Солнечный парус: движущая сила света

Свыше 5000 лет назад изобретение паруса в Древнем Египте полностью изменило историю мореплавания. Сила ветра, приводившая первые парусные суда в движение, позволяла древним мореплавателям совершать невозможные доселе по дальности морские переходы. На заре века космической эры к парусной технологии решили прибегнуть еще раз, однако теперь для организации орбитального, а в отдаленной перспективе — и межзвездного движения.

Основные принципы фотонного ускорения

Принцип действия солнечного паруса (еще его называют фотонный парус) основан на распространении солнечного света в пространстве. Как мы знаем, свет состоит из фотонов, которые сами по себе лишены массы. Но при движении через пространство фотоны несут в себе импульс. Именно этот фотонный импульс и передается отражающей поверхности солнечного паруса в момент попадания на него света.

Сам по себе импульс, который несут в себе фотоны, довольно слабый, но тут солнечному парусу приходят на помощь условия среды, в которой он совершает движение. Космический вакуум обладает нулевым сопротивлением, в результате чего даже слабая сила света способна задать космическому аппарату нужный вектор ускорения. К тому же ускорение космического корабля, оборудованного солнечным парусом, будет постоянно увеличиваться по мере воздействия на него солнечного света. Это означает, что аппараты, оснащенные солнечным парусом, могут достигать скоростей, неподвластных сегодняшней ракетной технике, работающей на химическом топливе, при этом используя для своих целей полностью возобновляемый источник энергии.

Стоит отметить, что солнечные паруса не двигаются исключительно по прямой, и только по траектории движения солнечного света. За счет изменения угла наклона паруса или смещения центра масс космического аппарата они способны изменять направление его движения. За этот процесс отвечает активная система управления ориентацией (ACS), которая размещается на космическом корабле и помогает медленно корректировать наклон солнечного паруса в зависимости от его орбитальной траектории. Для удержания постоянного положения космического аппарата ACS должна обеспечить ему нулевой чистый крутящий момент.

Помимо АСS, изменение положения аппарата может быть достигнуто в том случае, если солнечный парус имеет вид поворачивающихся лопастей (такие как экспериментальный образец — «Знамя-2», который выполнял эксперимент по отражению концентрированного солнечного излучения на Землю).

Конструктивные особенности солнечных парусов

Для обеспечения должного ускорения солнечному парусу следовало быть из сверхлегких материалов. На сегодняшний день самые оптимальные решения — изготовление их из майлара (BoPET от Biaxially-oriented polyethylene terephthalate) и полиимида (PI). Важно и нанесение на эти материалы отражающего покрытия (зачастую из алюминия и его сплавов), которое будет препятствовать прохождению фотонов сквозь парус, так как этот процесс может привести к потере космическим аппаратом своего ускорения.

Еще одним показателем, напрямую влияющим на скорость, которую может развить солнечный парус, являются размеры и толщина отражающего покрытия. Минимального предела здесь не существует, однако чем меньшим по площади оно будет, тем больше времени уйдет у паруса на развитие скоростей, необходимых для космических путешествий. Важно и грамотно выверенное соотношение массы космического аппарата с площадью его солнечного паруса. Поэтому для достижения оптимальных характеристик скорости, которую может развить фотонный парус, инженеры либо увеличивают площадь его отражающей поверхности, либо стараются уменьшить массу космического аппарата, к которому он будет прикреплен.

Ускорение космического корабля, оснащенного фотонным парусом, зависит и от степени интенсивности светового излучения Солнца. Во внутренних границах Солнечной системы (вплоть до орбитальной траектории Юпитера) солнечного света будет достаточно, для того чтобы аппарат развивал свое ускорение за относительно малый промежуток времени. Впрочем, чем дальше от него будет наша звезда, тем большей будет потеря ускорения.

Данную проблему возможно устранить гибридными решениями, а именно изобретением лазерной установки, способной генерировать мощный пучок лазера и направлять его на отражающую поверхность паруса. Ее наличие гарантировало бы космическому аппарату сохранение ускорения в случае уменьшения интенсивности солнечного излучения, однако на данный момент технология все еще остается сложно реализуемой. Подобные лазерные установки могут существенно расширить область применения солнечных парусов, а в будущем даже позволят направить космические аппараты с фотонными парусами к ближайшим к Солнцу звездам.

От идеи к первой попытке реализации

Концепция перемещения объектов посредством силы солнечного ветра впервые сформулирована Иоганном Кеплером в его письме к Галилео Галилею, датированном 1610 годом. В частности, Кеплер писал своему коллеге: «Представьте корабли или паруса, приспособленные к небесному ветру, и найдутся те, кто бросит вызов даже этой пустоте». Позднее Джеймс Максвелл, доказав своими уравнениями тот факт, что свет обладает импульсом, который может оказывать давление на объекты, косвенно подтвердил возможность появления солнечного паруса в будущем.

