Межзвёздные полёты могут стать реальностью: миниатюрные зонды и световые паруса приближают человечество к другим звёздам

До сих пор полёт к другой звёздной системе остаётся за пределами возможностей существующей космонавтики. Даже ближайшие к Солнцу звёзды находятся на расстояниях, которые невозможно преодолеть с помощью обычных космических аппаратов за разумное время. Но ситуация постепенно меняется: развитие миниатюрной электроники, сверхлёгких космических аппаратов и световых парусов позволяет рассматривать межзвёздный зонд уже не исключительно как сюжет научной фантастики.

Один из наиболее реалистичных вариантов предполагает отправку к другой звезде очень маленького аппарата, который будет разгоняться мощным лазерным лучом. Такой зонд не должен нести большое количество топлива и не обязан быть способен затормозить у цели. Он может пролететь через другую планетную систему, провести наблюдения и передать полученные данные на Землю.

Технология пока не готова к настоящему межзвёздному полёту. Однако отдельные необходимые элементы уже существуют, а развитие миниатюрных датчиков и солнечных парусов показывает, что некоторые принципиальные проблемы можно решать постепенно.

Почему обычная ракета плохо подходит для полёта к звёздам

Главная проблема межзвёздного путешествия — расстояние.

Даже ближайшие звёзды находятся от Земли на расстоянии нескольких световых лет. Для обычного космического аппарата это огромный путь.

Современные межпланетные аппараты способны покидать окрестности Земли и отправляться к внешним планетам, но их скорости слишком малы для практического путешествия к другой звезде.

Причина заключается не только в мощности двигателя. Космическому аппарату необходимо разгоняться, а для традиционной ракеты это означает расход топлива. Чтобы получить большую скорость, нужно нести больше энергии и, соответственно, больше топлива. Но дополнительное топливо увеличивает массу аппарата, а для разгона этой массы требуется ещё больше энергии.

Для полёта внутри Солнечной системы эта проблема решается с помощью относительно умеренных скоростей и гравитационных манёвров. Для межзвёздного перелёта такой подход становится гораздо менее эффективным.

Поэтому один из ключей к межзвёздному полёту заключается в том, чтобы не заставлять сам космический аппарат нести источник энергии для разгона.

Миниатюрный аппарат имеет огромное преимущество

Чем меньше масса межзвёздного зонда, тем проще сообщить ему очень высокую скорость.

Современная электроника уже демонстрирует, насколько сильно можно уменьшать размеры оборудования без пропорциональной потери возможностей.

Смартфон содержит камеру, вычислительную систему, датчики связи и множество других компонентов, которые ещё несколько десятилетий назад потребовали бы значительно более крупной аппаратуры.

Развиваются и так называемые «умные пылинки» — миниатюрные сенсорные устройства размером в миллиметры и меньше. Они способны регистрировать такие параметры, как свет, температура или химический состав.

Для межзвёздных исследований это особенно важно.

Если научные приборы удаётся сделать достаточно маленькими, космический аппарат может превратиться из большой станции с массивным корпусом и двигательной установкой в небольшой интеллектуальный сенсорный узел.

Такой аппарат всё равно должен иметь систему управления, датчики, источник энергии, связь и защиту от окружающей среды, но требования к его массе могут быть значительно ниже, чем для традиционного космического корабля.

Насколько быстро должен лететь межзвёздный зонд

Для полёта к другой звезде за время, сопоставимое с человеческой жизнью, аппарат должен двигаться с очень большой скоростью.

Один из рассматриваемых вариантов — разгон до примерно 10–20% скорости света.

Даже при такой скорости полёт к ближайшим звёздам займёт многие десятилетия.

Это важное отличие межзвёздной экспедиции от современных космических миссий. Аппарат может быть построен и запущен сегодня, а его научная работа у другой звезды начнётся уже в следующем поколении людей.

При этом речь идёт именно о скорости порядка десятков процентов от скорости света, а не о достижении самой скорости света. Для объекта с массой достижение скорости света невозможно в рамках современной физики.

Световой парус может заменить ракетный двигатель

Один из способов разогнать крошечный космический аппарат — использовать световой парус.

