Маленькие высокоскоростные пули, выпущенные по космическому кораблю, могут ускорить путешествие к звездам: ScienceAlert

Сегодня многие космические агентства рассматривают передовые идеи двигателей, которые позволили бы быстро перемещаться к другим телам Солнечной системы.

К ним относятся НАСА Термоядерный или ядерный электрический двигатель (NTP/NEP) Концепции, которые могут обеспечить время транзита для Марс в 100 дней (или до 45) и Китайский атомный космический корабль Он может исследовать Нептун и его самый большой спутник Тритон.

Хотя эти и другие идеи могут позволить проводить межпланетные исследования, выход за пределы Солнечной системы сопряжен с некоторыми серьезными проблемами.

Как мы выяснили в предыдущей статье, космический корабль, использующий обычный двигатель, может находиться где угодно от 19 000 до 81 000 лет назад Чтобы добраться даже до ближайшей звезды, Проксимы Центавра (4,25 световых года от Земли). С этой целью инженеры рассматривали предложения по космическим кораблям без экипажа, которые полагаются на лучи направленной энергии (лазеры) для ускорения световых парусов до доли скорости света.

Новая идея, предложенная исследователями Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, отражает эволюцию идеи балочного паруса: пучок гранул Концепция, которая может разогнать однотонный космический корабль до края Солнечной системы менее чем за 20 лет.

Концепция носит названиеУправляйте лучом гранул, чтобы обнаружить проникновение в пространство«,» Артур Давояндоцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA).

Предложение было одним из четырнадцати, которые он выбрал. Передовые инновационные концепции НАСА (NIAC) в рамках их отбора в 2023 году, в рамках которого были выделены гранты на общую сумму 175 000 долларов США для дальнейшего развития технологий. Предложение Давояна основано на недавней работе с векторной энергетической тягой (DEP) и технологией легкого паруса для достижения Солнечная гравитационная линза.

Как сказал профессор Давоян Universe Today по электронной почте, проблема с космическими кораблями заключается в том, что они все еще обязаны Ракетное уравнение:

«Все современные космические корабли и ракеты летают за счет разгона топлива. Чем быстрее топливо утилизируется, тем эффективнее ракета. Однако количество топлива, которое мы можем взять на борт, ограничено. В результате скорость космического корабля может быть ускорено до конечного. «Это фундаментальное ограничение продиктовано уравнением ракеты. Ограничения уравнения ракеты приводят к относительно медленным и дорогостоящим исследованиям космоса. Такие миссии, как солнечное гравитационное линзирование, неосуществимы с современными космическими кораблями».

Солнечная гравитационная линза (SGL) — это революционное изобретение, которое станет самым мощным телескопом из когда-либо созданных. Примеры включают Солнечная гравитационная линзакоторый был выбран в 2020 году для разработки NIAC Phase III.

Концепция основана на предсказанном явлении Общая теория относительности Эйнштейна известный как гравитационная линза, в котором массивные объекты изменяют кривизну пространства-времени, усиливая свет от объектов на заднем плане. Эта технология позволяет астрономам изучать удаленные объекты с большей точностью и точностью.

Разместив космический корабль в области Солнца (около 500 астрономических единиц от Солнца), астрономы могут изучать экзопланеты и удаленные объекты с разрешением главного зеркала около 100 километров (62 мили) в диаметре. Задача состоит в том, чтобы разработать двигательную установку, которая сможет доставить космический корабль так далеко за разумное время.

На сегодняшний день единственными космическими аппаратами, достигшими межзвездного пространства, были зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые были запущены в 1977 году и в настоящее время находятся на расстоянии около 159 и 132 астрономических единиц от Солнца (соответственно).

Когда он покинул Солнечную систему, зонд «Вояджер-1» двигался с рекордной скоростью около 17 км/с (38 028 миль в час), или 3,6 а.е. в год. Однако этому зонду потребовалось еще 35 лет, чтобы достичь границы между солнечным ветром и межзвездной средой (гелиосферой).