Первый же технический анализ возможности солнечного плавания был сформулирован балтийским немцем Георгом Цандером. В своем труде от 1925 года, получившем название «Проблемы полетов с реактивным двигателем: межпланетные полеты», ученый рассматривал возможности технической реализации солнечных парусов, которые могли бы отражать солнечное свечение с помощью системы ультратонких зеркал.

Однако прошло более 50 лет, прежде чем человечество от идеи передвижения при помощи солнечного света приступило к первым попыткам ее реализации. Соответствующей разработкой в 1976 году занялась американская компания Jet Propulsion Laboratory (JPL). Идея JPL была более чем амбициозная — зонд, оснащенный солнечным парусом (предполагаемые размеры которого — 850х850 м), должен был отправиться к комете Галлея и приблизиться к ней в марте 1986 года. Планировалось, что после сближения космический аппарат отсоединит паруса и на своих реактивных двигателях совершит посадку на комету Галлея.

В качестве альтернативы гигантскому солнечному парусу в JPL рассматривали и другой вариант — солнечный парус, выполненный в виде 12 лопастей, который получил название гелиогир. Каждая из 12 лопастей гелиогира должна была достигать 8 м в ширину и 6,2 км в длину. Предполагалось, что общая площадь отражающего покрытия солнечного паруса, разрабатываемого JPL, составит 0,6 млн кв. м. Полный оборот лопастей осуществлялся бы каждые три минуты. Именно на этом решении и остановились специалисты JPL в 1977 году, далее началась кропотливая работа над реализацией первых рабочих прототипов.

К сожалению, когда первые чертежи рабочего гелиогира уже лежали на столе, NASA начало испытывать серьезные проблемы с финансированием. В результате урезания бюджетов, с одной стороны, и спешки в сроках реализации проекта — с другой, солнечный парус решили заменить ракетным SEP-двигателем, создающим тягу посредством отделения электронов из инертного газа ксенона. Впрочем, нехватка финансирования сделала свое дело, и шаттл NASA, который должен был вывести космический аппарат на встречу с кометой, так и не стартовал в назначенный срок. С мечтами о первом рабочем прототипе космического корабля, движимого солнечным светом, пришлось распрощаться вплоть до 2010 года.

Массивный IKAROS и сверхлегкий LightSail 

Первый рабочий прототип солнечного паруса появился в Японии. За его разработку отвечало японское космическое агентство JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Парус разместили на космическом аппарате IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), который был запущен в мае 2010 года на борту японской ракеты Н-2. После отстыковки от своей ракеты-носителя он успешно развернул свое отражающее полотно 14 июня этого же года.

Толщина солнечного паруса IKAROS составила всего 7,5 мкм, а само покрытие было изготовлено из полиамидной пленки. Для высвобождения паруса размерами 14х14 м IKAROS использовал инновационную технологию вращения, и со скоростью 20-25 оборотов в минуту медленно высвободил полотно благодаря четырем утяжеленным наконечникам. Во время этой процедуры парус принял крестообразную форму, затем расправил мембрану своего отражающего полотна наподобие космического воздушного змея. К июлю 2010 года на солнечный парус начали поступать первые фотоны, в результате чего он постепенно набирал ускорение и достиг максимального показателя своей скорости, который составил 1410 км/ч.

Фотонный парус IKAROS обладал и набором солнечных батарей, чтобы аккумулировать солнечную энергию для обеспечения автономной работы систем радио и телеметрии космического зонда. Во время миссии IKAROS японскими специалистами был проведен ряд операций по контролю ориентации космического аппарата. В частности, инженеры JAXA обнаружили, что могут контролировать ориентацию аппарата с помощью системы жидкокристаллических панелей, установленных по краям паруса.

Космические испытания первой рабочей версии солнечного паруса IKAROS подошли к концу в декабре 2010 года и уверенно ознаменовали старт новой эры космических спутников и кубсатов, движимых силой солнечного света. Одного из главных успехов в этом направлении удалось достичь Planetary Society, которая в 2015 году запустила первый кубсат, оснащенный солнечным парусом LightSail, чтобы продемонстрировать возможность вывода на околоземную орбиту наноспутников на фотонной тяге.

LightSail был в 60 раз легче IKAROS (5 кг в сравнении с 315 кг), а размеры его солнечного паруса были всего в шесть раз меньше. Благодаря низкой массе начальная полетная скорость LightSail составила всего 0,058 мм/с², но за месяц постоянного воздействия солнечного света накопительный эффект ускорения увеличился, доведя полетную скорость LightSail до 549 км/ч.

