Космический корабль NASA ACS3 (Advanced Composite Solar Sail System) был запущен 23 апреля для проверки ключевых аспектов работы солнечного паруса и отработки стратегии движения при помощи солнечного ветра. Тем не менее, без проблем не обошлось. При развёртывании паруса площадью 80 м² одна из четырёх мачт оказалась погнута. Инженеры NASA считают, что это не помешает выполнению манёвров и другим испытаниям.

Источник изображений: NASA

Солнечный парус ACS3 поддерживается в раскрытом состоянии при помощи четырёх раздвижных мачт. Развёртывание паруса началось в августе, а недавно выяснилось, что текущая конфигурация конструкции не совсем соответствует запланированной. «Хотя солнечный парус полностью раскрылся до своей квадратной формы размером примерно с половину теннисного корта, команда миссии оценивает то, что, по-видимому, является небольшим изгибом в одной из четырёх штанг», — говорится в сообщении NASA.

Четыре камеры на борту ACS3 направлены на четыре фрагмента солнечного паруса, поддерживаемого композитными мачтами. Парус имеет прямоугольную форму, но выглядит искажённым из-за широкоугольного объектива. Операторы миссии в настоящее время анализируют небольшой изгиб в левом углу нижнего левого изображения.

Специалисты NASA предполагают, что изгиб одной из мачт произошёл во время развёртывания. Затем в результате вращения корабля этот изгиб мог частично выпрямиться. Вращение корабля возникло из-за планового отключения системы управления ориентацией с целью «приспособиться к изменяющейся динамике космического корабля по мере развёртывания паруса». Система до сих пор не была повторно активирована, поэтому ACS3 продолжает медленно вращаться.

Представители NASA не видят в этом большой проблемы: «Команда миссии прогнозирует, что небольшой изгиб одной из четырёх мачт не помешает системе Advanced Composite Solar Sail System выполнять манёвры под парусом позже в ходе демонстрации технологии».

На сегодняшний день солнечный парус был использован считанное количество раз. Первопроходцем в 2010 году стал японский космический корабль Ikaros, который использовал солнечный ветер в межпланетном пространстве по пути к Венере. Малый космический аппарат NASA NanoSail-D развернул свои паруса на околоземной орбите в конце 2010 года. В 2019 году некоммерческая организация Planetary Society запустила космический парусник LightSail-2.

В ноябре 2022 года NASA во время лунной миссии Artemis 1 планировало запустить малый зонд с солнечным парусом NEA (Near-Earth Asteroid) Scout, но связь с ним прервалась и дальнейшая судьба неизвестна.

В конце августа Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) сообщило об окончании процесса развёртывания в космосе солнечного паруса в рамках миссии Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). Теперь же ведомство опубликовало первый снимок паруса, сделанный камерой с борта космического аппарата, который доставил его на орбиту Земли. Ожидается, что в будущем солнечные паруса будут использоваться для перемещения спутников в космическом пространстве.

Источник изображения: NASA

Опубликованный снимок может показаться слегка запутанным. Это связано с тем, что космический аппарат медленно вращается в процессе движение на орбите. После сбора достаточного количества телеметрических данных о работе паруса и удерживающих его композитных направляющих специалисты NASA стабилизируют положение аппарата. Вероятно, после этого удастся сделать более разборчивые снимки.

В конструкции космического корабля размещены четыре широкоугольные камеры, одна из которых и сделала снимок, опубликованный NASA. В нижней части изображения можно увидеть «отражающие квадратные паруса, поддерживаемые композитными балками», а в верхней части запечатлена тыльная сторона одной из солнечных панелей. Элементы паруса выглядят слегка искажёнными из-за широкоугольного поля зрения камеры.

Американский экспериментальный космический аппарат Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) отправился на земную орбиту 24 апреля этого года, и сейчас операторы миссии подтвердили, что ему удалось успешно развернуть солнечный парус в космосе, сообщили в NASA.

Источник изображения: nasa.gov

В минувший четверг, 29 августа, в 13:33 по времени Восточного побережья США (20:33 мск) инженеры получили данные, что испытание системы развёртывания солнечного паруса прошло успешно. Он работает аналогично парусам на земных водных судах, только для его работы необходим солнечный свет. Фотоны относятся к безмассовым частицам, но при столкновении с объектом они могут передавать ему импульс — на этом эффекте основан принцип работы солнечного паруса. Космический аппарат, на котором он развёрнут, оснащён четырьмя камерами, способными вести панорамную съёмку как отражающего паруса, так и композитных мачт, на которых он установлен. Первые снимки высокого разрешения, как ожидается, будут опубликованы 4 сентября.

Испытания ACS3 будут проводиться в течение ближайших недель — инженеры проведут наблюдение за манёвренностью паруса в космосе. Регулируя орбиту, они получат данные, которые смогут использоваться в проектировании и эксплуатации будущих миссий аппаратов с солнечными парусами. Сейчас ACS3 находится на орбите примерно вдвое выше МКС. Если посмотреть на него сверху, он выглядит как квадрат размером почти в половину теннисного корта — около 80 м².

