На протяжении поколений люди мечтали о путешествии в другие звездные системы и ступлении на чужие миры. Мягко говоря, освоение межзвездного пространства — весьма непростая задача. Как мы выяснили в предыдущем посте, космическому кораблю потребуется от 1000 до 81 000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра с использованием обычных двигателей (или тех, которые возможны с использованием современных технологий). Вдобавок ко всему, путешествие через межзвездную среду (МЗС) сопряжено с многочисленными рисками, не все из которых до конца понятны.
В сложившихся обстоятельствах космические корабли размером в грамм, использующие двигательную установку направленной энергии (так называемые лазеры), кажутся единственным жизнеспособным вариантом достижения соседних звезд в этом столетии. Среди предлагаемых концепций — Swarming Proxima Centauri, совместная работа Space Initiatives Inc. и Инициативы межзвездных исследований (i4is), возглавляемой главным ученым Space Initiative Маршаллом Юбэнксом. Эта концепция недавно была выбрана для фазы I разработки в рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) этого года.
По словам Юбэнкса, путешествие в межзвездном пространстве — это вопрос расстояния, энергии и скорости. На расстоянии 4,25 световых лет (40 триллионов км; 25 триллионов миль) от Солнечной системы даже Проксима Центавра находится непостижимо далеко. Для сравнения: рекорд самого дальнего расстояния, когда-либо пройденного космическим кораблем, принадлежит Вояджер-1 космический зонд, который в настоящее время находится на расстоянии более 24 миллиардов километров (15 миллиардов миль) от Земли. Используя традиционные методы, зонд достиг максимальной скорости 61 500 км/ч (38 215 миль в час) и путешествовал более 46 лет подряд.
Короче говоря, путешествие со скоростью, меньшей релятивистской (доля скорости света), сделает межзвездные транзиты невероятно долгими и совершенно непрактичными. Учитывая энергетические потребности, которые это требует, вполне осуществимо что-либо иное, кроме небольшого космического корабля с максимальной массой в несколько граммов. Как рассказал Юбэнкс Universe Today по электронной почте:
«Конечно, ракеты — распространенный способ двигаться быстро. Ракеты работают, выбрасывая «вещество» (обычно горячий газ) назад, при этом импульс вещества, идущего назад, равен импульсу увеличения скорости транспортного средства в прямом направлении. Суть ракетной техники в том, что она действительно эффективна только в том случае, если скорость объекта, движущегося назад, сопоставима со скоростью, которую вы хотите получить, двигаясь вперед. Если это не так, если он намного меньше, вы просто не сможете нести достаточно вещей, чтобы достичь желаемой скорости.
«Проблема в том, что у нас нет технологии — нет источника энергии, — который позволил бы нам выбрасывать много вещей со скоростью около 60 000 км/сек, и поэтому ракеты не будут работать. Антивещество вполне могло бы сделать это возможным, но мы просто недостаточно хорошо понимаем антивещество – и не можем сделать из него достаточно – чтобы найти решение, вероятно, на многие десятилетия вперед».
Напротив, такие концепции, как Breakthrough Starshot и Proxima Swarm, заключаются в «перевороте ракеты», то есть вместо того, чтобы выбрасывать предметы, они бросаются в космический корабль. Вместо тяжелого топлива, которое составляет большинство обычных ракет, источником энергии для светового паруса являются фотографии (которые не имеют массы и движутся со скоростью света). Но, как отметил Юбэнкс, это не решает проблему энергии, поэтому еще более важно, чтобы космический корабль был как можно меньше.
«Таким образом, отскок фотонов от лазерного паруса решает проблему скорости вещества», — сказал он. «Но беда в том, что у фотона не так много импульса, поэтому нам нужен много из них. А учитывая мощность, которой мы, вероятно, располагаем, даже через пару десятилетий тяга будет слабой, поэтому масса зондов должна быть очень маленькой – граммы, а не тонны».
