Американские исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали концепцию новых космических зондов. Эти зонды отличаются чрезвычайно малым весом и высокой скоростью, благодаря разгону мощными лазерными установками, размещенными в космосе. Использование таких систем позволит сократить время полета к отдаленным объектам Солнечной системы в пять-десять раз, даже если лазерные системы будут относительно небольшими и легкими. Более масштабные версии этих систем потенциально могут быть использованы для отправки зондов к ближайшим звездным системам
В настоящее время для ускорения космических аппаратов человечество использует два основных метода: химические ракетные двигатели и ионные двигатели. Химические двигатели нуждаются в большом количестве топлива, что ограничивает их применение в миссиях, требующих умеренных скоростей. Ионные двигатели, в свою очередь, обладают потенциалом для достижения значительно больших скоростей, однако их разгон происходит медленнее.
Еще в 1899 году Петр Лебедев экспериментально показал, что свет может оказывать физическое воздействие на другие тела, не требуя при этом «отдачи» от источника света. В 1908 году выдающийся ученый Сванте Аррениус высказал предположение о том, что споры живых организмов, подверженные световому давлению, способны перемещаться между различными планетными системами. В 1925 году Фридрих Цандер первым предложил использовать давление света от Солнца для осуществления космических перелетов. С появлением лазера в 1960-х годах перспективы создания «фотонного паруса» стали более ясными: лазер позволял сфокусировать интенсивный пучок излучения на небольшой площади «фотонного паруса» космического аппарата. Некоторые исследователи заявили о возможности отправки зондов к ближайшим звездам, используя орбитальные лазеры, расположенные на околоземной орбите, для их разгона.
Авторы новой работы, препринт которой выложен на arXiv.org, предложили посмотреть на возможности «лазерного паруса» под слегка иным углом. Они отмечают, что практически все предлагавшиеся ранее зонды такого рода имеют большую проектную массу и предназначены для межзвездных дистанций. Это требует создания на орбите Земли крупной группировки синхронно действующих лазером с мощностями от десятка мегаватт до 100 гигаватт (проект Starshot). По мощности и стоимости такие системы близки к комплексам противоастероидной (или противоракетной) обороны, что делает их довольно дорогими.
Ученые разработали идею создания чрезвычайно миниатюрных «зондов на чипе» — это пластины из нитрида кремния, оснащенные микросхемами для сбора оптических данных и их передачи на Землю. Энергоснабжение «зонда на чипе» будет осуществляться тем же лазерным лучом, который приводит его в движение: часть кремниевой пластины будет выполнять функцию фотоэлемента, преобразуя световую энергию в электричество. Диаметр такой пластины-зонда составит приблизительно 10 сантиметров, а вес – не более 100 граммов. Благодаря этому зонд сможет проводить наблюдения как в оптическом, так и в инфракрасном диапазоне.
За счёт своей высокой компактности его можно будет ускорять до десятков и сотен километров в секунду при помощи относительно немощных лазеров — от 100 киловатт (для миссий поблизости) до 10 мегаватт (для полётов к Плутону и в пояс Койпера). Как справедливо подчёркивают авторы работы, лазеры такой мощности уже способны выводиться на орбиту и по вполне доступным ценам. Сегодняшняя мощность солнечных батарей МКС превышает 100 киловатт — значит, с энергетической точки зрения, обеспечение работы такого «лазерного паруса» не представляет собой сложную задачу.
Благодаря этому, он станет очень быстрым инструментом для исследований. Полет к Марсу займет у него всего 20 дней, к Юпитеру — 120 дней, а к Плутону — менее трех лет. Для сравнения, зонд New Horizons преодолевал путь к Плутону за девять лет. Лазерный парус на данный момент является лишь средством разгона, активно замедлять «зонды на чипе» не получится. Но и New Horizons не мог активно тормозить — его исследование удаленных объектов Солнечной системы осуществлялось «на лету».
Изучение транcплутоновых объектов, таких как Макемаке, Орка, Эрида и другие карликовые планеты, которые пока что остаются практически недоступными для подробных исследований, станет еще более перспективным при использовании зондов с лазерным парусом. Эти объекты могут представлять значительный интерес: например, Эрида массивнее Плутона. Следовательно, как и Плутон, она может обладать не полностью замерзшим подводным океаном — и, возможно, даже потенциалом для существования жизни.