В судоходстве одним из самых сложным и дорогих было производство паруса корабля. Он должен быть одновременно лёгким и прочным, что в полной мере относится к солнечным парусам для межзвёздных путешествий. Исследователи из Нидерландов и США сумели разработать технологию производства лёгкого и максимально доступного солнечного паруса для межзвёздных путешествий — его стоимость обещает быть в 9000 раз меньше аналогов. Путь к Альфе Центавра открыт?

Источник изображения: Delft University

Более-менее основательно за вопрос межзвёздных полётов на солнечных парусах взялась программа The Breakthrough Initiatives, организатором которой стали супруги Мильнеры, а идейным вдохновителем — Стивен Хокинг (Stephen Hawking). Предполагалось, что под давлением излучения лазера однограммовые зонды будут запущены к Альфе Центавра с однограммовыми же парусами площадью 16 м². Это должно стать доказательством концепции межзвёздного путешествия длиной в 20 лет на скорости 20 % от световой. И если с 1-граммовыми зондами особых проблем нет, то паруса с требуемыми характеристиками и приемлемой ценой отсутствуют как класс.

Ряд научных коллективов с тех пор занимаются вопросом создания легчайших солнечных парусов. В NASA даже выделили грант на одну из самых перспективных разработок в данном направлении. Свою лепту в эту программу недавно внесла международная группа учёных из Нидерландов и США. На сайте научных препринтов arXiv.org вышла статья об экспериментальном фотонном кристалле, который может быть положен в основу светового паруса для межзвёздных путешествий.

Из нитрида кремния учёные создали кристаллическую структуру (пластинку) толщиной всего 200 нм со сторонами 60 × 60 мм. Идея заключалась в том, чтобы, во-первых, максимально облегчить материал и, во-вторых, обеспечить ему наиболее благоприятные условия для восприятия светового давления. Для снижения веса в пластинке создали миллионы нанометровых отверстий, которые одновременно решали вторую задачу — преломляли падающий на них свет наиболее оптимальным образом. Фактически учёные создали фотонный кристалл в макромасштабе и обосновали, как создавать такие структуры метрового и большего размера.

По словам исследователей, стоимость производства каждого квадратного метра такого материала для светового паруса будет в 9000 раз ниже альтернативных предложений. Интересно отметить, что рисунок (паттерн) отверстий, превращающих материал в фотонный кристалл, был оптимизирован с применением нейронной сети (машинного обучения).

«Для этой миссии требуются материалы для светового паруса, которые бросают вызов основам нанотехнологий, требуя инноваций в оптике, материаловедении и строительной инженерии, — сказано в работе коллектива. — Это исследование подчеркивает потенциал оптимизации нейронной топологии для создания инновационных и экономически жизнеспособных конструкций световых парусов, имеющих решающее значение для освоения космоса с помощью космических программ нового поколения».

В NASA сообщили, что подготовили к запуску в космос платформу с солнечным парусом нового поколения. Небольшой спутник будет запущен в текущем месяце со стартового комплекса №1 в Махии в Новой Зеландии на ракете Electron компании Rocket Lab. После вывода платформы на солнечно-синхронную орбиту высотой 1000 км платформа развернёт солнечный парус площадью 80 м². Из-за отражённого от паруса солнечного света объект будет таким же ярким, как звезда Сириус.

Художественное представление новой платформы NASA с солнечным парусом. Источник изображений: NASA

Для испытаний новой платформы солнечного паруса компания NanoAvionics изготовила кубсат нестандартного масштаба 12U. Целью испытания станет проверка системы «парусного такелажа» — специально созданных для солнечных парусов композитных мачт, которые в свернутом виде имеют размер примерно с обычную рулетку, но могут разворачиваться в достаточно жёсткие распорки по семь метров длиною каждая.

При выходе на заданную орбиту мачты начнут выдвигаться из своих гнёзд и увлекать за собой закреплённые на них сегменты паруса. Каждая распорка представляет трубчатую конструкцию из композитного материала, что придаст им в итоге жёсткость. Однако при намотке на барабан они уплощаются и, в итоге, становятся компактными, когда втянуты внутрь. В перспективе это поможет, например, создавать парусные конструкции площадью до 2 км². Предложенная конструкция и материал мачт теоретически это допускают.

На разворачивание экспериментального паруса уйдёт 25 минут. Всё это время процесс развёртывания будет сниматься на камеру. Повторим, цель запуска — проверка новой раздвижной системы и сбор данных для создания ещё более масштабных парусов. В качестве дополнительного эксперимента будет проверена возможность манёвров кубсата с помощью ориентации паруса, как это происходит в парусном спорте на Земле. Только в космосе давление на парус будут создавать испущенные солнцем фотоны, но принцип тот же.