Их предложение предусматривает создание лазерного луча мощностью 100 гигаватт (ГВт), который разгонит тысячи космических зондов размером в грамм с лазерными парусами до релятивистской скорости (~ 10-20% световой). Они также предложили серию наземных легких ведер размером в квадратный километр (0,386 мили).2) в диаметре, чтобы улавливать световые сигналы от зондов, когда они будут на пути к Проксиме Центавра (и связь станет более сложной). По их оценкам, эта концепция миссии может быть готова к разработке примерно в середине века и может достичь Проксимы Центавра и ее похожей на Землю экзопланеты (Проксима b) к третьей четверти этого века (2075 год или позже).
В предыдущей статье Юбэнкс и его коллеги продемонстрировали, как флот из тысячи космических кораблей может преодолеть трудности, связанные с межзвездными путешествиями и поддержанием связи с Землей посредством динамики роя. «Увеличив площадь сбора до выполнимого 1 км2 а если множество зондов координируют их отправку, мы сможем получить разумную (хотя и меньшую) скорость передачи данных», — добавил он. Однако восьмилетняя задержка связи туда и обратно, вызванная межзвездными расстояниями и общей теорией относительности, делает невозможным дистанционное управление зондами с Земли.
Таким образом, рой должен обладать исключительной степенью автономии, когда дело доходит до навигации (координации тысячи зондов) и принятия решения о том, какие данные будут возвращены на Землю. Хотя эти стратегии касаются расстояния, энергии и скорости (по крайней мере, на данный момент), все еще остается вопрос о том, сколько будет стоить создание роя и связанной с ним инфраструктуры. Самой большой статьей затрат будет сама лазерная установка, тогда как производство граммового корабля будет достаточно дешевым. Как Юбэнкс рассказал Universe Today в предыдущей статье, их предложение может быть разработано при бюджете в 100 миллиардов долларов.
Но, как подчеркивал Юбэнкс (тогда и сейчас), преимуществ от архитектуры миссии, которую они себе представляли, масса, а выгода от отправки роя зондов на Проксиму Центавра будет астрономической:
«Простой факт заключается в том, что в стоимости межзвездной миссии с лазерным двигателем, с легкими зондами и огромной лазерной системой для доставки их к звездам, будут преобладать капитальные затраты – стоимость лазерной системы. По сравнению с этим сами зонды будут довольно дешевыми. Итак, если вы можете отправить один, вам следует отправить лоты. Очевидно, что отправка большого количества зондов дает преимущество избыточности. Космические путешествия рискованны, а межзвездные путешествия, вероятно, будут особенно рискованными, поэтому, если мы отправим много зондов, мы сможем стерпеть высокий уровень потерь. Но мы можем сделать гораздо больше».
«Мы хотим искать признаки биологии и даже технологий, поэтому было бы хорошо провести зонды очень близко к планете, чтобы получить хорошие снимки и спектры поверхности и атмосферы. Это будет сложно для одного зонда, поскольку мы не очень хорошо знаем, где будет находиться планета через 24 с лишним года в будущем. Отправив несколько зондов, по крайней мере, некоторые из них должны приблизиться к планете, предоставив нам желаемый вид крупным планом».
Кроме того, Юбэнкс и его коллеги надеются, что разработка слаженного роя роботизированных зондов найдет применение ближе к дому. Роевая робототехника сегодня является горячей областью исследований и исследуется как возможное средство исследования внутреннего океана Европы, рытья подземных городов на Марсе, сборки крупных конструкций в космосе и обеспечения отслеживания экстремальных погодных условий с орбиты Земли. Помимо исследования космоса и наблюдения Земли, роевая робототехника также находит применение в медицине, аддитивном производстве, экологических исследованиях, глобальном позиционировании и навигации, поиске и спасании и многом другом.
Хотя может пройти много десятилетий, прежде чем межзвездная миссия будет готова отправиться к Альфе Центавра, Юбэнкс и его коллеги гордятся тем, что оказались в числе кандидатов НАСА для участия в программе NIAC 2024 года. Для них исследование заняло много лет, но они ближе к реализации, чем когда-либо. «Прошло много времени – почти десятилетие – и для нас большая честь быть выбранными», – сказал Юбэнкс. «Теперь начинается настоящая работа».
Дополнительная литература: НАСА
