Цивилизация
— Вячеслав, вы – автор удивительных работ по астрофизике, которые ничего кроме восторга не вызывают. Вы разрешили знаменитую аномалию «Пионеров», а несколько лет назад предложили фантастический проект космического телескопа, который впервые сможет разглядеть детально далекую экзопланету. Астрономы несколько лет ломают голову над тем, как догнать и изучить межзвездные астероиды и кометы, которые залетают в Солнечную систему. Когда вы решили заняться этой, казалось бы, не решаемой современными средствами задачей?
— Как только в 2017 году появились сообщения об обнаружении первого межзвездного пришельца, астероида с вдохновляющим названием Омуамуа, возникло естественное желание узнать о природе таких уникальных странников.
По нашим оценкам, в каждый момент времени, до нескольких десятков таких объектов движется через Солнечную систему. Однако до недавнего времени наши технические возможности не позволяли нам их находить среди других объектов в солнечной системе, но они есть.
Они движутся очень быстро, и наши инструменты, которые используют ПЗС-матрицы, не были способны их регистрировать на фоне шума, поскольку сами они не светят, а лишь отражают солнечный свет. Подходя к Солнцу, они начинают двигаться со скоростью порядка 50–80 км/с, что приводит к размазыванию сигнала по пикселям ПЗС-матрицы вдоль траектории их движения, тем самым снижая экспериментальную чувствительность.
Сейчас ситуация изменилась, и у нас появились новые возможности регистрировать сигналы, приходящие от тусклых объектов, движущихся с большими скоростями. Так что в скором времени мы сможем говорить не только об астероидах, приближающихся к Земле на опасные расстояния, но и сразу о нескольких межзвездных объектах, движущихся через нашу Солнечную систему, и которые мы могли бы изучать.
В нашей статье мы предложили проект космической экспедиции, которую могли бы запустить в ближайшее время к одному из таких межзвездных астероидов.
В настоящее время, самым быстрым космическим аппаратом считается «Вояджер-1», который пролетает примерно 3 астрономические единицы в год (среднее расстояние между Землей и Солнцем). А эти межзвездные гости могут двигаться со скоростями от 5–6 а. е. в год и более.
С помощью современных химических двигателей догнать такие объекты не представляется возможным, даже при использовании гравитационного маневра, пролетая около одной из планет Солнечной системы. Поэтому здесь требуются нестандартные решения.
Идея родилась из нашего проекта космического телескопа, который будет использовать Солнце, как гравитационную линзу. Чтобы запустить телескоп в фокальную область этой линзы, мы рассмотрели все возможные двигатели — самые мощные российские двигатели РД-180, двигатели Маска Raptor, двигатель Безоса BE-4. Это уникальные машины, работающие на пределе, но даже если мы будем компоновать много таких двигателей на разных ступенях ракеты-носителя (к примеру, как у тяжелого Фалькона), максимально-достижимая скорость будет ограничена. Даже при помощи гравитационных маневров у планет самая большая скорость, что мы можем достичь – 4,5 а.е. в год. Более высокие скорости возможны, если космический аппарат будет запущен напрямую к Солнцу и, пролетая в непосредственной близости от него, совершит так-называемый манёвр Оберта. Подобные решения требуют керамической теплозащиты для аппарата, защиты топлива и обеспечения работы двигателей в условиях с повышенной температурой, и многого другого. Все эти «детали» резко увеличивают стоимость проекта, делая его сложным еще и экономически.
И мы сошлись на том, что солнечный парус – уникальная технология, которая переживает ренессанс. Технология основана на эффекте давления света впервые продемонстрированным российским физиком П.Н. Лебедевым еще в 1899 году.
Солнечный парус
Практическое использование такого эффекта наиболее целесообразно в космических условиях. За последние 15 лет было запущено более десятка космических аппаратов с парусами, использующими давление солнечного света. Есть проекты, которые работали на высокой орбите вокруг Земли, есть проекты, долетевшие до Венеры. Сейчас создаются еще несколько проектов, которые будут работать в окололунном пространстве и исследовать Солнце. То есть постепенно солнечные паруса становятся реальностью. Однако, мы осознали, что возможен гораздо больший прогресс в этой области.
Классическая проблема парусов – масса космического аппарата, так как до недавнего времени аппараты были весьма тяжелыми. В тоже время, у солнечного паруса есть важный параметр – отношение площади паруса к массе всей конструкции. Чем больше это отношение, тем выше ускорение. Но в последние 10 лет произошла и революция в области уменьшения космических аппаратов.
Сейчас мы можем запустить аппарат массой в 40 кг, схожий по производительности с «Вояджером» массой 733 кг. Имея на порядок меньшую массу, современные аппараты, имеют сравнимую, а зачастую большую полезную отдачу.