В 2019 году Planetary Society повторили свой эксперимент, запустив вторую версию солнечного паруса, получившую название LightSail 2. Кубсат с солнечным парусом был запущен 25 июня 2019 года при помощи сверхтяжелой ракеты-носителя Falcon Heavy от SpaceX в рамках программы STP-2. Уже 23 июля аппарат смог успешно развернуть свой парус, а день спустя — отправить первые фотографии со своих бортовых камер на Землю (приведены выше).

LightSail 2 был практически идентичен №1, за исключением нескольких отличий в сравнении с более ранней версией аппарата. Так, LightSail 2 предназначался для полета по более высокой орбитальной траектории. Второй номер также снабдили инерционным колесом, помогавшим аппарату совершать повороты на 90° и делать полные обороты вокруг своей оси, чтобы придать ускорение за счет солнечного света и с каждым витком вокруг Земли увеличивать высоту своей орбиты. Помимо этого, было усовершенствовано и программное обеспечение, отвечающее за контроль и пространственную ориентацию LightSail 2.

Запуски LightSail 1 и позднее LightSail 2 продемонстрировали возможность использования солнечного света для маневрирования орбитальных группировок микроспутников (кубсатов), не прибегая к использованию ракетных двигателей и топлива, а отталкиваясь только лишь от основ физики фотонов.

Технология предоставила новые возможности в управлении кубсатами, наряду с которыми существенно расширилась и область их применения. Предполагается, что в будущем данные космические аппараты будут использоваться для мониторинговых миссий по изучению Солнца и его активности, а возможность вывода спутников на нестабильные для ракетных двигателей орбиты откроет дорогу к новым методам изучения полярных полюсов Земли.

Преимущества, недостатки и будущее технологии

Основным преимуществом солнечных парусов является отсутствие ракетно-двигательной установки и запаса топлива к ней. А значит, эта масса может быть заменена другой полезной нагрузкой (научно-исследовательское оборудование, запасы воздуха и провизии для астронавтов). Наличие постоянного источника света, приводящего солнечный парус в движение, создает уравновешивающую силу, благодаря которой аппараты, оснащенные фотонными парусами, могут выйти на нестабильные для обычной ракетной техники орбиты, что в свою очередь означает более широкий спектр применения подобных космических аппаратов.

Наряду с неоспоримыми преимуществами технология солнечного паруса обладает и своими недостатками, главный из которых — высокая уязвимость солнечного паруса к мелким метеоритам, которые могут повредить ультратонкую ткань отражающего материала. Но и в этом случае существуют свои инженерные решения для минимизации негативного влияния возможных столкновений. К примеру, большинство современных солнечных парусов армируются углеродным волокном, чтобы сохранить целостность отражающего полотна в случае его столкновения с космическими странниками.

Будущее технологии солнечного паруса сегодня больше напоминает сюжет фантастических фильмов, впрочем, разработки сверхскоростных наноспутников, оборудованных солнечными парусами, более чем реальны. Так, в 2016 году группа Breakthrough Initiatives заявила о старте краудфандинговой платформы, главной целью которой станут исследования возможности запуска к ближайшей от нас звездной системе, Альфа Центавра, наноспутника весом 1 г, движимого силой фотонного паруса и лазерной установки, которая обеспечит сохранение его ускорения по мере удаления аппарата от Солнца.

Предполагается, что наноспутник, оснащенный подобным двигателем, сможет развить до 20% скорости света (≈60 000 км/с) и достигнуть ближайшей к Солнцу звезды за период в 20 лет (для сравнения, звезда находится в 4,367 световых годах от Солнца, и для достижения ее сегодняшним двигателям на топливной тяге понадобилось бы ≈6300 лет). Сейчас данная инженерная задача выглядит монументальной, поскольку в настоящее время максимум скорости, которую способен развить космический корабль с солнечными парусами, составляет ≈0,05% от скорости света (при массе космического аппарата в 10 кг и общей площади отражающего покрытия паруса в 1 кв. км). Тем не менее, чтобы окончательно подтвердить (или опровергнуть) гипотезы, выдвигаемые Breakthrough Initiatives, сперва необходимо провести несколько теоретических и экспериментальных исследований.

Вне зависимости от того, воплотится ли амбиция Breakthrough Initiatives в реальность, фотонный парус уже дал старт разработке ракетных двигателей нового поколения. Принцип передачи фотонного импульса, на котором он работает, уже сегодня лег в основу разрабатываемых фотонных двигателей и ракет. Скорость света предоставляет человечеству уникальную возможность для организации сверхскоростных межзвездных путешествий в будущем, и сейчас именно солнечный парус стоит у истоков этих фундаментальных открытий.