Сонячне вітрило: рушійна сила світла

Понад 5000 років тому винахід вітрила у Стародавньому Єгипті повністю змінив історію мореплавання. Сила вітру, яка приводила перші вітрильні судна в рух, дозволяла давнім мореплавцям здійснювати неможливі досі за дальністю морські переходи. На зорі століття космічної ери до вітрильної технології вирішили вдатися ще раз, однак тепер для організації орбітального, а у віддаленій перспективі — і міжзоряного руху.

Основні принципи фотонного прискорення

Принцип дії сонячного вітрила (його називають ще фотонне вітрило) заснований на поширенні сонячного світла у просторі. Як ми знаємо, світло складається з фотонів, які самі собою позбавлені маси. Утім, рухаючись через простір, фотони несуть імпульс. Саме цей фотонний імпульс і передається відбивальній поверхні сонячного вітрила в момент попадання на нього світла.

Сам по собі імпульс, який несуть у собі фотони, досить слабкий, проте тут сонячному вітрилу стають у пригоді умови середовища, в якому воно здійснює рух. Космічний вакуум має нульовий опір, внаслідок чого навіть слабка сила світла здатна визначити космічному апарату потрібний вектор прискорення. До того ж прискорення космічного корабля, обладнаного сонячним вітрилом, постійно збільшуватиметься під впливом сонячного світла. Це означає, що оснащені сонячним вітрилом апарати можуть досягати швидкостей, не підвладних сьогоднішній ракетній техніці, що працює на хімічному паливі, водночас використовуючи для своїх цілей повністю відновлюване джерело енергії.

Варто зазначити, що сонячні вітрила не рухаються виключно прямо, і тільки за траєкторією руху сонячного світла. За рахунок зміни кута нахилу вітрила або усунення центру мас космічного апарата вони здатні змінювати напрямок його руху. За цей процес відповідає активна система управління орієнтацією (ACS), яка розміщується на космічному кораблі і допомагає повільно коригувати нахил сонячного вітрила залежно від його орбітальної траєкторії. Для утримання постійного положення космічного апарата ACS повинна забезпечити йому чистий нульовий крутний момент.

Крім АСS, змінити положення апарата можна у тому випадку, якщо сонячне вітрило зроблене у вигляді лопатей, що повертаються (такі як експериментальний зразок — “Знамя-2”, який виконував експеримент з відображення концентрованого сонячного випромінювання на Землю).

Конструктивні особливості сонячних вітрил

Для забезпечення належного прискорення сонячне вітрило має бути із надлегких матеріалів. На сьогодні найоптимальнішими рішеннями є виготовлення їх із майлару (BoPET від Biaxially-oriented polyethylene terephthalate) та полііміду (PI). Важливе й нанесення на ці матеріали покриття (часто з алюмінію та його сплавів), яке перешкоджатиме проходженню фотонів крізь вітрило, оскільки цей процес може призвести до втрати космічним апаратом свого прискорення.

Ще одним показником, що безпосередньо впливає на швидкість, яку може розвинути сонячне вітрило, є розміри і товщина його відбивального покриття. Мінімальної межі тут не існує, та що меншим за площею воно буде, то більше часу знадобиться вітрилу на розвиток швидкостей, необхідних для космічних подорожей. Важливим є й грамотно вивірене співвідношення маси космічного апарата з площею його сонячного вітрила. Тому для досягнення оптимальних характеристик швидкості, яку може розвинути фотонне вітрило, інженери або збільшують площу поверхні вітрила, що відбиває, або намагаються зменшити масу космічного апарата, до якого воно буде прикріплене.

Прискорення космічного корабля, оснащеного фотонним вітрилом, також залежить від рівня інтенсивності світлового випромінювання Сонця. У внутрішніх межах Сонячної системи (аж до орбітальної траєкторії Юпітера) сонячного світла буде достатньо для того, щоб апарат розвивав своє прискорення за відносно малий проміжок часу. Втім, що далі від нього буде наша зоря, то більшатиме втрата прискорення.

Цю проблему можливо усунути гібридними рішеннями, а саме винаходом лазерної установки, здатної генерувати потужний пучок лазера і спрямовувати його на відбивальну поверхню вітрила. Її наявність гарантувала б космічному апарату збереження прискорення у разі зменшення інтенсивності сонячного випромінювання, але на даний момент технологія все ще залишається нереалізованою. Подібні лазерні установки можуть суттєво розширити сферу застосування сонячних вітрил, а в майбутньому навіть дозволять направити космічні апарати з фотонними вітрилами до найближчих до Сонця зір.