Сегодня есть спутники компании Swarm массой 400 г, они обеспечивают широкополосный интернет через космос. Кроме того, реальностью стали и межпланетные микроспутники с высокой производительностью, такие как два близнеца проекта MarCo, в реальном времени транслировавшие подсадку аппарата Insight на Марс. При таком прогрессе впервые появляется возможность говорить о солнечном парусе, как о реальном способе передвижения по Солнечной системе с большой скоростью.
— В чем же новизна вашего аппарата для погони за межзвездными астероидами?
— До сегодняшнего дня паруса имели структуру в виде больших плоскостей, которыми сложно управлять. В основе нашего подхода — две системы сегментированных парусов на легких каркасах, которые управляются индивидуально, наподобие яхты. У яхты есть два основных инструмента – парус и киль. С их помощью можно идти против ветра. В нашей конструкции важно, что с помощью двух плоскостей из трех управляемых лопастей паруса мы тоже можем идти против солнечного «ветра».
— Но в космосе же нет киля…
— В космосе есть замечательный киль – раскрученные маховики на борту аппарата!
Засада перед погоней
— Как будет выглядеть траектория полета корабля для погони за межзвездным астероидом?
— Предположим, мы заметили летящий к Солнцу межзвездный астероид где-нибудь у орбиты Сатурна, лететь до Солнца ему еще полтора года. Мы заранее можем запарковать наш солнечный парус на орбите Земли, чтобы в нужный момент начать спуск к Солнцу. Как только мы определяем нужный объект, парус начинает движение на Солнце. Начинать с низкой орбиты вокруг Земли не походит. Нам лучше оказаться подальше от атмосферы – на орбите от 1000 км. Нас выкидывают ракетой на высокую орбиту (нас даже не нужно специально подталкивать к Солнцу), при этом мы движемся вокруг Солнца со скоростью Земли (30 км/c). Наш аппарат — полный аналог яхты: есть управляемый парус, и есть киль, что позволяет нам обеспечить движение против давления солнечного света. Направив паруса под углом, мы будем терять орбитальный импульс и гасить нашу скорость от 30 до 5 км/с, снижаясь по спирали к Солнцу.
Через погода мы достигаем точки перигея, там мы подворачиваем паруса, нас подхватывает солнечный свет, наш «ветер» – и понеслись!
Через 7 месяцев скорость паруса достигает 7 а.е. в год, и мы вполне можем догнать наш астероид.
— На чем запускать ваш аппарат?
— Те же ракеты Falcon сейчас летают каждый месяц. Ракета может быть любая, поскольку нет ограничений по времени запуска, а аппарат весит всего 5,2 кг. Астероид мы можем догнать либо на подходе к Солнцу, либо через 2-3 года, когда он уже от него улетит. В этом состоит идея первого полета в рамках создаваемой нами цепочки демонстрационных полетов, которая уже обеспечит условия необходимые для исследования межзвёздных объектов, движущихся в Солнечной системе.
В статье мы говорим, что уже существующие технологии паруса позволяют достичь скорости в 5-7 а.е. в год, а в перспективе – до 25 а.е. в год! К началу 30-х годов мы планируем довести скорости полета до 20–25 а.е. в год. Тогда любая цель в солнечной системе, даже Плутон, нам станет доступной за пару лет полета.
— Хорошо, вы можете запустить солнечный парус к Солнцу и от Солнца, получив максимальное ускорение вблизи него, и он будет лететь в плоскости эклиптики. Но межзвездные гости прилетают с разных направлений, сможете ли вы полететь в его сторону?
— Отличный вопрос, и ответ – наш солнечный парус тем хорош, что он летит, куда угодно! Эта технология позволяет лететь даже перпендикулярно плоскости эклиптики. Ничто другое, никакие химические двигатели не способны на это.
— Чтобы максимально разогнаться у Солнца, вам надо как можно ближе к нему нырнуть и не сгореть. Как близко парус может опуститься?
— На расстоянии 0,2 а.е. от Солнца у нас будет максимальная температура паруса, которую мы можем выдержать – 700 °C. Там надо будет защищать от солнечного тепла всю конструкцию,— если мы не сможем обеспечить теплоотвод, будет очень жарко, и упор тут делается на материаловедение. Отражательная способность парусов должна составить 99,9%.
На традиционный в космических аппаратах материал Каптон мы нанесем слой алюминия. Задача сделать так, чтобы защитная пленка переизлучала энергии больше, чем поглощала. А паруса должны быть ориентированы так, чтобы на КА приходил минимум тепла. Но важно то, что максимальная тепловая нагрузка на аппарат у Солнца длится всего 17 часов. Расчетная нагрузка на электронику – 270°C максимум, что наша конструкция с запасом обеспечивает.
