Увы, но лазеры не доставят нас на Марс за три дня

Всякий раз, когда разрабатывается мощная новая технология, имеет смысл пересмотреть наши традиционные подходы к выполнению сложных задач. Когда дело доходит до путешествия в космос и исследования Вселенной за пределами Земли, любые прорывы в производстве, хранении или передаче энергии принимаются очень и очень серьезно. Но космос весьма большой, и расстояния от Земли до других планет — не говоря уж о других звездах — буквально астрономические. Сейчас 2016 год, и мы по-прежнему используем ракеты на химическом топливе, чтобы запускать и управлять нашими космическими аппаратами. Эти же технологии мы использовали в 50-х и 60-х, когда космические полеты только начались.

Не так давно группа ученых и инженеров под руководством Филиппа Любина из Калифорнийского университета объявила, что считает возможным использовать лазерную тягу, не только чтобы превратить миссии на Марс в трехдневные прогулки, но и отправиться к звездам с немыслимой доселе скоростью.

Подобные обещания периодически появляются — ракеты на термоядерном синтезе, двигатели на антиматерии и невозможные двигатели обещают превзойти современные технологии и разогнать материю до… в общем, обещают. Проблема этих обещаний в том, что они непрактичны:

• Ядерный синтез не является управляемой, поддерживаемой реакцией и, следовательно, не может испускать большие объемы энергии в течение длительных периодов времени.
• Антиматерия не только дорога в производстве, но и не может быть произведена в хоть немного значимых количествах. Если суммировать все количество антиматерии, произведенной людьми на Земле, она будет весить меньше одного микрограмма. Если преобразовать ее в чистую энергию по уравнению Эйнштейна (E = mc²), она будет равна энергии, которую может произвести небольшой ящичек с динамитом.
• Любые «невозможные» двигатели вроде EM Drive не только не дают воспроизводимых, надежных результатов, но и не выдают достаточных объемов тяги или энергии даже в самых плодотворных условиях испытания.

Но мы поговорим о другом, поскольку ключевая технология для движения на основе лазера уже существует сегодня.

Достижения в лазерных технологиях были весьма продуктивными за последние 15 лет. Проекты ученых в самых разных агентствах, включая DARPA, преуспели в наращивании лазерной мощи за счет новаторского подхода: не увеличивая энергию каждого лазера, а делая масштабируемые лазерные массивы. Другими словами, теперь вы можете построить крупный массив лазеров, который точно и слаженно стреляет в определенную цель, не только передавая киловатты энергии через отдельный лазер, но и относительно крупный объем энергии, ограниченный лишь масштабом вашего лазерного массива. Вот «простое» испытание 19-элементного массива лазеров, стреляющего по базальтовой мишени.

Идея двигательной установки на основе лазера относительно проста по своей сути и требует выполнения лишь нескольких шагов:

• Создать массив синфазных лазеров на орбите Земли, устроенных таким образом, чтобы их можно было точно направить на любую определенную цель. В идеале этот массив будет достигать гигаваттных уровней энергии.
• Создать «целевой» космический аппарат, который изначально стартует на низкой околоземной орбите, с большой парусообразной поверхностью на нем, на которую можно направить лазерный массив.
• Последовательно направлять достаточно мощный лазер на целевой космический аппарат и ускорить его до необходимой скорости, вывести на траекторию и смотреть, любоваться.

На самом деле, есть масса причин радоваться такому положению дел. Лазерная технология уже существует и становится все лучше и лучше. С малого начать проще: поскольку массив масштабируется, можно влить небольшие инвестиции и разогнать малую (граммовую) массу до высоких скоростей, для начала чтобы доказать работоспособность концепции. Парус может быть крохотным — с квадратный метр — и по-прежнему будет эффективен. Отражательная способность или прочность лазерного паруса вообще не проблема, поскольку частота лазера очень узкая и можно эффективно отражать 99,99% света или даже больше. Моделирование показало, что даже лазерный массив скромных размеров (272 киловатта на видео ниже) может разогнать и отправить однограммовую тестовую массу в межпланетное пространство.

Имеются, однако, причины и для скептицизма. Хотя физика позволяет, инженерная задача всего вышеописанного оказывается сложнейшей вещью. Вот ряд важных препятствий, которые мы пока не знаем, как преодолеть:

• Как успешно сколлимировать лазер на такое огромное расстояние. К примеру, зеркала, которые астронавты «Аполлона» установили на Луне, эффективно отражают и возвращают лишь один из 10¹⁷ фотонов обратно в назначенный пункт.
• Насколько полезен будет ускоренный объект? Сейчас любая масса, ускоренная до значительных скоростей, должна быть настолько малой, что не сможет передать ничего полезного с таким уровнем энергии, чтобы можно было получить это на Земле.
• Может ли объект столь малой массы и размеров, как предложенный однограммовый зонд, противостоять мощи этих лазеров, или же окажется бессильным, даже со своей высокой (но не идеальной) отражательной способностью?
• Объект, ускоренный таким образом, может быть неуправляемым или неспособным к замедлению по прибытии.
• Парусообразный объект, особенно тонкий, придется стабилизировать, чтобы компенсировать крошечные градиенты сил, иначе он начнет вращаться и качаться, сделав невозможным дальнейшее ускорение.
• Наконец, лазерный массив, необходимый для запуска крупных масс, может оказаться чрезвычайно большим и дорогим.

Идея лазерного паруса может быть прекрасной для разгона крошечных масс до крупных скоростей, но полномасштабные модели, достигающие желанных гигаватт энергии, потребуют лазерный массив в 100 квадратных километров площадью. Полномасштабный массив вроде такого сможет разогнать крошечный компьютеризованный чип диаметром 10 сантиметров и массой в один грамм до 0,3% скорости света всего за 10 минут. Он мог бы разогнать 100 кг груза (примерно с массу марсохода «Оппортьюнити») до такой же скорости, будь парус побольше, или даже 10 000 кг — до скорости 1000 км/ч, в 100 раз быстрее, чем летели астронавты «Аполлона» на Луну.

Инициатива, известная как DEEP-IN, по которой направленная энергия используется для разгона зондов до межзвездных скоростей, интересна по-своему, и стоит отдать должное Филиппу Любину. Но паковать чемоданы пока рановато. Сложность развертывания такой системы и решение ее проблем может занять десятки или сотни лет.

Но пробовать, конечно, стоит. Возможно, лазерное движение станет будущим космических полетов или технологией, которая приведет нас к звездам. Но пока что у него есть куча непреодолимых препятствий. Нам определенно стоит попробовать пройти этот путь. Пройти, оставаясь реалистами.