Принцип основан на том, что свет переносит не только энергию, но и импульс. Когда поток света отражается от поверхности, он оказывает на неё давление.

В обычных условиях это давление чрезвычайно мало.

Но если поверхность очень лёгкая, а световой поток достаточно мощный, давление излучения можно использовать для движения космического аппарата.

Так работает идея светового паруса.

Вместо того чтобы расходовать топливо, аппарат получает ускорение от направленного потока света.

Для межзвёздного варианта предполагается использовать не солнечный свет, а мощный лазерный комплекс, расположенный вблизи Земли.

Почему лазер должен быть огромным

Чтобы разогнать сверхлёгкий зонд до скоростей, необходимых для межзвёздного полёта, потребуется колоссальная мощность лазерного излучения.

Речь идёт о системе эффективной мощностью в десятки гигаватт.

Это не означает, что один гигантский лазер будет работать как двигатель космического аппарата. Предполагается использование большого массива отдельных лазерных установок, работающих синхронно.

Такой комплекс должен сформировать мощный согласованный луч, который будет направлен на световой парус.

Для самого аппарата это принципиальное преимущество: большая энергетическая инфраструктура остаётся возле Земли, а к другой звезде отправляется только небольшая полезная нагрузка.

В традиционной ракете источник энергии и рабочее тело для разгона должны находиться на борту. В лазерной системе большая часть энергетической инфраструктуры остаётся на месте.

Разгон может занять всего несколько минут

Согласно рассматриваемой концепции, отражающий парус размером в несколько метров может разгоняться лазерной системой в течение нескольких минут.

Это чрезвычайно быстрый процесс по космическим меркам.

Однако такая схема требует решения огромного количества инженерных задач.

Парус должен выдерживать интенсивное лазерное излучение и при этом оставаться чрезвычайно лёгким.

Его необходимо развернуть и удерживать в правильном положении во время разгона.

Лазерный луч должен быть точно направлен на движущийся объект.

Кроме того, система должна обеспечивать стабильность аппарата во время ускорения.

Поэтому световой парус — это не просто тонкая отражающая плёнка. Межзвёздная версия технологии потребует сложной конструкции и высокоточной системы управления.

Главный недостаток — аппарат не сможет просто остановиться у звезды

У лазерного разгона есть серьёзная проблема.

Разогнать аппарат до огромной скорости можно относительно быстро, но затем возникает вопрос торможения.

Если зонд не несёт большого количества топлива, ему практически нечем остановиться после прибытия к другой звёздной системе.

Поэтому аппарат будет проходить через неё на высокой скорости.

Это означает, что у него будет очень мало времени для наблюдений.

Ожидается, что пролёт через целевую систему может занять всего несколько дней.

За это время зонд должен будет самостоятельно выполнить научную программу, получить изображения и другие измерения, обработать информацию и начать передачу данных на Землю.

Для сравнения, современные космические аппараты могут годами исследовать отдельные планеты и спутники, постепенно меняя орбиты и проводя множество наблюдений.

Межзвёздный мини-зонд будет работать совершенно иначе.

Он станет быстрым пролётным аппаратом, который должен получить максимум информации за очень короткий промежуток времени.

Почему аппарат может быть похож на маленький компьютер

Из-за ограничений по массе большая часть научной работы должна выполняться непосредственно на борту.

Зонд не сможет передавать на Землю необработанный поток данных в огромных объёмах.

Связь через несколько световых лет сама по себе будет крайне сложной задачей.

Поэтому аппарат должен будет самостоятельно выбирать важные наблюдения, обрабатывать изображения и другие данные и передавать на Землю наиболее ценную информацию.

В этом отношении миниатюризация вычислительной техники становится особенно важной.

Небольшой аппарат будущего может обладать вычислительными возможностями, которые сегодня требуют гораздо более крупного оборудования.

Искусственный интеллект может понадобиться непосредственно у другой звезды

Из-за задержки связи зонд не сможет получать инструкции с Земли в реальном времени.

