Новый солнечный парус оказался невероятно тонким: его толщина сопоставима с размером ладони.

Новости МирТесен

В ближайшие десятилетия инженеры планируют запустить к системе альфа Центавра небольшие межзвездные космические зонды, оснащенные световыми парусами. Для создания движущей силы этих парусов предполагается использовать давление солнечного света или воздействие лазера на их зеркальную поверхность. В настоящее время полноценный и работоспособный прототип еще не создан, что приостановило реализацию проекта по отправке космического флота. Тем не менее, группа нидерландских исследователей сообщила о разработке миниатюрного светового паруса, который, как утверждают инженеры, позволит людям достичь звезд гораздо быстрее, чем ожидалось.

В 1970-е годы американский физик и фантаст Роберт Форвард (Robert Forward) выдвинул любопытную идею. Ученый предположил, что заветную мечту человечества о покорении ближайших звезд (исключительно с использованием техники, без участия человека) можно реализовать, разработав аппарат, который будет приводиться в действие мощнейшим лазерным лучом. По мнению Форварда, этот аппарат должен быть компактным и состоять из светового паруса, на это излучение воздействовало бы, обеспечивая таким образом перемещение зонда в космическом пространстве.

Роберт Форвард не был первопроходцем в данной сфере. Ранее, в 1920-е годы, аналогичную концепцию предложил советский изобретатель Фридрих Цандер. Вместо лазерного излучения он предложил использовать давление, создаваемое солнечным светом. Ученый полагал, что фотоны, составляющие солнечный свет, обладают импульсом и способны передавать его любой поверхности, вызывая давление, которое и приводит в движение зонд.

Идеи, связанные с Форвардом и Цандером, не нашли своего применения на практике. Ни один космический аппарат не применял солнечный парус в качестве основного источника тяги (кроме нескольких демонстрационных и экспериментальных разработок, в том числе LightSail 2 и IKAROS). Основной фактор, обусловивший ситуацию, – технические ограничения и дефицит требуемых технологий. Тем не менее, подобные сложности свойственны прошлому веку.

В 2016 году на пресс-конференции в Нью-Йорке российский миллиардер Юрий Мильнер и астрофизик Стивен Хокинг представили проект Breakthrough Starshot (как часть программы The Breakthrough Initiatives) в связи с разработкой проекта по отправке межзвездного космического флота, использующего световые паруса, к ближайшей звездной системе — альфе Центавра.

Ученые предполагают, что эти космические аппараты смогут достичь альфы Центавра, находящейся на расстоянии 4,37 световых лет от Земли, развив скорость до 20 процентов от скорости света. В этом случае полет займет около 20 лет, а еще примерно пять лет потребуются для передачи на Землю сообщение об успешном прибытии. Главная задача проекта – не само путешествие и получение данных, а демонстрация технической возможности его осуществления.

Проект StarShot предусматривает вывод на высокую эллиптическую орбиту около тысячи миниатюрных космических аппаратов с помощью базовой космической станции, после чего они будут запускаться последовательно. Каждый микрозонд должен оснащаться солнечным парусом площадью приблизительно 10 квадратных метров, толщиной около 100 нанометров и массой менее одного грамма. Эти паруса должны обладать высокой отражающей способностью для широкого спектра световых частот, однако материал, способный обеспечить такие характеристики, пока не разработан.

Тем не менее, похоже, что решение этой задачи было найдено группой нидерландских инженеров, работавших под руководством Ричарда Норта ( Richard Norte) из Делфтского технического университета. Специалисты создали световой парус, используя пластину нитрида кремния. Подробности этой разработки представлены в научной статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv.

Размер прототипа составляет около 36 квадратных сантиметров, что сопоставимо с площадью человеческой ладони. Его вес измеряется несколькими микрограммами, как вес песчинки, а толщина – всего 200 нанометров, что в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса.

Разработанный нидерландскими инженерами прототип значительно уступает по размеру парусу, который потребуется для реализации проекта Breakthrough Starshot. В ходе испытаний прототипа специалисты оценили характеристики отражающего покрытия и подтвердили работоспособность используемого метода производства.

«Наш парус обладает требуемой отражающей способностью. Помимо этого, нам удалось сократить время изготовления одного паруса с 15 лет до одного дня и существенно снизить затраты на его производство. Парус Мильнера и Хокинга, предназначенный для их миссии, стоит около трех тысяч долларов, наш же имеет значительно меньшую цену», — пояснил Норт.

Команда Норта использует для изготовления солнечных парусов технологию, применяемую при производстве полупроводниковых пластин, предназначенных для микросхем. На предприятиях, где выпускаются эти схемы, оборудование рассчитано на создание 400-миллиметровых пластин, что существенно превышает размеры самого паруса. Поэтому, как утверждают авторы недавней публикации, для организации серийного производства солнечных парусов требуется разработка специализированного оборудования, позволяющего работать с пластинами меньшего размера.

В случае, если Норту и его команде удастся разрабатывать солнечные паруса оперативно и по доступной цене, это станет ключевым фактором для успешной реализации проектов, таких как Breakthrough Starshot. Однако, при этом другие технические задачи никуда не исчезнут. Так, остается открытым вопрос о том, как исследователи будут координировать действия большого количества легких микрозондов.

Несмотря на то, что разработка нидерландских инженеров может не найти применение в миссиях к альфе Центавра, она может оказаться полезной для других космических аппаратов или проектов, например, для создания систем сбора солнечной энергии в космическом пространстве.