Сверхтонкие космические зонды разгонят массивами лазеров

На сегодня человечество располагает двумя вариантами активного разгона космических аппаратов: химические ракетные двигатели и ионные двигатели. Первые требуют огромного объема топлива и поэтому пригодны только для миссий с умеренными скоростями. Вторые потенциально могут оказаться значительно быстрее, но разгоняют свои аппараты медленнее.

Однако еще в 1899 году Петр Лебедев продемонстрировал в эксперименте, что свет способен оказывать физическое давление на другие тела, без «отдачи» в отношении источника светового излучения. В 1908 году крупный ученый Сванте Аррениус предположил, что споры различных форм жизни под световым давлением могут переноситься от одной планетной системы к другой. В 1925-м Фридрих Цандер первым предложил использовать световое давление от Солнца для космических полетов. После появления в 1960-х лазера перспективы «фотонного паруса» стали более конкретными: лазер позволял сконцентрировать плотный пучок излучения на малом по площади «фотонном парусе» космического корабля. Ряд исследователей заявили о возможности полетов зондов, разгоняемых околоземными орбитальными лазерами, к ближайшим звездам.

Авторы новой работы, препринт которой выложен на arXiv.org, предложили посмотреть на возможности «лазерного паруса» под слегка иным углом. Они отмечают, что практически все предлагавшиеся ранее зонды такого рода имеют большую проектную массу и предназначены для межзвездных дистанций. Это требует создания на орбите Земли крупной группировки синхронно действующих лазером с мощностями от десятка мегаватт до 100 гигаватт (проект Starshot). По мощности и стоимости такие системы близки к комплексам противоастероидной (или противоракетной) обороны, что делает их довольно дорогими.

Исследователи предложили концепцию очень компактных «зондов на чипе» — пластин на основе нитрида кремния, содержащих микросхемы, пригодные к сбору оптических данных и трансляции их обратно на Землю. Источником энергии для «зонда на чипе» выступит тот же лазерный луч, что разгоняет его: часть кремниевой пластины будет фотоэлементом, преобразующим световую энергию в электрическую. Диаметр такой пластины-зонда будет в районе 10 сантиметров, а масса — не более 100 граммов. При этом зонд сможет делать наблюдения не только в оптическом, но и в инфракрасном диапазоне.

Благодаря высокой компактности его можно будет разгонять до десятков и сотен километров в секунду довольно слабыми лазерами — мощностью от 100 киловатт (для близких миссий) до 10 мегаватт (для миссий к Плутону и поясу Койпера). Как здраво отмечают авторы работы, лазеры подобной мощности уже можно выводить в космос и по умеренным ценам. Мощность солнечных батарей МКС сегодня превышает 100 киловатт — то есть и с энергетической точки зрения обеспечение такого «лазерного паруса» не слишком сложное.

При этом он окажется исключительно быстрым средством исследования. Полет к Марсу для него займет 20 дней, к Юпитеру — 120 дней, а к Плутону — менее трех лет. Для сравнения: зонд New Horizons летел к Плутону девять лет. Лазерный парус на сегодня — средство исключительно разгона, активно тормозить «зонды на чипе» не смогут. Но точно так же не мог активно тормозить New Horizons — изучение им удаленных объектов Солнечной системы шло «на лету».
Еще более перспективными зонды с лазерным парусом станут при изучении транcплутоновых объектов — Макемаке, Орка, Эриды и других карликовых планет, пока что практически недоступных для детальных исследований. Между тем они могут быть действительно интересны: та же Эрида массивнее Плутона. Значит, она, как и он, может иметь не до конца замерзший подводный океан — и, быть может, даже перспективы жизни.