Новий космічний апарат NASA буде літати за допомогою світла

У 1418 року європейські вітрильники покинули своїпорти, щоб досліджувати Атлантичний океан, і почалася епоха Великих географічних відкриттів. У 2018 році невеликою космічний зонд розгорне вітрило і почне подорож до далекого астероїда. Це буде перший космічний апарат NASA, який буде рухатися за межами орбіти Землі виключно за рахунок сонячного світла. Така технологія може відкрити дорогу недорогому дослідження Сонячної системи і в кінцевому рахунку міжзоряного простору.

Зонд Near-Earth Asteroid Scout вартістю 16мільйонів доларів входить в число 13 цінних вантажів, оголошених NASA днями. Всі вони відправляться разом з урочистим запуском Space Launch System - великої ракети, розробленої на заміну космічним шаттлам, яка одного разу пощастить космічний апарат «Оріон» на Марс.

Буде потрібно 2,5 року, щоб NEA Scout досягпункту призначення, невеликого астероїда +1991 VG. Але це буде не розслаблений круїз. Безперервна тяга буде забезпечуватися сонячним світлом, що б'є в сонячне вітрило, і вона розжене зонд до швидкості 103 000 км / год відносно Сонця.

Після закінчення певного часу космічний апарат, оснащений сонячним вітрилом, може розігнатися більше, ніж космічний апарат подібних розмірів за допомогою звичайної хімічної ракети.

«Парус виграє гонку з точки зору кінцевоїшвидкості, як черепаха обходить зайця, - каже Ліс Джонсон, технічний радник з передовим концепціям NASA в Центрі космічних польотів ім. Маршалла. Хімічна ракета забезпечує величезну початкову тягу, але в кінцевому рахунку спалює своє паливо. - Так як вітрило не використовує ніякого палива, ми можемо підтримувати тягу, поки світить сонце ».

зміст

• 1 Легкий матеріал
• 2 Рух світла
• 3 Позитивна енергія
• 4 Наступна зупинка: Альфа Центавра

легкий матеріал

Сонячні вітрила роблять з надтонкого матеріалуз високою здатністю, що відображає. Коли фотон сонця потрапляє на дзеркальну поверхню, він відскакує від вітрила і передає свій імпульс космічному апарату - точно так же більярдна куля передає свій імпульс, коли стикається з іншою кулею на столі.

Ідея сонячного вітрила існує з 1924 року,коли легенда радянського ракетобудування Костянтин Ціолковський і Фридрик Цандер задумали космічний апарат, «використовує величезні дзеркала з дуже тонких листів» і «тиск сонячного світла для досягнення космічних швидкостей». Через сорок років письменник фантаст Артур Кларк популяризував цю ідею в своєму романі «Сонячний вітер».

NASA розпочало інвестувати в технології сонячноговітрила в кінці 90-х. У 2010 році агентство успішно запустило невеликий вітрильний супутник на орбіту Землі, де той залишався 240 днів, поки не увійшов в атмосферу і не згорів.

У тому ж році Японське космічне агентствопродемонструвало можливість застосування сонячних вітрил для міжпланетних подорожей. Випробувальний апарат причепили до борту венеріанського зонда «Акацукі». Апарат з сонячним вітрилом під назвою IKAROS був розкритий в космосі зондом, коли той перебував в 7 мільйонах кілометрів від Землі. Через шість місяців IKAROS успішно пролетів повз Венеру.

Сонячні вітрила стали можливі завдяки революції в сфері електроніки.

Вся справа в тому, що проект сонячного вітрилає свого роду заручником другого закону руху Ньютона: сила дорівнює масі, помноженої на прискорення. Сила сонячного світла постійна, тому для досягнення високого прискорення вам буде потрібно низька маса.

«Ще 25-30 років тому електроніка не буланастільки легкою, - каже Джонсон. - Неможливо було уявити будівництво досить малого космічного апарату, якому не знадобиться величезний парус. З появою смартфонів і мініатюризацією компонентів, тепер ми можемо зробити дійсно легкий і невеликий космічний апарат, а значить йому потрібно парус розумних розмірів ».

