Проект Breakthrough Starshot: долетит ли зонд c Земли до системы Альфа Центавра со скоростью в 20% световой?

В научной фантастике космические корабли давно уже передвигаются по всей Вселенной при помощи «червоточин», гипердвигателей и прочих систем, явлений и устройств. Червоточины или гипердвигатели по мнению некоторых ученых вовсе не являются сказкой, и создать их теоретически возможно. Правда, не сейчас и не в ближайшем будущем — у нас просто нет необходимых знаний и технологий.

Ну а что насчет полететь к другой звезде со скоростью в 15-20% световой? Это вполне реально. Так считают ученые, популяризаторы науки, так считают и авторы проекта Breakthrough Initiatives, работающие над проектом Breakthrough Starshot. Задача проекта — создание космических кораблей со световым парусом, которые способны долететь до системы Альфа Центавра за 20-30 лет. Для того, чтобы добраться до этой системы за такое время, космический корабль и должен двигаться со скоростью от 15% до 20% от скорости света.

Что по плану?

Основная идея проекта была озвучена 12 апреля этого года на пресс-конференции в Нью-Йорке. Основатели Breakthrough Starshot — Юрий Мильнер и Стивен Хокинг. В инициативный совет проекта входит и Марк Цукерберг, глава Facebook. По мнению Мильнера, стоимость проекта не так велика — 5-10 млрд долларов США. Первый корабль, как он считает, может отправиться к звезде уже через 20 лет.

В рамках Breakthrough Starshot планируется запуск базового корабля, который выведет на орбиту множество небольших космических аппаратов. С земли на солнечные паруса этих аппаратов будут воздействовать лазерным лучом. Лазеры достаточно мощные, на солнечные паруса размером 4*4 м планируется направить несколько лазерных лучей общей мощностью 1 тераджоуль (по некоторым данным — 100 гигаджоулей).



При помощи лазера миниатюрные космические аппараты нацелят на систему Альфа Центавра, лазер же будет разгонять зонды до необходимой скорости. Когда (и если) земные устройства туда долетят, они смогут получить снимки всей системы. Всего к Альфе Центавра отправят около 1000 миниатюрных звездолетов. Данные на землю аппараты будут передавать при помощи миниатюрной лазерной системы — антенной будет служить солнечный парус. Каждый зонд будет состоять из камеры, солнечного паруса, лазерной системы передачи данных, плутониевого источника энергии.

А теперь — о проблемах

Сам проект выглядит достаточно реалистично — запустить мини-звездолеты, вероятно, можно. И достичь скорости в 15-20% от световой, наверное, тоже можно. Но здесь возникает одна проблема. Дело в том, что при столь высокой скорости для зонда будет представлять проблему не только метеорит или пыль, опасными становятся столкновения даже с отдельными атомами. Сейчас ученые пытаются понять, насколько опасными будут такие столкновения и как часто они будут происходить (в том, что будут, сомнений нет). Собственно, потому и планируется отправить 1000 аппаратов — по мнению авторов проекта, определенная часть зондов останется целой.

Основная проблема в том, что межзвездное пространство не пустое. Здесь есть пыль, и ее довольно много, есть отдельные атомы, которых еще больше. Все эти объекты представляют реальную опасность для зондов.

Атомы. Само по себе столкновение с атомом не столь опасно, а вот высвобождающаяся при столкновении энергия уже представляет собой значительную проблему. При высвобождении энергии корпус или отдельные элементы зонда будут нагреваться. Температура будет настолько высокой, что в месте столкновения материал зонда будет просто испаряться. Или же просто плавиться, что вызовет изменения в свойствах материала.

Используя известные данные о концентрации межзвездного газа, авторы выполнили некоторые подсчеты для получения более-менее реальной информации о последствиях таких столкновений. Как оказалось, наиболее распространенные во Вселенной водород и гелий не представляют значительной проблемы. Хуже всего придется зондам при столкновениях с более тяжелыми атомами таких элементов, как кислород, магний, железо.

По мнению специалистов, тяжелые атомы смогут испарять или плавить материал корпуса зонда в пределах 0,1 мм. Не так много, но если атомы будут встречаться часто, то зонд окажется в большой опасности.

Пыль . Это проблема несколько иного характера. Пыль сформирована из атомов и молекул элементов более тяжелых, чем водород или гелий. Пыль, даже самая мелкая, гораздо крупнее отдельного атома. И последствия столкновения с частицами пыли для зонда будут более тяжелыми, чем столкновение с атомами. Относительно крупная частица пыли — одна-единственная частица — может вывести весь аппарат из строя. Размер такой частицы оценивается в 15 микрометров. К счастью, в межзвездном пространстве пыль такого размера скорее редкость, так что, вероятно, не все зонды встретятся на пути с этой опасностью. Фактически, вероятность зонда встретиться с 15 мкм частицей или частицей большего размера исчезающе мала.

Частицы пыли меньшего размера будут причинять разрушения корпуса аппарата в гораздо больших масштабах, чем атомы. Каждая частичка будет испарять материал в пределах 1,5 мм поверхности аппарата. А вот плавиться материал будет на глубину вплоть до 1 см. Если учесть миниатюрность зондов, это очень существенно.

Как можно избежать опасности разрушения зонда?

Есть несколько способов избежать разрушения зондов по пути к цели. Один из них — разместить солнечный парус за специальным щитом. Корпус зонда будет сформирован в виде пули для того, чтобы свести к минимуму вероятность столкновения аппарата с опасными частицами пыли или атомами.



Для поглощения тепла корпус зонда предлагается покрыть слоем графита. Этот материал будет рассеивать тепло, обеспечивая минимальное воздействие столкновений с частицами и атомами на зонд.

И еще одна проблема, не столь явная. При испарении вещества в момент столкновения будет изменяться направление движения аппарата и его скорость. 1-2 встречи с частицами пыли не сильно что-то поменяют, но, если такие встречи будут случаться постоянно, аппарат может сильно отклониться от начальной траектории, скорость также значительно изменится. Зонд в этом случае либо вообще не долетит до цели, либо долетит, но время путешествия увеличится. Что делать с этой проблемой специалисты пока не придумали. По оценкам специалистов проекта, каждый фронтальный квадратный сантиметр столкнется на высокой скорости с примерно тысячью частиц размером 0,1 мкм и выше.

Кроме всего перечисленного выше, есть еще и чисто технические сложности. Дело в том, что зонд должен быть очень миниатюрным для того, чтобы соответствовать лимиту массы. Все элементы зонда должны выдерживать экстремальные условия открытого космоса и ускорение. Да и фокусировка мощнейших лазеров на солнечных парусах зондов — это задача, с которой прямо сейчас люди не смогут справиться в силу ряда технических проблем. По мнению издания The Economist, реализация проекта станет возможной только после улучшения ряда современных технологий на несколько порядков.

Как бы там ни было, сам проект гораздо реальнее всех прочих, где требуются либо атомные двигатели, либо антиматерия, либо варп-привод и прочие технологии, которые пока что относятся к разряду проектов очень-очень отдаленного будущего.

Источник: geektimes.ru/post/279768/