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.

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».

Человечество далеко от межзвёздных полётов, но это не помешало запустить несколько космических аппаратов, первые из которых уже вышли в межзвёздное пространство и когда-нибудь достигнут близких или далёких звёзд. Одним из рабочих вариантов для межзвёздного перелёта сегодня может быть солнечный парус и, как выяснилось, у этой технологии есть очень и очень хороший запас, который может многократно ускорить межзвёздные полёты даже сегодня.

Источник изображения: JJ Harrison/Wikimedia Commons

Группа физиков из Университета Макгилла (McGill University) обосновала модель быстрого набора скорости межзвёздным зондом при минимальном расходе топлива. Расчёты показали, что космический корабль с солнечным парусом может набрать скорость в 0,5 % от скорости света примерно за один месяц. Разгон до 2 % от скорости света может совершиться примерно за полтора года. На такой скорости полёт до ближайших звёзд продлится от 100 до 200 лет. Зонду семейства «Вояджер», например, для этого понадобятся десятки тысяч лет.

Чтобы относительно быстро разогнать корабль до скоростей многократно превышающих возможности современных двигательных установок учёные обратили внимание на так называемый эффект динамического парения в атмосфере Земли. Птицы и планеристы обычно используют этот эффект для быстрого набора скорости.

Манёвр возможен только при существовании двух воздушных масс с разной скоростью. Аппарат или птица входят в поток с большей скоростью против его движения и совершают обратную петлю с возвращением в более медленный поток. С каждым витком скорость будет увеличиваться, пока не наступит предел в виде сопротивления встречного потока.

Подобная разница в скорости движения потоков частиц солнечного ветра наблюдается на границе гелиосферы нашей системы, где частицы солнечного ветра сталкиваются с частицами межзвёздной среды. Как считают учёные, космический аппарат с солнечным парусом может многократно совершить переход между потоками частиц, движущихся с разной скоростью и самому набрать нужную скорость.

Схема набора скорости при пересечении границы двух сред с разной скоростью движения частиц. Источник: Frontiers in Space Technologies

Очевидно, что с обычным солнечным парусом такой манёвр совершить будет очень сложно если вообще возможно. Солнечный парус для межзвёздного полёта — это сотни квадратных метров тончайшего полотна на несколько килограммов полезного груза. Для роли паруса учёные выбрали «магнитогидродинамическое крыло», создаваемое системой магнитов. Иными словами, частицы солнечного ветра будут улавливаться магнитными полями, что интересно само по себе.

Учёные уверены, что их идеи можно реализовать на практике в обозримом будущем. Теория подтверждает их работоспособность. Осталось воплотить в железе.

Некоммерческая организация «Планетарное общество» сообщила, что примерно 17 ноября космический аппарат LightSail 2 завершил свою миссию возвращением в атмосферу, где успешно сгорел. Аппарат был запущен в космос в июне 2019 года с целью испытать концепцию солнечного паруса, который заменил бы спутнику тяговый двигатель. Результаты эксперимента превзошли ожидания: вместо одного года аппарат продержался на орбите более трёх лет.

Последний снимок LightSail 2 перед входом в атмосферу

Фотоны не имеют массы, но обладают импульсом, который передаётся всем телам, попавшимся им на пути. В космосе, где нет сопротивления атмосферы или оно довольно слабое, как на орбитах Земли свыше 400 км, поток света от Солнца (поток фотонов) способен создавать ощутимое давление на сверхлёгкие паруса относительно большой площади. Солнечный парус в значительной степени может заменить двигатель и избавить спутник от необходимости нести запас топлива для коррекции орбиты, а это резерв полезного веса для научной аппаратуры.

Проект LightSail 2 стал третьей попыткой Планетарного общества вывести на орбиту спутник с солнечным парусом. Первая попытка в виде запуска аппарата Cosmos 1 провалилась в 2005 году, когда аппарат не смог выйти на орбиту. Вторая закончилась успешным развёртыванием солнечного паруса в 2015 году. Наконец, в 2019 году ракета SpaceX Falcon Heavy вывела кубсат «размером с коробку из-под обуви» на орбиту высотой 720 км, где парус площадью 32 м² был успешно развёрнут и помог удерживать аппарат на орбите около 3,5 лет. Все запуски, добавим, финансировались за счёт пожертвований.

За время миссии аппарат LightSail 2 совершил 18 тыс. облётов Земли и прошёл 8 млн км по орбите. Последний снимок спутником был сделан 24 октября 2022 года. И хотя он сгорел в атмосфере, данные о его полёте и поведении солнечного паруса продолжают анализироваться и распространяться среди заинтересованных организаций.

Эстафету LightSail 2 должен был подхватить кубсат NEA Scout. Последний был отправлен в космос, как сопутствующая нагрузка миссии Artemis I. Кубсат NEA Scout намеревался использовать солнечный парус площадью 86 м² для дрейфа к астероиду 2020 GE. К сожалению, после отправки ракеты к луне 16 ноября аппарат NEA Scout так и не вышел на связь. Миссия Artemis I так долго откладывалась, что аккумуляторы некоторых кубсатов вышли из строя, а заменить их возможности не было. Но это наверняка не последний проект космического аппарата с солнечным парусом. Опыт LightSail 2, так или иначе, будет реализован в одном из новых проектов.