Специалист NASA проводит осмотр кубстата с солнечным парусом в сборе

В перспективе, считают в NASA, спутники с парусами смогут использоваться в длительных миссиях по Солнечной системе. Это позволит уйти от тяжёлых двигателей и огромных запасов топлива. Двигаться спутники с солнечным парусом заставит Солнце и оно в человеческих масштабах неисчерпаемое.

Что касается системы развёртывания парусов, то она также может найти применение в создании космических станций (в виде каркаса) и в конструкциях лунных и марсианских баз. Это технология широкого профиля, осталось только испытать её в условиях космоса, чтобы подтвердить стойкость и надёжность выбранных композитных материалов.

Зафрахтованный компанией Cargill балкер Pyxis Ocean компании Mitsubishi Corporation стал первым в мире судном, на которое установили два паруса-крыла WindWings британской компании BAR Technologies. Оснащение грузовых судов парусами снизит потребление топлива на величину до 30 % за рейс и сделает воздух чище. Также снизится стоимость эксплуатации судов, что важно в свете перехода на более дорогие экологические виды топлива.

Оснащённый парусами Балкер Pyxis Ocean компании Mitsubishi Corporation. Источник изображений: BAR Technologies

Каждый установленный на балкер Pyxis Ocean парус-крыло имеет высоту 37,5 м. Паруса составные с поворотными сегментами. Это позволяет оптимально и быстро выбирать угол по отношению к ветру, а также убирать паруса при заходе на погрузку или во время шторма. Кроме того, для оптимизации расхода топлива и максимальной отдачи от силы ветра маршрут судна предполагается гибким, но не обязательно коротким. Это не путь из точки А в точку Б. Ветер может установить своё расписание движения.

Проект парусов разработала британская компания BAR Technologies. Изготовлены они норвежской компанией Yara Marine Technologies. Судно предоставили японцы, а установкой парусов занималась китайская верфь COSCO. Судно недавно спущено на воду в свой первый испытательный рейс. Партнёры будут пристально изучать эксплуатационные возможности балкера, чтобы на основе этого проекта решить судьбу остального балкерного флота, половине из которого в мире порядка 9 лет. Если опыт будет удачным, модернизация сухогрузов начнётся в массовом порядке. В противном случае проект будет дорабатываться.

По предварительным оценкам, использование парусов позволит экономить на средних международных маршрутах до 15 % дизельного топлива и до 30 % на трансокеанских. Каждый день паруса позволят экономить до 1,5 т мазута, каждая тонна которого стоит около $800. Экологическое топливо, очевидно, будет стоить дороже. И если операторов перевозок обяжут перейти на биодизель, то паруса станут реальной возможностью удержать транспортные расходы на приемлемом уровне.

Китайским учёным удалось создать притягивающий луч на базе лазера, способный перемещать объекты на макроуровне, не прикасаясь к ним. На первый взгляд устройство работает нелогично: вместо того, чтобы отталкивать предметы, лазер их притягивает. Сообщается, что при использовании лазера мощностью 90 мВт создаётся притягивающая сила около одного микроньютона.

Источник изображения: Star Trek

Устройство обманчиво просто. Это кусочек стекла с отражающим золотым покрытием, к которому приклеена чешуйка графена. На чешуйку графена одновременно направляются синий, голубой и зелёный лазеры. И объект начинает двигаться к источнику лазерного излучения.

В принципе, установка основана на известных явлениях. Оптические пинцеты и солнечные паруса также используют свет для перемещения предметов. Однако оптический пинцет обычно ограничивается объектами размером с одну молекулу, а в парусе используется давление солнечного ветра. «В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком мала, чтобы тянуть макроскопический объект, — сказал член исследовательской группы Лей Ван (Lei Wang) из Китайского университета науки и технологий Циндао. — С нашим новым подходом сила притяжения света на три порядка больше, чем световое давление на солнечный парус, использующий импульс фотонов для создания небольшой толкающей силы».

Устройство основано на уникальных свойствах графена. Графен — это один слой кристаллической решётки углерода толщиной в 1 атом. Уникальность данного материала в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводник. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97 % прозрачен. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Источник изображения: iLexx/Getty Images

Графен является оптически поглощающим, что означает, что он сохраняет некоторый процент энергии при бомбардировке фотонами и при этом эффективно проводит тепло. Поэтому, когда учёные направили лазер на сэндвич из графена, стекла и золота, графен передал эту энергию прямо на дальнюю сторону объекта. Из термодинамики известно, что горячие предметы излучают больше энергии, чем холодные, при прочих равных условиях. В лабораторных условиях этого дифференциального нагрева было достаточно, чтобы заставить объект двигаться.

Исследователи работали в строго контролируемой среде низкого давления. Это уменьшило оптическое рассеяние, которое могло бы исказить эксперимент. Это значит, что тяговые лучи могут оказаться наиболее полезными в космосе, как и мечтали когда-то мастера фантастики. «Наша методика обеспечивает бесконтактный метод притягивания объектов на большие расстояния, — сказал Ван. — Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации технологии, похожа на Марсианскую. И тут мы видим потенциал для управления транспортными средствами или самолётами на Марсе в отдалённом будущем».