Джонсон наводить як приклад CubeSat - мініатюрнісупутники-кубики, побудовані з «готових до вживання» технологій. NEA Scout буде CubeSat розміром з взуттєву коробку, яку буде штовхати сонячне вітрило площею 86 кв. м.

Незважаючи на свої скромні розміри, зонд упакованийдостатньою кількістю інструментів для проведення широкого дослідження астероїда тисячі дев'ятсот дев'яносто один VG, фотографуючи і вимірюючи хімічний склад, розмір і рух об'єкта.

NASA бачить в такій розвідці важливий перший крок домайбутнім пілотованим місіям до астероїдів. Якщо астронавт збереться досліджувати поверхню космічного каменю, NASA хоче бути в упевненості, що той обертається повільним і передбачуваним чином, а не крутиться дзигою в різних напрямках. Аналогічним чином, космічне агентство хоче знати заздалегідь, твердий чи астероїд або ж представлений купою каменів, утримуваних силою тяжіння.

рух світла

Під час своєї місії NEA Scout здійснить якмінімум один повільний підліт на близьку відстань - його швидкість впаде до 10 метрів в секунду, а апарат пройде за півкілометра від поверхні астероїда. Це вказує на іншу перевагу сонячних вітрил: вони дуже маневрені, іноді навіть перевершують традиційні методи руху.

Ключ до управління вітрилом - будь то Атлантичнийокеан або космос - лежить в створенні асиметричної тяги. Є багато різних способів її створити, використовуючи небесні еквіваленти щогл і такелажу. IKAROS володіє електрооптичнихвластивостям покриттям, яке темніє при подачі напруги, поглинаючи світло, а не відбиваючи його. Можна таким чином «налаштувати» частина вітрила так, щоб вона отримувала в два рази менше сонця, ніж інша, і розгорнути апарат.

NEA Scout буде використовувати інший підхід, використовуючи змінний механізм, який рухає CubeSat вперед і назад щодо рам, на яких розгорнуто вітрило.

«Якщо уявити баночку від коли, яка буденашим апаратом, і помістити зверху аркуш паперу плазом, це буде вітрило, - каже Джонсон. - Потім уявіть, що ви просто фізично рухаєте листом вліво і вправо. Ось так все і буде ». Нахил вітрила також дозволяє налаштувати швидкість.

Гнучкість космічного апарату з сонячним вітрилом - в поєднанні з постійною тягою, завдяки невичерпному запасу палива - відкриває шлях кільком цікавим можливостям.

Припустимо, ви хочете відправити зонд вище площиніекліптики Сонячної системи, щоб вивчити північний полюс Сонця. Щоб різко змінити напрямок і швидкість - не використовуючи дорогоцінне пальне - інженери зазвичай покладаються на гравітаційний маневр. «Зараз ми повинні посилати космічний апарат до Юпітера для гравітаційного маневру, щоб вивести його з площини екліптики і отримати більший кут орбіти навколо Сонця, - каже Джонсон. - З вітрилом буде досить просто направити його вгору ».

Інша потенційне застосування, вже ближче додому, це «сидить на полюсі» супутник. Зараз, якщо ви хочете зафіксувати супутник в певному положенні щодо місця на Землі - а це було б дуже до речі для технологій зв'язку - ви можете тільки відправити його на геостаціонарну орбіту, строго над екватором, на висоту 35 786 кілометрів над Землею.

Але з вітрилом «ви можете перебувати над Північнимабо Південним полюсом Землі і обертатися навколо Сонця з такою ж швидкість, з якою Земля обертається навколо Сонця, - каже Джонсон. - Щоб побороти гравітацію Землі, досить направити вітрило так, щоб він штовхав вас вгору весь час. Таким чином, ви зависне нерухомо над Північним або Південним полюсом ».

