Стрельба крошечными высокоскоростными пулями по космическому кораблю может ускорить путешествие к звездам

Сегодня несколько космических агентств изучают передовые идеи двигателей, которые позволят быстро перемещаться к другим телам в Солнечной системе.

К ним относятся ядерно-тепловые или ядерно-электрические двигатели НАСА (NTP/ NEP), которые могли бы обеспечить время перелета на Марс за 100 дней (или даже 45), и китайский космический корабль с ядерной установкой, который мог бы исследовать Нептун и его самый большой спутник, Тритон.

Хотя эти и другие идеи могут позволить для межпланетных исследований выход за пределы Солнечной системы сопряжен с некоторыми серьезными проблемами.

Как мы выяснили в предыдущей статье, космическим кораблям с обычным двигателем потребуется от 19 000 до 81 000 лет, чтобы добраться даже до ближайшей звезды, Проксимы. Центавра (4,25 световых года от Земли). С этой целью инженеры изучают предложения по беспилотным космическим кораблям, которые полагаются на лучи направленной энергии (лазеры) для ускорения световых парусов до доли скорости света.

Новая идея, предложенная исследователями из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. представляет собой поворот в идее луча-парус: концепция луча-гранулы, которая может разогнать 1-тонный космический корабль до края Солнечной системы менее чем за 20 лет.

Концепция под названием «Пеллет- Лучевой двигатель для прорыва в космических исследованиях» был предложен Артуром Давояном, доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA).

Это предложение было одним из четырнадцати предложений, выбранных программа NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) в рамках их отбора на 2023 год, в рамках которой были выделены гранты на общую сумму 175 000 долларов США для дальнейшего развития технологий. Предложение Давояна основано на недавней работе с двигателем направленной энергии (DEP) и технологией светового паруса для создания солнечной гравитационной линзы.

Как сказал профессор Давоян Universe Today по электронной почте, проблема с космическими кораблями заключается в том, что они по-прежнему обязаны ракетному уравнению:

«Все современные космические корабли и ракеты летают за счет расширения топлива. Чем быстрее выбрасывается топливо, тем эффективнее ракета. Однако существует ограниченное количество топлива, которое мы можем нести на борту. В результате скорость, до которой может быть ускорен космический корабль, ограничена. Этот фундаментальный предел диктуется уравнением ракеты. Ограничения уравнения ракеты приводят к относительно медленному и дорогостоящему исследованию космоса. такие миссии, как Солнечная гравитационная линза, невозможны с современными космическими кораблями».

Солнечная гравитационная линза (SGL) — это революционное предложение, которое станет самым мощным телескопом из когда-либо задуманных. Примеры включают Солнечную гравитационную линзу, которая была выбрана в 2020 году для разработки NIAC Phase III.

Эта концепция основана на явлении, предсказанном общей теорией относительности Эйнштейна, известном как гравитационное линзирование, когда массивные объекты изменяют кривизну пространство-время, усиливая свет от объектов на заднем плане. Этот метод позволяет астрономам изучать удаленные объекты с большим разрешением и точностью.

Поместив космический корабль в гелиопаузу (примерно 500 а.е. от Солнца), астрономы могут изучать экзопланеты и удаленные объекты с разрешением первичной зеркало диаметром около 100 км (62 мили). Задача заключается в разработке двигательной установки, которая могла бы доставить космический корабль на это расстояние за разумное время.

На сегодняшний день единственными космическими кораблями, достигшими межзвездного пространства, были зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые запустили в 1977 году и в настоящее время находятся на расстоянии 159 и 132 астрономических единиц от Солнца (соответственно).

Когда он покинул Солнечную систему, зонд «Вояджер-1» двигался с рекордной скоростью около 17 км/с ( 38 028 миль в час), или 3,6 а.е. в год. Тем не менее, этому зонду потребовалось 35 лет, чтобы достичь границы между солнечным ветром и межзвездной средой (гелиопаузы).

При нынешней скорости «Вояджеру-1» потребуется более 40 000 лет, чтобы пролететь мимо. другая звездная система – AC+79 3888, малоизвестная звезда в созвездии Малой Медведицы. По этой причине ученые исследуют движение направленной энергии (DE) для ускорения световых парусов, которые могут достичь другой звездной системы в течение нескольких десятилетий.

Как объяснил профессор Давоян, этот метод предлагает некоторые явные преимущества, но также имеет свои недостатки:

«Лазерное плавание, в отличие от обычных космических кораблей и ракет, не требует топлива на борту для ускорения. Здесь ускорение происходит от лазера, толкающего космический корабль за счет радиационного давления. В принципе, с помощью этого метода можно достичь скоростей, близких к скорости света. Однако лазерные лучи расходятся на больших расстояниях, а это означает, что существует лишь ограниченный диапазон расстояний, в котором космический корабль может быть ускорен. Это ограничение лазерного плавания приводит к необходимость иметь непомерно высокую мощность лазера, гигаватт, а в некоторых предложениях и тераватт, или накладывает ограничение на массу космического корабля».

Примеры концепции лазерного луча включают Project Dragonfly, технико-экономическое обоснование I Институт межзвездных исследований (i4is) для миссии, которая может достичь ближайшей звездной системы за столетие.

Затем есть Breakthrough Starshot, в котором предлагается массив лазеров мощностью 100 гигаватт (ГВт), который ускорит граммовые масштабы. nanocraft (Starchip).

С максимальной скоростью 161 миллион км (100 миллионов миль), или 20 процентов скорости света, Starshot сможет достичь Альфы Центавра примерно через 20 лет. Вдохновленные этими концепциями, профессор Давоян и его коллеги предлагают новый взгляд на эту идею: концепцию пучкового луча.

Эта концепция миссии может служить предтечей межзвездных миссий с быстрым транзитом, таких как Starshot и Dragonfly. .

Но для своих целей Давоян и его команда изучили систему с гранулированным лучом, которая могла бы доставить полезную нагрузку ~ 900 кг (1 тонна США) на расстояние 500 а.е. менее чем за 20 лет. Давоян сказал:

«В нашем случае луч, толкающий космический корабль, состоит из крошечных гранул, поэтому [мы называем это] лучом гранул. Каждая гранула ускоряется до очень высоких скоростей с помощью лазерной абляции. , а затем гранулы переносят свой импульс, чтобы толкать космический корабль.

В отличие от лазерного луча, гранулы не расходятся так быстро, что позволяет нам ускорять более тяжелый космический корабль. Шарики, будучи намного тяжелее фотонов, несут больше импульса и могут передавать более высокую силу космическому кораблю».

Кроме того, небольшой размер и малая масса гранул означают, что они могут приводиться в движение относительно маломощными лазерными лучами. В целом, Давоян и его коллеги подсчитали, что космический корабль массой 1 тонна может быть разогнан до скорости ~30 а.е. в год с помощью лазерного луча мощностью 10 мегаватт (МВт).

Что касается работы Фазы I, они продемонстрируют осуществимость концепции пучка пеллет путем детального моделирования различных подсистем и экспериментов по проверке концепции. Они также изучат полезность системы гранулированного луча для межзвездных миссий, которые могли бы исследовать соседние звезды при нашей жизни.

«Пучок гранул направлен на то, чтобы изменить способ исследования дальнего космоса, позволяя миссиям быстрого транзита дальние страны», — сказал Давоян. «С лучом шариков внешние планеты могут быть достигнуты менее чем за год, 100 а. (~1 тонна), что существенно увеличивает объем возможных миссий.»