювання (при запуску в міжпланетному середовищі). При товщині в 0,5 міліметра подорож від орбіти Землі до орбіти Марса займе близько 60 днів, до орбіти Плутона - приблизно 4,3 року, а при товщині близько мікрометра і запуску на відстані 0,04 астрономічних одиниць від Сонця (планується, що саме на таку відстань до зірки наблизиться сонячний зонд «Паркер») парус буде здатний за 185 років досягти Проксіми Центавра - найближчого до Сонця світила.

Апарати товщиною в сто мікрометрів і радіусом в 1-5 метрів дозволять також транспортувати до міжзоряного середовища навантаження до 5,7-55 грамів при власній масі 0,23-2,2 грама - тобто маса вантажу може в десятки разів перевищувати масу вітрила, тоді як для міжзоряних апаратів на хімічному паливі типове корисне навантаження становить тисячні частки повної маси. З урахуванням таких характеристик аерографітові сонячні вітрила можна вважати перспективним пристосуванням для майбутніх польотів всередині нашої зоряної системи, і, особливо, для вивчення її меж і найближчих околиць - наприклад, пошуків дев'ятої планети.

Разом з тим фізики відзначають, що на практиці досить великі аерографітові структури ще не вироблялися - автори сучасних досліджень обмежувалися переважно розміром в кілька сантиметрів. Тим не менш, принципово створення метрових аерографітових вітрил представляється можливим. Крім того, вчені пропонують для реального польоту замінювати великі багатометрові вітрила набором з декількох однометрових. Незважаючи на те, що це знизить загальний тиск сонячного випромінювання (за рахунок зменшення ефективної площі), таким чином можна спростити створення, доставку в космос і розгортання вітрила, а також підвищити надійність пристосування: якщо одна сфера з набору буде пошкоджена, інші продовжать приводити апарат у рух.

Відкритим також залишається питання про маневрування і коригування траєкторії апарату з сонячним вітрилом - сам по собі політ сфер є некерованим, і для зміни маршруту необхідно буде використовувати додаткові пристосування.

Останнім часом сонячні вітрила показують свою ефективність не тільки в теорії, але і на практиці. У травні ми розповідали про те, як графеновий сонячний парус злетів за допомогою лазера, а в минулому році - про те, як таке пристосування допомогло апарату LightSail-2 збільшити висоту своєї орбіти.