позитивна енергія

Фотони - які ми бачимо як сонячний світло - неєдине паливо для космічного апарату, що виробляється Сонцем. Вчені NASA нещодавно отримали додаткові кошти на дослідження передової концепції надшвидкого вітрила, підганяється зарядженими частинками в сонячному вітрі.

Називається він електричний вітрило, e-sail. Цю ідею вперше запропонував Пекка Янхунен, науковий співробітник Фінської метеорологічного інституту. Він представив апарат, оточений 20 найтоншими проводами довжиною в 20 кілометрів кожен.

Ці дроти генерують позитивно зарядженеелектричне поле, яке розтяглося на десятки метрів в космос. Протони сонячного вітру, які подорожують зі швидкістю вище 750 кілометрів на секунду, відштовхуються цим електричним полем, у відповідь виштовхуючи космічний апарат. Негативно заряджені частинки сонячного вітру гасяться свого роду «електронною гарматою», так що електричний вітрило підтримує позитивно заряджене електричне поле.

Електропарус матиме багато палива. Якщо сонячне світло, що штовхає сонячне вітрило, значно слабшає, коли космічний апарат досягає поясу астероїдів, сонячний вітер і раніше дме сильно. Згодом електропарус можна розігнати до 100-150 км / с.

Це означає, що космічні зонди можуть досягтиЮпітера всього за два роки або Плутона за п'ять. Електропарус може забезпечити абсолютно нові можливості для освоєння космосу, дозволити нам здійснити експрес-подорож за межі Сонячної системи, в міжзоряний простір.

«Вояджер-1» було потрібно 35 років, щоб досягти межі Сонячної системи. Сонячне вітрило здійснив би таке турне за 20 років, а електропарус - за 10.

«Мушу визнати, два з половиною роки тому,коли мій бос прийшов до мене і сказав: «ми хочемо, щоб ти глянув на це», я відверто поржал, - говорить Брюс Вігманн, системний інженер NASA. - Потім ми подивилися і сказали, мовляв, дуже цікаво. Пройшли шлях від невіруючих до віруючих ».

Насправді, Вігманн вважає, що прототипможна запустити за все за п'ять років. Але доведеться вирішити пару важливих питань. Хоча електропарусу не потрібне паливо, йому потрібен потужний джерело енергії для електронної гармати, яка відбиває електрони. Як багато енергії? Залежить від кількості електронів, яке збирає електропарус. Фахівці NASA вивчають це питання за допомогою зарядженого проводу в плазмової камері, що імітує сонячний вітер.

Ще одна проблема полягає в запобіганнівигинів тонких довгих проводів в міру впливу на них сонячного вітру. Рішення: обертати апарат зі швидкістю, яка буде забезпечувати досить відцентрової сили, щоб дроти залишалися натягнутими.

Наступна зупинка: Альфа Центавра

За межами NASA у Ліси Джонсона є й інша робота: він пише фантастику. Насправді, він вдячний роману «Сучок в оці Бога» 1974 роки за пробудження інтересу до сонячних вітрил.

Не дивно, що він марить про далеке майбутнє. Він хоче, щоб сонячне вітрило відправився в іншу сонячну систему.

«Ми могли б побудувати великий лазер, - говоритьвін. - У міру того як вітрило віддаляється від Сонця і сонячного світла стає все менше, можна підсвічувати його світлом лазера, продовжуючи рух. Лазер буде залишатися на орбіті Сонця, продовжуючи розганяти парус все швидше і швидше, поки той не покине Сонячну систему ».

Зрозуміло, залишаються технічні труднощі,які доведеться вирішити. По-перше, вітрило повинен бути розміром з Техас. І орбітальний лазер повинен буде виробляти енергію, обсяг якої можна порівняти з тією, що виробляє весь світ сьогодні. Звучить, звичайно, так собі, але за сто років багато що можна зробити.

Перше космічне судно, створене людьми івідправлене в іншу систему, може прибути туди як його океанічні предки під час епохи Великих географічних відкриттів: під розгорнутими вітрилами, що йде по зірках.