Если аппарат находится в нескольких световых годах от нашей планеты, даже самый быстрый радиосигнал будет идти туда несколько лет.

Ответ с Земли потребует ещё столько же времени.

Поэтому командовать аппаратом непосредственно во время пролёта будет невозможно.

Зонд должен будет действовать автономно.

Ему потребуется самостоятельно распознавать цели, выбирать параметры наблюдений, управлять приборами и реагировать на непредвиденные ситуации.

Именно поэтому развитие искусственного интеллекта и автономных систем управления может оказаться важной частью будущей межзвёздной техники.

Аппарат должен будет десятилетиями лететь к цели, а затем за очень короткое время выполнить сложную программу наблюдений практически без участия операторов с Земли.

Что можно будет изучить во время пролёта

Даже несколько дней работы у другой звезды могут дать информацию, которую невозможно получить с Земли.

Телескопы уже способны обнаруживать экзопланеты и изучать некоторые свойства их атмосфер на огромных расстояниях.

Но непосредственный пролёт небольшого аппарата позволит получить совершенно другой тип данных.

Зонд сможет наблюдать планеты с близкого расстояния, изучать их поверхности, атмосферы и окружающее пространство.

Конкретный набор приборов будет зависеть от выбранной цели и возможностей аппарата.

При этом межзвёздный зонд не обязан быть огромным.

Современные технологии позволяют уменьшать размеры камер, спектрометров, датчиков и вычислительных систем.

Именно сочетание миниатюризации и высокой скорости делает концепцию хотя бы технически обсуждаемой.

LHS 1140b — одна из интересных потенциальных целей

Особое внимание сейчас привлекает экзопланета LHS 1140b.

Она находится примерно в 48 световых годах от Земли и обращается вокруг красного карлика.

Планета находится в обитаемой зоне своей звезды — области, где при подходящих атмосферных условиях на поверхности может существовать жидкая вода.

Недавние исследования дали свидетельства наличия атмосферы вокруг LHS 1140b.

В верхних слоях атмосферы наблюдается потеря гелия. Более тяжёлые вещества, включая воду, могут находиться ниже.

Это не означает, что на LHS 1140b обнаружена жизнь.

Обитаемость и наличие жизни — совершенно разные научные вопросы.

Но такие объекты особенно интересны для дальнейшего исследования, поскольку позволяют изучать планеты, условия на которых потенциально могут быть совместимы с существованием жидкой воды.

Почему обнаружение атмосферы так важно

Для экзопланеты само наличие атмосферы является важным фактором.

Атмосфера определяет многие свойства поверхности и влияет на климат планеты.

Она также может содержать химические вещества, которые можно обнаруживать дистанционными методами.

Именно поэтому современные космические телескопы всё активнее исследуют атмосферы экзопланет.

LHS 1140b интересна ещё и тем, что её атмосфера стала объектом непосредственного наблюдения.

Если в будущем удастся отправить к подобной планете миниатюрный межзвёздный аппарат, он сможет изучить её значительно подробнее, чем это возможно с Земли.

Но даже при наличии подходящей технологии такой полёт потребует десятилетий.

Межзвёздный аппарат должен пережить десятилетия в космосе

Одна из самых сложных проблем — не только разгон.

Зонд должен десятилетиями находиться в межзвёздном пространстве.

Он будет удаляться от Солнца и лететь через крайне разреженную среду.

За время путешествия его электроника должна сохранять работоспособность.

Системы связи должны оставаться функциональными.

Источник энергии должен обеспечивать работу критически важных компонентов.

Аппарат должен сохранять ориентацию и выдерживать воздействие частиц межзвёздной среды.

При скорости в десятки процентов от скорости света даже чрезвычайно мелкие частицы становятся потенциально опасными.

Поэтому защита от столкновений с пылью и другими частицами также является важной инженерной задачей.

Солнечные паруса уже существуют

Межзвёздные световые паруса пока находятся на уровне концепций и исследований, но сама идея движения за счёт давления света не является исключительно теоретической.

Солнечные паруса уже запускались в космос для демонстрации технологии.

В отличие от лазерного паруса, солнечный парус использует естественный поток света от Солнца.