При нынешней скорости «Вояджеру-1» потребуется более 40 000 лет, чтобы пройти мимо другой звездной системы — AC+ 79 3888, загадочной звезды в созвездии Малой Медведицы. По этой причине ученые ищут направленную энергию для ускорения световых парусов, которые могли бы достичь другой звездной системы за несколько десятилетий.

Как пояснил профессор Давоян, этот метод имеет ряд явных преимуществ, но также имеет и свои недостатки:

«Лазерный парусный спорт, в отличие от обычных космических кораблей и ракет, не требует топлива на борту для ускорения. Здесь ускорение происходит от лазера, толкающего космический корабль с помощью радиационного давления. В принципе, таким образом можно достичь скоростей, приближающихся к скорости света. Однако , лазеры расходятся на большие расстояния, а значит, существует лишь ограниченный диапазон расстояний, на котором может разгоняться космический аппарат. Это ограничение лазерной навигации приводит либо к необходимости чрезвычайно высокой мощности лазера, гигаватт, а в некоторых предложениях и тераватт, или накладывает ограничение на массу космического корабля».

Примеры включают концепцию лазерного луча. Проект Стрекозатехнико-экономическое обоснование Институт межзвездных исследований (i4is) для миссии, которая могла бы достичь ближайшей звездной системы в течение столетия.

Кроме того, есть Breakthrough Starshot, который предлагает массив лазеров мощностью 100 гигаватт (ГВт), который ускорит производство нанокомпозитов (Starchip) в граммовом масштабе.

При максимальной скорости 161 миллион километров (100 миллионов миль) или 20 процентов скорости света Starshot сможет достичь Альфы Центавра примерно через 20 лет. Вдохновленные этими концепциями, профессор Давоян и его коллеги предложили новое развитие идеи: концепцию пучка пеллет.

Эта концепция миссии может быть вводной межзвездной миссией с быстрым перемещением, такой как Starshot и Dragonfly.

Но для своих целей Давоян и его команда исследовали систему балочных пеллет, которая могла бы перемещать полезный груз массой 900 кг (1 тонна США) на расстояние 500 астрономических единиц менее чем за 20 лет. Давоян сказал:

«В нашем случае луч, приводящий в движение космический корабль, состоит из мельчайших частиц, и поэтому [we call it] пучок гранул. Каждая гранула разгоняется до очень высоких скоростей с помощью лазерной абляции, а затем гранула приобретает собственный импульс для приведения в движение космического корабля.

В отличие от лазерного луча, частицы не расходятся быстро, что позволяет нам разгонять более тяжелые космические аппараты. Сферулы намного тяжелее фотонов, несут больший импульс и могут сообщать космическому кораблю более высокую силу. «

Кроме того, небольшой размер и малая масса зерен означают, что они могут перемещаться относительно низкоэнергетическими лазерными лучами. В целом, по оценкам Давояна и его коллег, космический корабль весом в одну тонну можно разогнать до скорости до 30 астрономических единиц в год с помощью лазерного луча мощностью 10 мегаватт.

На этапе 1 они продемонстрируют осуществимость концепции гранулированного пучка посредством детального моделирования различных подсистем и экспериментов по проверке концепции. Они также изучат полезность Beam System для межзвездных миссий, которые могли бы исследовать соседние звезды в нашей жизни.

«Комплект гранул направлен на то, чтобы изменить способ исследования дальнего космоса, позволяя совершать быстрые транзитные миссии в отдаленные пункты назначения», — сказал Давоян. «С помощью пучка гранул экзопланеты могут быть достигнуты менее чем за год, 100 астрономических единиц примерно за три года, а солнечное гравитационное линзирование на 500 астрономических единиц примерно за 15 лет. Самое главное, в отличие от других концепций, луч гранул может быть тяжелым ( ~1 тонна) толкает космический корабль, что значительно увеличивает диапазон возможных миссий.