Від ідеї до першої спроби реалізації

Концепцію переміщення об’єктів за допомогою сили сонячного вітру вперше сформулював Йоганн Кеплер у своєму листі до Галілео Галілея, датованому 1610 роком. Зокрема, Кеплер писав своєму колезі: “Уявіть кораблі або вітрила, пристосовані до небесного вітру, і знайдуться ті, хто кине виклик навіть цій порожнечі”. Пізніше Джеймс Максвелл, котрий довів своїми рівняннями той факт, що світло має імпульс, здатний чинити тиск на об’єкти, побічно підтвердив можливість появи сонячного вітрила в майбутньому.

Перший технічний аналіз можливості сонячного плавання був сформульований балтійським німцем Георгом Цандером. У своїй праці від 1925 року, що отримала назву “Проблеми польотів із реактивним двигуном: міжпланетні польоти”, вчений розглядав можливості технічної реалізації сонячних вітрил, які могли б відображати сонячне світло за допомогою системи ультратонких дзеркал.

Однак минуло понад 50 років, перш ніж людство від ідеї пересування за допомогою сонячного світла перейшло до перших спроб її реалізації. За відповідну розробку 1976 року взялася американська компанія Jet Propulsion Laboratory (JPL). Ідея JPL була більш ніж амбітною — зонд, оснащений сонячним вітрилом (розміри якого становили б 850х850 м), мав вирушити до комети Галлея і наблизитися до неї у березні 1986 року. Після зближення передбачалося, що космічний апарат від’єднає свої вітрила, і скориставшись реактивними двигунами, здійснить посадку на комету Галлея.

Як альтернативу гігантському сонячному вітрилу в JPL розглядали й інший варіант — сонячне вітрило з 12 лопатей, яке отримало назву геліогір. Кожна з 12 лопатей геліогіра мала досягати 8 м завширшки і 6,2 км завдовжки. Передбачалося, що загальна площа відбивального покриття сонячного вітрила, розроблюваного JPL, становитиме 0,6 млн кв. м. Повний оберт лопатей здійснювався би що три хвилини. Саме на цьому рішенні і зупинилися фахівці JPL 1977 року, далі почалася кропітка робота над реалізацією перших робочих прототипів.

На жаль, коли перші креслення робочого геліогіра вже лежали на столі, у NASA почалися серйозні проблеми з фінансуванням. Унаслідок скорочення бюджетів, з одного боку, і поспіху з термінами реалізації проєкту — з іншого, сонячне вітрило вирішили замінити на ракетний SEP-двигун, що створював тягу за допомогою відділення електронів з інертного газу ксенону. Проте брак фінансування зробив свою справу, і шатл NASA, який мав вивести космічний апарат на зустріч із кометою, так і не стартував у визначений термін. З мріями про перший робочий прототип космічного корабля, який рухало б сонячне світло, довелося розпрощатися аж до 2010 року.

Масивний IKAROS та надлегкий LightSail

Перший робочий зразок сонячного вітрила з’явився в Японії. За його розробку відповідало японське космічне агентство JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency). Вітрило розмістили на космічному апараті IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), який був запущений у травні 2010 року на борту японської ракети Н-2. Після відстикування від своєї ракети-носія він успішно розгорнув своє відбивальне полотно 14 червня того ж року.Товщина сонячного вітрила IKAROS становила лише 7,5 мкм, а саме покриття було виготовлене з поліамідної плівки. Для вивільнення вітрила розмірами 14х14 м IKAROS використовував інноваційну технологію обертання, і зі швидкістю 20-25 обертів на хвилину повільно вивільнив полотно завдяки чотирьом обтяженим наконечникам. Під час цієї процедури вітрило набуло хрестоподібної форми, потім розправило мембрану свого відбивального полотна на кшталт космічного повітряного змія. У липні 2010 року на сонячне вітрило почали надходити перші фотони, внаслідок чого апарат поступово набирав прискорення та досяг максимального показника своєї швидкості, який становив 1410 км/год.

Фотонне вітрило IKAROS також мало набір сонячних батарей, щоб акумулювати сонячну енергію для забезпечення автономної роботи систем радіо та телеметрії космічного зонда. Під час місії IKAROS японськими фахівцями було проведено низку операцій із контролю орієнтації космічного апарата. Зокрема, інженери JAXA виявили, що можуть контролювати орієнтацію апарата за допомогою системи рідкокристалічних панелей, встановлених на краях вітрила.

Космічні випробування першої робочої версії сонячного вітрила IKAROS добігли кінця в грудні 2010 року і впевнено ознаменували старт нової ери космічних супутників і кубсатів, що рухаються силою сонячного світла. Одного з найбільших успіхів на цьому напрямку вдалося досягти Planetary Society, яка 2015 року запустила перший кубсат, оснащений сонячним вітрилом LightSail, щоб продемонструвати можливість виведення на навколоземну орбіту наносупутників на фотонній тязі.

LightSail був в 60 разів легший за IKAROS (5 кг порівняно з 315 кг), проте розміри його сонячного вітрила були менші лише в шість разів. Завдяки своїй низькій масі початкова польотна швидкість LightSail склала всього 0,058 мм/с², але за місяць постійного впливу сонячного світла накопичувальний ефект прискорення збільшився, довівши льотну швидкість LightSail до 549 км/год.