Он получает очень небольшое, но постоянное ускорение без расходования топлива.

Это позволяет выполнять миссии, которые традиционным космическим аппаратам проводить сложнее.

Солнечный парус способен постепенно изменять свою орбиту, используя изменение ориентации отражающей поверхности.

Солнечный парус может менять траекторию без топлива

Космический аппарат с солнечным парусом может управлять движением, изменяя угол паруса относительно направления солнечного света.

Это позволяет использовать давление излучения для постепенного изменения траектории.

Например, аппарат может удаляться от Солнца или, наоборот, постепенно приближаться к нему.

Такая возможность особенно интересна для длительных миссий.

Обычному аппарату для существенного изменения траектории приходится расходовать запас топлива.

Солнечный парус вместо этого использует постоянно доступный источник энергии — солнечное излучение.

Необычные орбиты тоже становятся возможными

Солнечный парус способен не только перемещаться по традиционным орбитам.

Давление солнечного света можно использовать для компенсации части гравитационного воздействия.

Это открывает возможность движения по траекториям, которые недоступны обычным космическим аппаратам.

В качестве одного из примеров рассматривается возможность поддерживать солнечный парус над полярными областями Земли на большой высоте.

Аппарат не будет неподвижным в абсолютном смысле, но сможет поддерживать необычную конфигурацию относительно Земли благодаря сочетанию гравитации и давления света.

Такие возможности делают солнечные паруса перспективными не только для межзвёздных исследований, но и для будущих миссий внутри Солнечной системы.

Почему технологии для Солнечной системы важны для полёта к звёздам

Межзвёздный аппарат не появится внезапно.

Необходимые технологии будут развиваться постепенно.

Сначала можно совершенствовать солнечные паруса для межпланетных миссий.

Затем уменьшать массу научных приборов и вычислительных систем.

Одновременно можно повышать эффективность лазерных систем и отрабатывать управление сверхлёгкими конструкциями.

Каждый такой шаг решает отдельную часть общей проблемы.

В результате межзвёздный полёт становится не одной огромной технологической задачей, а совокупностью более конкретных задач, которые можно исследовать независимо.

Проект Breakthrough Starshot стал одним из наиболее известных вариантов такой концепции

Идея миниатюрных лазерных зондов получила широкое внимание благодаря проекту Breakthrough Starshot.

Его задача заключалась в исследовании технологий, которые могли бы позволить отправить очень лёгкие аппараты к другой звёздной системе.

Концепция предполагает использование сверхлёгких зондов и мощного наземного лазерного комплекса, который разгоняет световые паруса.

Цель такого подхода — добиться скоростей, значительно превышающих возможности традиционных химических ракет.

Проект не означает, что межзвёздная миссия уже готова к запуску.

Между экспериментальными технологиями и полноценной экспедицией остаётся огромное количество нерешённых вопросов.

Но исследования показали, какие именно инженерные направления необходимо развивать.

Межзвёздный полёт может начаться с очень маленького аппарата

Исторически космические аппараты становились всё более сложными и функциональными, но это не обязательно означает постоянное увеличение их размеров.

В некоторых областях происходит обратный процесс.

Камеры, вычислители и сенсоры становятся меньше.

Это особенно важно для межзвёздных миссий.

Большой аппарат чрезвычайно трудно разогнать до высокой доли скорости света. Маленький зонд гораздо лучше подходит для такого эксперимента.

В результате будущий первый аппарат, который достигнет другой звёздной системы, может выглядеть совсем не так, как современные представления о космическом корабле.

Это может быть небольшой автоматический сенсорный аппарат, прикреплённый к сверхлёгкому световому парусу.

Но до настоящей экспедиции ещё очень далеко

Важно отделять физическую возможность от готовой технологии.

Сегодня человечество не располагает действующим межзвёздным зондом, способным разогнаться до 10–20% скорости света и отправиться к другой звезде.

Нет и готовой лазерной инфраструктуры с требуемой мощностью.

Не решены в полном объёме проблемы конструкции светового паруса, его устойчивости, защиты от лазерного излучения, связи на межзвёздных расстояниях и автономной работы.

