Схема компонентов предлагаемого фемтомасштабного солнечного паруса. Давление солнечной радиации на парус обеспечит движение космического корабля, а технологии сотового телефона и MEMS обеспечат навигацию, связь и захват изображений. Кредит: Александр Альвара
Спустя почти 70 лет после запуска первого спутника у нас по-прежнему больше вопросов, чем ответов о космосе. Но команда исследователей из Беркли ставит перед собой задачу изменить эту ситуацию, предложив построить парк недорогих автономных космических кораблей, каждый из которых будет весить всего 10 граммов и приводить в движение не что иное, как давление солнечной радиации. Эти миниатюрные солнечные паруса потенциально могли бы посетить тысячи околоземных астероидов и комет, захватывая изображения с высоким разрешением и собирая образцы.
Под руководством Кристофера Пистера, профессора электротехники и компьютерных наук, исследователи стремятся использовать достижения в области микротехнологий, чтобы сделать исследование межпланетного космоса более экономичным и доступным, а также ускорить новые открытия о внутренней части нашей солнечной системы.
Они описывают свою работу — проект Беркли по недорогому межпланетному солнечному парусу (BLISS) — в исследовании, опубликованном в журнале Acta Astronautica.
Проект BLISS объединяет исследователей из Департамента электротехники и компьютерных наук и Департамента машиностроения, а также Центра датчиков и приводов Беркли и Лаборатории космических наук. Их работа основывается на других проектах малых космических аппаратов, включая CubeSat, ChipSats и Breakthrough Starshot Initiative, при этом они стремятся улучшить маневренность солнечного паруса и еще больше снизить затраты на производство за счет использования маломассивной бытовой электроники.
Помимо Пистера, в команду входят ведущий автор и докторант машиностроения Александр Альвара и соавторы Лидия Ли, Эммануэль Син, Натан Ламберт и Эндрю Вестфаль.
В недавнем разговоре Пистер и Альвара поделились с Berkeley Engineering видением этого проекта своей группы.
Ваша последняя статья посвящена флотам небольших солнечных парусов. Какие преимущества имеют солнечные паруса перед другими типами космических кораблей?
Альвара: Солнечные паруса используют нерасходуемую движущую силу. Они приводятся в движение солнечным светом, подобно тому, как парусник приводится в движение ветром. Таким образом, в отличие от других космических кораблей, солнечные паруса могут путешествовать по галактике или, точнее, по нашей солнечной системе, без необходимости нести с собой какое-либо топливо или беспокоиться о дозаправке.
Пистер: Волшебство в том, что свет, хотя и не имеет массы, имеет импульс. Когда свет отражается от зеркала, из-за этого изменения импульса возникает сила. А на парусе площадью в квадратный метр эта сила ничтожна. Это вес песчинки, но вы получаете его бесплатно. И вы получаете это столько, сколько захотите, пока сидите в космосе и на вас падает солнечный свет.
Не могли бы вы рассказать нам о проекте недорогого межпланетного солнечного паруса в Беркли, или BLISS? Каков был зародыш этого проекта и каковы его цели?
Пистер: Это началось несколько лет назад, когда мои друзья обменивались электронными письмами об объекте под названием Оумуамуа, который двигался через нашу Солнечную систему. Некоторые люди говорили, что, возможно, это инопланетный солнечный парус, а потом [physicist] Дик Гарвин разослал статью о солнечных парусах, которую он написал в 1959 году.
Там говорилось, что вы можете использовать это световое давление, чтобы уйти от солнца, и это имеет смысл — свет толкает в этом направлении. Но вы также можете использовать его для перемещения. Это что-то вроде лавирования против ветра в парусном спорте. Свет во многом похож на ветер, и вы можете лавировать, используя давление солнечной радиации.
И вот эта лампочка в моем мозгу загорелась. Вся работа, которую мы делаем в моей группе, сосредоточена на миниатюризации вещей, и я подумал, что мы могли бы миниатюризировать космический корабль с солнечным парусом. Увидев, что можно противостоять давлению света, я понял, что мы можем создать космический корабль. [weighing] 10 грамм с почти всеми готовыми технологиями. И наше последнее исследование доказывает, что это осуществимо.
Наша первоначальная цель проекта BLISS была проста: получить изображения всех околоземных астероидов, начиная с самых больших. Около тысячи околоземных астероидов имеют диаметр более километра. И у нас есть фотографии, обычно нечеткие, штук 10. Нас воодушевила идея о том, что потенциально можно взять камеру iPhone, облететь вокруг одной из этих штук, сделать тысячу цветных фотографий высокого разрешения с очень близкого расстояния, а затем передать эту информацию вниз.
Говоря о миниатюризации, зачем вообще делать солнечные паруса маленькими?
Альвара: Меньший размер позволяет космическому кораблю быть более маневренным. Нам не нужно беспокоиться о короблении паруса, площадь которого составляет всего один квадратный метр. Это огромная проблема для больших солнечных парусов. Представьте себе, что вы отправляете в космос солнечный парус площадью 50 квадратных метров, а затем разворачиваете его компоненты, раскладывая их, как оригами. Он все еще относительно мал по сравнению с другими космическими кораблями, но раскладывающиеся компоненты добавляют веса. И, как упомянул Крис, на ваш парус постоянно воздействует сила песчинки, давление света, поэтому вам нужно, чтобы солнечный парус был близок к этой массе. Вам не нужно что-то огромное, иначе его перемещение займет целую вечность, и им будет труднее маневрировать.
