Как спроектировать парус, который не порвется и не расплавится во время межзвездного путешествия?

Исследователи выяснили, какой формы и из каких материалов должен быть сделан световой парус, чтобы выдержать разгон до скорости, приближенной к релятивистской, от лучей из массива мощных лазеров.

Об этом рассказывают в Университете Пенсильвании, передают OstanniPodii.com.

Астрономы десятилетиями ждали запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, который обещает заглянуть в космос дальше, чем когда-либо раньше. Но если человечество захочет достичь нашего ближайшего звездного соседа, им придется подождать "немного" дольше: зонду, посланному к Альфе Центавра с помощью ракеты, понадобится на совершение путешествия примерно 80 000 лет.

Команда исследователей из Университета Пенсильвании и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) пытаются решить эту футуристическую проблему с помощью идей, взятых из одной из старейших транспортных технологий человечества – парусов.

В рамках инициативы Breakthrough Starshot они проектируют размеры, форму и материалы для паруса, толкающегося не ветром, а светом.

С использованием наноскопически тонких материалов и массива мощных лазеров, такой парус мог бы нести зонд размером с микрочип со скоростью в пятую часть скорости света – достаточно быстро, чтобы совершить путешествие к Альфе Центавра примерно за 20 лет, а не за тысячелетия.

«Для достижения другой звезды в течение нашей жизни понадобится релятивистская скорость или что-то приближенное к скорости света», — говорит Игорь Баргатин, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Университета Пенсильвании. «Идея светового паруса существовала уже некоторое время, но мы только сейчас выясняем, как сделать так, чтобы эти конструкции выдержали путешествие».

Большинство предыдущих исследований в этой области предполагали, что Солнце будет пассивно снабжать всей энергией, необходимой световым парусам для движения. Однако план Starshot по доведению паруса до релятивистских скоростей требует гораздо более целенаправленного источника энергии. Как только парус выйдет на орбиту, огромный массив наземных лазеров должен направить на него свои лучи, чем обеспечит интенсивность света в миллионы раз больше солнечной.

Учитывая, что целью лазеров будет трехметровая структура в тысячу раз тоньше листа бумаги, выяснение того, как предотвратить разрыв или расплавление паруса, является серьезной задачей при проектировании.

Исследователи опубликовали пару статей в журнале Nano Letters, которые описывают некоторые из этих основных спецификаций.

Одна из статей (возглавляемая Баргатиным), демонстрирует, что солнечные паруса Starshot, которые планируется сконструировать из ультратонких листов оксида алюминия и дисульфида молибдена, должны будут раздуваться как парашют, а не оставаться плоскими, как предполагалось в большинстве предыдущих исследований.

«Интуиция подсказывает, что очень тугие паруса как на паруснике, так и в космосе, гораздо более склонны к разрывам», — говорит Баргатин. «Это относительно простая концепция для понимания, но нам понадобились очень сложные математические расчеты, чтобы действительно показать, как эти материалы будут вести себя в таком масштабе».

Вместо плоского полотна, исследователи предполагают, что изогнутая конструкция, примерно такой же глубины, как и ширины, наиболее способна выдержать напряжение гиперускорения паруса, в тысячи раз превышающего силу тяжести Земли.

«Лазерные фотоны заполнят парус так же, как воздух надувает пляжный мяч», – говорит Мэтью Кэмпбелл, постдокторант в группе Баргатина и первый автор первой статьи. «И мы знаем, что легкие контейнеры под давлением должны быть сферическими или цилиндрическими, чтобы избежать разрывов и трещин. Вспомните пропановые баки или топливные баки на ракетах».

Другая статья (возглавляемая доцентом кафедры материаловедения и инженерии в Инженерной школе Самюэли при UCLA Асватом Раманом), дает представление о том, как наноразмерные структуры внутри паруса могут наиболее эффективно рассеивать тепло, поступающее вместе с лазерным лучом, в миллион раз мощнее Солнца.

«Если паруса поглотят даже незначительную часть падающего на них лазерного света, они нагреются до очень высоких температур», — пояснил Раман. «Чтобы убедиться, что они просто не распадутся, мы должны максимально увеличить их способность излучать свое тепло, что является единственным способом теплопередачи, доступным в космосе».

Предварительные исследования световых парусов показали, что использование конструкции фотонного кристалла, по сути, обсыпки "ткани" паруса равномерно расположенными отверстиями, позволит максимально увеличить тепловое излучение конструкции. Новая работа исследователей добавляет еще один слой периодичности: образцы парусной ткани, сшитые вместе в сетку.

Благодаря тому, что расстояние между отверстиями соответствует длине волны света, а расстояние между образцами соответствует длине волны теплового излучения, парус может выдержать еще более мощный начальный толчок, сократив время, нужное лазерам, чтобы оставаться на своей цели.

«Несколько лет назад даже размышления или теоретическая работа над этим типом концепции считались надуманными», - говорит соавтор Дип Джаривала, доцент кафедры электротехники и системной инженерии в Инженерной школе Самюэли UCLA. «Теперь у нас есть не только дизайн, но также мы основываемся на реальных материалах, доступных в наших лабораториях. Нашим планом на будущее будет создание таких конструкций в небольших масштабах и их испытание с помощью мощных лазеров».

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.