Не существует и гарантированного способа эффективно затормозить такой аппарат у другой звезды.

Поэтому говорить о скором запуске полноценной межзвёздной экспедиции пока преждевременно.

Однако отдельные элементы необходимой технологии уже развиваются.

Почему отсутствие торможения не делает миссию бесполезной

На первый взгляд кажется, что пролёт через другую звёздную систему без остановки сильно ограничивает научную ценность миссии.

Но даже короткое наблюдение может быть чрезвычайно важным.

Сегодня человечество изучает большинство экзопланет исключительно дистанционно.

Мы можем измерять изменения яркости звезды, анализировать спектр её света и получать сведения об атмосферах планет, но непосредственно отправить аппарат к другой планете пока невозможно.

Пролётный зонд изменил бы ситуацию.

Даже если он не сможет выйти на орбиту вокруг планеты, аппарат получит возможность провести непосредственные измерения во время сближения.

Главная задача будет заключаться в том, чтобы правильно выбрать цели и максимально эффективно использовать короткое время пролёта.

Сигнал от другой звезды будет идти годами

После завершения наблюдений аппарат должен будет передать данные на Землю.

Здесь возникает ещё одна фундаментальная особенность межзвёздных миссий: скорость света ограничивает передачу информации.

Если зонд находится в десятках световых лет от Земли, его радиосигнал будет идти десятки лет.

Даже ближайшие звёздные системы требуют многолетнего ожидания.

Поэтому межзвёздная миссия неизбежно будет проектом на поколения.

Первые люди, которые увидят фотографии другой планетной системы, вполне могут не быть современниками тех, кто создавал и запускал аппарат.

Путь к звёздам может начаться с изучения собственных планет

Солнечные паруса особенно интересны тем, что позволяют связать две области исследований.

С одной стороны, они являются потенциальным способом будущего межзвёздного разгона.

С другой — уже сейчас могут использоваться для исследования Солнечной системы.

Это позволяет совершенствовать технологию на значительно более близких расстояниях.

Вместо того чтобы сразу пытаться построить аппарат для путешествия длиной в десятки лет, инженеры могут сначала проверить солнечные паруса на орбите Земли и в межпланетном пространстве.

Такая последовательность испытаний значительно реалистичнее.

Что изменилось за последние десятилетия

Ещё недавно идея отправки аппарата к другой звезде считалась практически недостижимой инженерной задачей.

Сегодня физические принципы такого полёта достаточно хорошо понятны.

Известно, что свет переносит импульс.

Известно, что очень лёгкий отражающий материал можно ускорять давлением света.

Уже существуют солнечные паруса.

Существуют миниатюрные камеры и датчики.

Существуют автономные вычислительные системы.

Развиваются мощные лазеры и методы синхронизации лазерных источников.

Проблема заключается в том, чтобы объединить все эти технологии в одну работающую систему.

Именно этот переход — от отдельных технологий к полноценному аппарату — является главным вызовом будущих межзвёздных миссий.

Другие звёзды перестают быть только объектами наблюдений

Современная астрономия уже обнаружила тысячи экзопланет.

Некоторые из них находятся в обитаемых зонах своих звёзд.

Телескопы начинают исследовать их атмосферы.

LHS 1140b — один из примеров планеты, которая привлекает внимание благодаря расположению в обитаемой зоне и обнаруженным признакам атмосферы.

Но между обнаружением далёкого мира и его непосредственным исследованием лежит огромная технологическая пропасть.

Световой парус и миниатюрный межзвёздный зонд предлагают один из способов эту пропасть сократить.

Он не позволяет превратить путешествие к звёздам в обычный космический перелёт. Но он потенциально способен сделать межзвёздный пролёт физически осуществимой задачей.

От солнечного паруса к межзвёздному зонду

Технологическая цепочка выглядит постепенно.

Сначала человечество учится использовать давление солнечного света.

Затем создаёт более лёгкие и прочные отражающие материалы.

Параллельно миниатюризирует научные приборы и вычислительные системы.

Следующим шагом становится создание мощных лазерных комплексов.