— Паруса же у вас не гибкие будут, а жесткие?
— Паруса будут секторальные, сделаны не из пленки, а на основе очень легкого, термоустойчивого углепластика. Каждый треугольный парус похож на веер. Его не нужно раскатывать, как катушку. Он сложен гармошкой и просто раскрывается в нужный момент при помощи специальной пружинки.
— Какая полезная нагрузка будет на борту?
— Первый демонстратор с парусом состоящими из шести треугольных секторов, каждый из которых площадью в 20 метров и весом в 775 грамм, с общим весом конструкции в 5.5 кг, мы готовы запустить уже через два года, на нем можно будет разместить до килограмма полезной нагрузки – камеры, магнитометры. Пока надо продемонстрировать технологию. После этого на следующем, более тяжелом аппарате (30 кг) с площадью паруса 4000 кв. метров, мы уже сможем полететь к астероиду.
Если в парусах использовать графен, можно выдерживать более высокие температуры, значит – приближаться ближе к Солнцу и достигать более высоких скоростей до 20-25 а.е. в год.
— Будут ли на аппарате отдельные солнечные батареи?
— Их мы будем наносить на солнечные паруса. Если мы используем солнечную энергию, то сможем отлетать от Солнца на 2 а.е. Если летим дальше, нужны радиоизотопные РИТЭГи.
— Итак, вы догнали межзвездный астероид. Какую науку вы там сможете сделать?
— Сможем сделать спектроскопию поверхности. Можем выпустить небольшой пенетратор, «пулю», которой долбанем по астероиду и посмотрим, структуру и спектр вылетевших осколков. Мы можем пролететь мимо и сделать фотографии с пролетной траектории. А можем использовать ионные двигатели, снизить скорость и изучать его, летя рядом. Можем и осуществить сборку двух аппаратов в полете, получив аппарат большей массы и более широкими возможностями для дальних полетов с более широким списком инструментов.
— И в принципе возможна доставка образцов на Землю?
— Да, и это возможно, при наличии малых ионных двигателей на борту. Такие варианты тоже обсуждается, как возможная цель на ближайшее будущее.
— Какова примерная стоимость демонстратора?
— Сейчас мы создаем государственно-частное партнерство между NASA и филантропическими организациями, которое позволит нам создать серию демонстраторов. Цена первого – порядка $10 млн. С запуском и сопровождением – порядка $15 млн.
— Что тогда тут будет от NASA?
— Думаю, многое будет от NASA, сейчас наша задача – убедить научно-техническое сообщество в технологической готовности и реализуемости нашего решения. В нашем проекте участвуют несколько коммерческих компаний, которые уже продемонстрировали большинство необходимых инженерных решений, теперь наша цель – показать все это в ходе реального полета.
Космический райдшеринг
— По сути вы открываете новую возможность исследовать Солнечную систему не с помощью больших дорогих миссий, а с помощью дешевых кубсатов, запускаемых попутной нагрузкой на ракетах. Вам важно, на чьих и каких ракетах?
— Лететь можем на чем угодно – на Falcon, на «Союзе», на Ariane-5. Куда летит ракета, почти не важно, чем дальше от Земли, тем лучше. Как только в мире начнет развиваться лунная тематика, таких запусков будет больше. Действительно, с помощью солнечного паруса у нас появляется возможность исследовать Солнечную систему.
— И гораздо быстрее!
— Да. Ведь сколько раз мы летали к Плутону, Сатурну? Условно раз в никогда. Очень высоки риски, мы очень долго создаем аппараты, потом аппарат летит еще десять лет. За это время студенты университетов становятся седеющими профессорами, и им это становится не интересно.
Нужно эту модель взломать, поскольку вся эта медлительность завязана на химические двигатели. Если мы взломаем эту годами устоявшуюся систему, то с ребятами на университетской скамье мы сможем пролететь вокруг гейзеров на Энцеладе, изучить их с помощью датчиков астробиологии, и так далее…
Самая главная задача – обратить внимание на то, что солнечные паруса стали реальностью для достижения больших скоростей. Это первый шаг, после которого пессимизм и инерция начнет ломаться. Мы просчитывали всевозможные ядерные двигатели – вся эта технология возникнет еще не скоро. Это все здорово, требует многомиллиардных затрат, и еще 20 лет создания. Но сейчас ничего этого нет, а есть медленные химические двигатели и быстрый солнечный парус, который нужно запускать, чтобы у людей возникла возможность исследования дальних уголков Солнечной системы, а в перспективе появилась возможность самим отправиться в межзвездное путешествие.