Четверг , 2 Апрель 2020
Home / Наука и техника / Увы, но лазеры не доставят нас на Марс за три дня

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

Лазеры

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.

Лазеры

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.

Парус

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.

Лазеры

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.

Ракеты

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.

Советуем посмотреть

Какая высота была у самого большого цунами

Сомневаюсь, что в мире есть люди, которые не слышали слово цунами. Люди, которые живут далеко …

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.