Вчені представили план відправлення зонда за межі міжзоряного простору

07 січня 2025 р. 10:21

07 січня 2025 р. 10:21

Доставити космічний корабель до іншої зірки — монументальне завдання. Однак це не заважає людям працювати над цим. Найвідомішими групами, які наразі займаються цим, є Breakthrough Starshot і Tau Zero Foundation, обидві зосереджені на дуже конкретному типі силового проміння. У документі голови правління Tau Zero Джеффрі Ґрісона та Ґерріта Бругауга, фізика з Національної лабораторії Лос-Аламоса, який спеціалізується на лазерній фізиці, розглядається фізика однієї з таких технологій випромінювання – релятивістського електронного променя – як це може використовувати для підштовхування космічного корабля до іншої зірки.

Є багато міркувань при розробці такого типу місії. Одним із найбільших із них є те, наскільки важким є космічний корабель. Breakthrough Starshot зосереджується на крихітній конструкції з гігантськими сонячними «крилами», які дозволять їм донести промінь світла до Альфи Центавра. Однак, для практичних цілей, такий маленький зонд зможе збирати небагато фактичної інформації, коли він прибуде туди – це більше схоже на інженерний подвиг, а не на справжню наукову місію.

У документі, з іншого боку, розглядаються розміри зондів приблизно до 1000 кг – приблизно розмір зондів «Вояджер», побудованих у 1970-х роках. Очевидно, що з більш досконалою технологією можна було б встановити на них набагато більше датчиків і елементів керування, ніж ті системи.

Але проштовхування такого великого зонда за допомогою променя вимагає іншого конструктивного міркування – якого типу променя?

Breakthrough Starshot планує лазерний промінь, ймовірно, у видимому спектрі, який буде штовхати безпосередньо на світлові вітрила, прикріплені до зонда. Однак, враховуючи поточний стан оптичних технологій, цей промінь міг ефективно натискати на зонд лише протягом приблизно 0,1 астрономічних одиниць його подорожі, що становить понад 277 000 астрономічних одиниць до Альфи Центавра. Навіть цього мізерного часу може вистачити, щоб розвинути зонд до поважної міжзоряної швидкості, але лише якщо він маленький і лазерний промінь його не підсмажить. Щонайбільше, лазер потрібно було б увімкнути лише на короткий період, щоб розігнати зонд до крейсерської швидкості.

Однак автори статті дотримуються іншого підходу. Замість того, щоб забезпечувати електроенергію лише на короткий проміжок часу, чому б не зробити це протягом більш тривалого періоду? Це дозволило б збільшити силу і дозволити набагато потужнішому зонду рухатися з поважним відсотком швидкості світла.

З таким дизайном також пов’язано багато проблем. По-перше, буде розповсюдження променя – на відстанях, що в 10 разів перевищують відстань від Сонця до Землі, як такий промінь буде достатньо когерентним, щоб забезпечити будь-яку значущу потужність?

Більшість статті докладно розповідає про це, зосереджуючись на релятивістських електронних пучках. Ця концепція місії, відома як Sunbeam, буде використовувати саме такий промінь. Використання електронів, що рухаються на таких високих швидкостях, має кілька переваг. По-перше, відносно легко розігнати електрони приблизно до швидкості світла – принаймні порівняно з іншими частинками. Однак, оскільки всі вони мають однаковий негативний заряд, вони, ймовірно, будуть відштовхуватись один від одного, зменшуючи ефективний поштовх променя.

Це не така велика проблема на релятивістських швидкостях через явище, виявлене в прискорювачах елементарних частинок, відоме як релятивістський пінч. По суті, через уповільнення часу подорожі з релятивістськими швидкостями електрони не мають достатньо відносного часу, щоб почати розштовхувати один одного до будь-якої значної міри.

Розрахунки в статті показують, що такий промінь міг би забезпечити потужність до 100 або навіть 1000 астрономічних одиниць, що значно перевищує межу, коли будь-яка інша відома система руху здатна мати вплив. Це також показує, що в кінці періоду живлення променя 1000-кілограмовий зонд може рухатися зі швидкістю 10% швидкості світла, що дозволить йому досягти Альфи Центавра трохи більше ніж за 40 років.

Однак для цього потрібно подолати багато проблем, одна з яких полягає в тому, як сформувати стільки потужності в балку. Чим далі зонд від джерела променя, тим більша потужність потрібна для передачі тієї самої сили. Оцінки коливаються до 19 гігаелектронвольт для зонда на відстані 100 астрономічних одиниць, промінь досить високої енергії, хоча цілком доступний нашій технології, оскільки Великий адронний колайдер може формувати пучки з на порядки більшою енергією.

Щоб уловити цю енергію в космосі, автори пропонують використовувати інструмент, якого ще не існує, але принаймні теоретично він міг би це зробити – сонячний статит. Ця платформа буде знаходитися над поверхнею Сонця, використовуючи комбінацію сили від поштовху світла від зірки та магнітного поля, яке використовує магнітні частинки, які випромінює Сонце, щоб утримати його від падіння в гравітаційний колодязь Сонця.

Він знаходитиметься так близько, як сонячний зонд Parker найближче до Сонця, що означає, що, принаймні теоретично, ми можемо створювати матеріали, які витримають це тепло. Саме формування променя відбуватиметься за масивним сонцезахисним екраном, що дозволить йому працювати у відносно прохолодному, стабільному середовищі, а також зможе залишатися на станції протягом днів або тижнів, необхідних для висунення 1000-кілограмового зонда настільки далеко. пішов би.

Це причина використання статуту, а не орбіти – він міг би залишатися нерухомим відносно зонда і не хвилюватися про те, що його закриє Земля чи Сонце. Все це поки що в царині наукової фантастики, тому й зустрілися автори в першу чергу – на сервері ToughSF Discord, де збираються ентузіасти наукової фантастики. Але, принаймні теоретично, це показує, що можна просунути науково корисний зонд на Альфу Центавра протягом людського життя з мінімальними досягненнями існуючих технологій.

Наука