Пистер: Стоимость — еще одно преимущество малого бизнеса. Мы предлагаем начать с 10 граммов для межпланетного космического корабля. Если мы все сделаем правильно, стоимость солнечных парусов составит тысячу долларов или меньше. Затем мы могли бы поместить тысячи этих крошечных космических аппаратов в небольшой корпус размером с небольшой спутник и запустить их в космос.
Альвара: Итак, за стоимость одного запуска мы могли бы отправить тысячи солнечных парусов и выполнить несколько миссий.
Эти космические корабли должны быть высокофункциональными, но при этом легкими. Как они не будут отягощены всеми своими компонентами?
Пистер: Мы используем все технологии, всю миниатюризацию и низкое энергопотребление, которые используются при разработке мобильных телефонов. Но есть также много других инструментов, которые MEMS [microelectromechanical systems] удалось миниатюризировать.
Космический корабль BLISS использует устройство MEMS, называемое червячным двигателем. Что такое червячный двигатель и почему это важно?
Альвара: Вы можете думать о червячном двигателе как о чем-то, что потребляет электричество и превращается в движущуюся силу. Почти как поршень. Мы используем червячный двигатель, чтобы хвататься за предметы, в данном случае за предметы, которые намного больше его самого, и перемещать их вперед и назад.
Пистер: Наш маленький космический корабль имеет сверхлегкое зеркало диаметром примерно полтора метра (возможно, размером с карточный стол), которое соединено с корпусом космического корабля несколькими нитями из углеродного волокна. Червячки продвигаются вдоль этих нитей, натягивая нити и перемещая парус относительно центра масс космического корабля. Оказывается, именно для этого и нужно ориентироваться — как на паруснике. Вы натягиваете стропы и меняете положение паруса в зависимости от ветра, и это влияет на направление.
Как эти космические корабли будут перемещаться по внутренней части Солнечной системы?
Альвара: Большая часть анализа выполняется с использованием так называемого «Затерянного в космосе». [Identification] Алгоритм. Идея состоит в том, что вы наносите на карту звезды, которые видите, а затем сравниваете их с пикселями изображений, которые вы можете получить с бортовой камеры мобильного телефона. Таким образом, мы можем использовать смартфоны для навигации.
В космосе существует множество опасностей, включая ионизирующую радиацию и крупные летающие частицы. Как спроектировать крошечные солнечные паруса, чтобы они могли противостоять этим потенциальным опасностям?
Альвара: Уже проделана большая работа по анализу готовых деталей, которые выдержали космическую радиацию. Чтобы смягчить такие опасности, мы можем либо создать резервирование и добавить несколько компонентов, которые имеют наибольшую вероятность отказа, либо объединить эти космические корабли BLISS в так называемые партнерские созвездия, что, по сути, добавляет нам избыточность.
Не могли бы вы рассказать нам о концептуальных миссиях, которые вы предложили для космического корабля BLISS? Сколько времени потребуется на выполнение этих миссий?
Альвара: Ранее Крис упоминал об отправке солнечных парусов для исследования околоземных астероидов. Одной из других основных концептуальных миссий является извлечение образцов комет, то есть получение микропыли из кометных шлейфов. На сегодняшний день произошел только один по-настоящему успешный возврат кометного материала, и это была миссия Stardust в начале 2000-х годов.
Он пролетел мимо кометы Wild 2, собрал материал и доставил его обратно на Землю. Но, к сожалению, космический корабль оказался менее маневренным, чем они ожидали, и он поймал частицы кометной пыли на высокой скорости, испаряя все богатые органикой компоненты в образце. Хотя полученный ими образец по-прежнему имел огромное значение, в настоящее время на Земле имеется всего около 300 микрограммов кометного материала. Спроектировав наши крошечные солнечные паруса так, чтобы они были маневренными и маневренными, мы надеемся собирать образцы комет на низких относительных скоростях, чтобы не повредить органику.
Пистер: Что касается продолжительности миссий, она сильно различается. Нам понадобится несколько месяцев, чтобы покинуть орбиту Земли, нам потребуются месяцы или годы, чтобы добраться до интересующего нас астероида или кометы, а затем обратное возвращение. Итак, определенно месяцы в краткосрочной перспективе и, возможно, десятилетие или около того в долгосрочной перспективе.
Насколько мы далеки от первого запуска?
Альвара: Мы могли бы сделать это через несколько лет. Например, проекты CubeSat обычно разрабатываются студентами средних школ, общественных колледжей или четырехлетних учебных заведений. И они проходят путь от нуля до запуска примерно за два года. Таким образом, имея на работе аспирантов, аспирантов или ученых-исследователей, которые занимаются подобными вещами в течение многих лет, мы сможем запустить проект в те же сроки, как только завершим разработку.
Пистер: До сих пор Александр работал над некоторыми теориями и двигателями. Но есть еще шесть систем и все виды программного обеспечения, так что это будет непростая задача. Но я надеюсь, что мы сможем получить финансирование для дальнейших исследований.
Информация от: Калифорнийским университетом