После этого необходимо научиться точно разгонять и контролировать сверхлёгкие аппараты.

И только объединение этих технологий позволит говорить о реальной межзвёздной миссии.

Такой путь может занять много времени.

Но важен сам факт изменения подхода.

Для первого полёта к другой звезде необязательно строить огромный космический корабль, способный перевозить людей и запас топлива на десятилетия.

Первым межзвёздным путешественником может стать крошечный автоматический аппарат.

Первый взгляд на другую планетную систему может оказаться очень коротким

Если подобная миссия когда-нибудь будет реализована, её научная часть будет проходить совершенно не так, как современные экспедиции к Марсу или Юпитеру.

У аппарата не будет возможности спокойно выйти на орбиту, развернуть большую антенну и годами изучать цель.

Он будет пролетать через систему на огромной скорости.

За короткое время ему придётся определить положение объектов, провести наблюдения, собрать данные и отправить их в обратный путь.

После этого Земля будет ждать.

Годы спустя начнут приходить первые сведения.

Именно поэтому межзвёздный зонд должен быть чрезвычайно автономным и надёжным.

Главное препятствие — не один двигатель, а целая система технологий

Проблема межзвёздного путешествия часто воспринимается как вопрос создания достаточно мощного двигателя.

На практике задача гораздо сложнее.

Необходимы одновременно сверхлёгкий аппарат, эффективный световой парус, мощный лазерный комплекс, точная система наведения, автономное управление, защита от частиц, долговечная электроника и дальняя связь.

Каждая из этих задач сама по себе требует серьёзных исследований.

Даже если одна технология будет готова, остальные могут ограничить возможность полёта.

Поэтому нынешний этап исследований заключается не столько в строительстве конкретного корабля, сколько в создании технологической основы для будущей миссии.

Возможно, первый межзвёздный аппарат будет совсем не похож на космический корабль

Если эта концепция окажется успешной, будущий межзвёздный аппарат может быть невероятно маленьким по сравнению с современными зондами.

Его главной частью станет полезная нагрузка — набор датчиков, камера, вычислительная система и связь.

Большая энергетическая система разгона будет находиться не на борту.

Лазерный комплекс останется в Солнечной системе и передаст аппарату необходимую энергию на этапе разгона.

После этого зонд десятилетиями будет двигаться к цели самостоятельно.

Такой подход принципиально меняет архитектуру космического аппарата.

Мы привыкли к ракетам, которые везут с собой топливо, двигатели и всё необходимое для длительного путешествия.

Межзвёздный световой зонд может оставить большую часть этой инфраструктуры позади.

Путь к другой звезде может начаться уже сейчас — но не с запуска к звезде

Солнечные паруса и миниатюрные космические аппараты уже существуют и продолжают развиваться.

Именно они могут стать промежуточным этапом между современной космонавтикой и будущими межзвёздными миссиями.

Наиболее реалистичный путь заключается в последовательном испытании технологий внутри Солнечной системы.

Каждая успешная демонстрация уменьшает количество неизвестных.

Но до запуска аппарата к другой звезде потребуется решить ещё множество проблем.

Поэтому межзвёздные полёты остаются долгосрочной целью.

При этом сама идея уже вышла за пределы чистой научной фантастики.

Физический принцип светового паруса известен, солнечные паруса уже демонстрировались в космосе, миниатюрные датчики становятся всё мощнее, а проекты вроде Breakthrough Starshot позволили сформулировать конкретный набор технологий, необходимых для создания сверхбыстрого межзвёздного зонда.

Если эти направления будут развиваться одновременно, первый аппарат, отправленный к другой звёздной системе, может оказаться не гигантским кораблём, а небольшим автономным сенсором, который большую часть своего пути проведёт в полной тишине, а затем на несколько дней станет первым созданным человеком наблюдателем внутри чужой планетной системы.

Именно в этом заключается главное изменение современной перспективы межзвёздных исследований: вопрос постепенно смещается от «возможно ли вообще достичь другой звезды» к более конкретному — какие технологии необходимо объединить, чтобы сделать такой полёт осуществимым.

 

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org