Небольшие межзвездные космические зонды, которые инженеры собираются отправить к системе альфа Центавра в ближайшие десятилетия, планируют оборудовать световыми парусами. Эти паруса будут использовать давление солнечного света или влияние лазера на зеркальную поверхность, чтобы приводить в движение космический аппарат. Пока ученые не создали полноценный работающий прототип, поэтому проект по отправке космического флота стоит на паузе. Однако группа нидерландских исследователей заявила, что им удалось разработать крошечный световой парус, который, по словам инженеров, поможет людям достичь звезд намного раньше, чем предполагалось.
IKAROS — японский космический аппарат с солнечным парусом. Он стал первым в истории космическим парусником, продемонстрировавшим возможность межпланетного путешествия при помощи солнечного света. Впервые его испытали в 2010 году. На изображении IKAROS в представлении художника / © Andrzej Mirecki
В 1970-е годы американский физик и фантаст Роберт Форвард (Robert Forward) выдвинул любопытную идею. Ученый предположил, что давнюю мечту человечества по достижению ближайших звезд (только техникой, без отправки человека) можно осуществить, если создать аппарат, который приводился бы в движение сверхмощным лазерным излучением. Такой аппарат, по словам Форварда, должен быть относительно небольшим и состоять из светового паруса, на который это излучение воздействовало бы и таким образом двигало зонд в космическом пространстве.
Роберт Форвард не был пионером в этой области. Еще раньше, в 1920-е годы, похожую идею высказал советский изобретатель Фридрих Цандер. Только вместо лазерного излучения он предлагал использовать давление солнечного света. Ученый исходил из того, что фотоны — частицы солнечного света — обладают импульсом и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление, которое затем и двигает зонд.
Концепции Форварда и Цандера не получили практического развития. Ни один космический аппарат не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя (за исключением нескольких демонстративных и испытательных проектов, в том числе LightSail 2 и IKAROS). Главная причина: технические трудности и недостаточный уровень необходимых технологий. Однако эти трудности были характерны для прошлого века.
В 2016 году, на пресс-конференции в Нью-Йорке, российский миллиардер Юрий Мильнер и астрофизик Стивен Хокинг анонсировали проект Breakthrough Starshot (как часть программы The Breakthrough Initiatives) по отправке межзвездного космического флота на световых парусах к ближайшей звездной системе — альфе Центавра.
По замыслу ученых, этот тип космических аппаратов сможет совершить путешествие к альфе Центавра, удаленной на 4,37 светового года от Земли, со скоростью до 20 процентов скорости света. В таком случае путешествие займет примерно 20 лет и еще около пяти, чтобы передать на Землю сигнал об успешном прибытии. При этом цель проекта — не само путешествие как таковое и сбор последующих данных, а доказательство того, что эту возможность можно технически реализовать.
Концепция StarShot предполагает запуск базовой космической станции, которая доставит на высокую эллиптическую орбиту около тысячи крошечных космических аппаратов, а затем запустит их один за другим. Каждый микрозонд должен иметь солнечный парус площадью около 10 квадратных метров, толщиной порядка 100 нанометров и весить чуть меньше грамма. Эти паруса должны обладать высокой отражательной способностью для широкого диапазона световых частот, но пока материал, который смог бы обеспечить такую отражательную способность, не создан.
Однако, по-видимому, решить эту проблему удалось группе нидерландских инженеров под руководством Ричарда Норта (Richard Norte) из Делфтского технического университета. Исследователи разработали световой парус из пластины нитрида кремния. Об этом ученые рассказали в своей статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv.
Площадь прототипа — приблизительно 36 квадратных сантиметров, что практически соответствует размеру человеческой ладони, весит он несколько микрограммов, как песчинка, а толщина составляет всего 200 нанометров, то есть примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса.
Прототип команды нидерландских инженеров намного меньше паруса, необходимого для проекта Breakthrough Starshot. Во время работы с прототипом ученые проверили отражающие свойства паруса и убедились, что процесс производства работает.
«Наш парус имеет необходимую для работы отражательную способность. Кроме этого, мы смогли добиться того, чтобы на создание одного паруса вместо 15 лет уходил лишь один день, а также смогли значительно удешевить сам процесс производства. Парус Мильнера и Хокинга, которые они планируют использовать в своей миссии, стоит около трех тысяч долларов, наш гораздо дешевле», — пояснил Норт.
Производство солнечных парусов команды Норта основано на технологии изготовления полупроводниковых пластин для микросхем. Сейчас оборудование на предприятиях, где создают такие схемы, предназначено для создания 400-миллиметровых полупроводниковых пластин, что гораздо больше, чем сам парус. Поэтому, заключили авторы новой работы, чтобы наладить массовый выпуск их солнечных парусов, необходимо создать специальную установку, которая позволила бы работать с гораздо меньшими размерами.
Если у Норта и его коллег получится создавать солнечные паруса быстро и дешево, это будет имеет решающее значение для успеха миссий вроде Breakthrough Starshot. Правда, при этом никуда не денутся другие инженерные проблемы. Например, остается нерешенным вопрос, как ученые будут одновременно управлять множеством легких микрозондов.
Даже если технологию нидерландских инженеров не возьмут на вооружение для полетов к альфе Центавра, она может пригодиться для других космических аппаратов или проектов, таких как сбор солнечной энергии в космосе.