У 2019 році Planetary Society повторила свій експеримент, запустивши другу версію сонячного вітрила, яка отримала назву LightSail 2. Кубсат із сонячним вітрилом був запущений 25 червня 2019 року за допомогою надважкої ракети-носія Falcon Heavy від SpaceX в межах програми STP-2. Вже 23 липня апарат зміг успішно розгорнути своє вітрило, а через день — відправити перші фотографії зі своїх бортових камер на Землю (наведені вище).

LightSail 2 був практично ідентичний №1, за винятком кількох відмінностей порівняно із попередньою версією апарата. Так, LightSail 2 призначався для польоту за більш вищою орбітальною траєкторією. Другий номер також забезпечили інерційним колесом, яке допомагало апарату здійснювати повороти на 90° і робити повні оберти навколо своєї осі, для того щоб набути прискорення за рахунок сонячного світла і з кожним витком навколо Землі збільшувати висоту своєї орбіти. Крім цього, було вдосконалено і програмне забезпечення, що відповідає за контроль та просторову орієнтацію LightSail 2.

Запуски LightSail 1 та пізніше LightSail 2 продемонстрували можливість використання сонячного світла для маневрування орбітальних угруповань мікросупутників (кубсатів), не вдаючись до використання ракетних двигунів і палива, а спираючись тільки на основи фізики фотонів.

Технологія надала нові можливості для управління кубсатами, разом з якими суттєво розширилася і сфера їхнього застосування. Передбачається, що в майбутньому дані космічні апарати використовуватимуть для моніторингових місій з вивчення Сонця та його активності, а можливість виведення супутників на нестабільні для ракетних двигунів орбіти відкриває дорогу до нових методів вивчення полярних полюсів Землі.

Переваги, недоліки та майбутнє технології

Основною перевагою сонячних вітрил є відсутність ракетно-рухової установки та запасу палива до неї. Отже, цю масу можна буде замінити іншим корисним навантаженням (науково-дослідне обладнання, запаси повітря та провізії для астронавтів). Наявність постійного джерела світла, що приводить сонячне вітрило в рух, створює рівноважну силу, завдяки якій апарати, оснащені фотонними вітрилами, можуть вийти на нестабільні для звичайної ракетної техніки орбіти, що означає більш широкий спектр застосування подібних космічних апаратів.

Поряд з безперечними перевагами технологія сонячного вітрила має і свої недоліки, головним з яких є висока вразливість сонячного вітрила до дрібних метеоритів, що можуть пошкодити ультратонку тканину відбивального матеріалу. Однак і в цьому випадку є свої інженерні рішення для мінімізації негативного впливу від можливих зіткнень. Зокрема, більшість сучасних сонячних вітрил армуються вуглецевим волокном, щоби зберегти цілісність відбивального полотна у разі його зіткнення з космічними мандрівниками.

Майбутнє технології сонячного вітрила сьогодні більше нагадує сюжет фантастичних фільмів, проте розробки надшвидкісних наносупутників, обладнаних сонячними вітрилами, більш ніж реальні. Так, 2016 року група Breakthrough Initiatives заявила про старт краудфандингової платформи, головною метою якої стануть дослідження можливості запуску до найближчої до нас зоряної системи, Альфа Центавра, наносупутника вагою 1 г, рухомого силою фотонного вітрила та лазерної установки, яка забезпечить збереження його прискорення по мірі віддалення від Сонця.

Передбачається, що наносупутник, оснащений подібним двигуном, може розвинути до 20% швидкості світла (≈60 000 км/с) і досягти найближчої до Сонця зорі за період у 20 років (для порівняння, зоря розташована за 4.367 світлових років від Сонця, і для досягнення її сьогоднішнім двигунам на паливній тязі знадобилося б ≈6300 років). Наразі таке інженерне завдання має монументальний вигляд, оскільки в даний час максимум швидкості, яку здатен розвинути космічний корабель із сонячними вітрилами, становить ≈0,05% від швидкості світла (при масі космічного апарата 10 кг і загальній площі відбивального вітрила 1 кв. км). Утім, аби остаточно підтвердити (або спростувати) гіпотези, що висуваються Breakthrough Initiatives, спочатку необхідно провести кілька теоретичних та експериментальних досліджень.

Незалежно від того, чи стане амбіція Breakthrough Initiatives реальністю, фотонне вітрило вже дало старт розробці ракетних двигунів нового покоління. Принцип передачі фотонного імпульсу, на якому воно працює, вже зараз ліг в основу фотонних двигунів та ракет, що розробляються. Швидкість світла надає людству унікальну можливість для організації надшвидкісних міжзоряних подорожей у майбутньому, і сьогодні саме сонячне вітрило стоїть біля витоків цих фундаментальних відкриттів.