За последнее десятилетие тысячи планет были открыты за пределами нашей Солнечной системы. Это привело к возобновлению интереса к исследованию космоса, что включает возможность отправки космических кораблей для исследования экзопланет. Учитывая связанные с этим проблемы, в настоящее время изучается ряд передовых концепций, таких как проверенная временем концепция легкого паруса (на примере Прорыв Старшот и аналогичные предложения).
Однако в последние годы ученые предложили потенциально более эффективную концепцию, известную как электрический парус, где парус, состоящий из проволочной сетки, генерирует электрические заряды для отклонения частиц солнечного ветра, создавая тем самым импульс. В недавнем исследовании два ученых из Гарварда сравнили и сопоставили эти методы, чтобы определить, какие из них будут более полезными для различных типов миссий.
Исследование, которое недавно появилось в сети и в настоящее время рассматривается для публикации Acta Astronauticaпод руководством Манасави Лингама и Абрахама Лёба - доцента Флоридского технологического института (FIT) и профессора наук Фрэнка Б. Байрда-младшего в Гарвардском университете и директора Института теории и вычислений (ITC), соответственно.
Концепция легкого паруса является проверенной временем, когда космический корабль, оснащенный большим листом отражающего материала, использует радиационное давление звезды (иначе говоря, солнечный ветер) для ускорения во времени. Основным преимуществом этой технологии является то, что ей не требуется космический корабль для перевозки собственного запаса топлива, на который обычно приходится большая часть массы космического корабля.
Это особенно важно, когда речь идет о межзвездном путешествии, поскольку количество реакционной массы, необходимое для достижения даже доли скорости света (с) было бы здорово. И в отличие от таких понятий, как движение антиматерии или концепции, основанные на физике, которые еще не проверены (или даже гипотетичны), солнечные / легкие паруса используют технологии и физику, которые полностью доказаны на данный момент.
Еще одним преимуществом является тот факт, что легкий парус может быть ускорен с использованием других средств, кроме солнечного излучения. Как объяснил Лингам журналу «Космос» по электронной почте:
«Легкие паруса могут« проталкиваться »либо лазерными лучами, либо солнечным / звездным излучением. В любом случае главное преимущество легких парусов состоит в том, что не нужно нести топливо на борту в отличие от химических ракет. Это значительно уменьшает массу космического корабля, так как большая часть массы в химических ракетах приходится на топливо. Это же преимущество распространяется и на электрические паруса ».
Тем не менее, в последние годы были разработаны вариации этой концепции, такие как магнитный парус (он же «magsails»), предложенный Робертом Зубриным и Даной Эндрюс в 1988 году, и электрический парус, предложенный Пеккой Янхуненом в 2006 году. В первом случае сверхпроводящая петля будет генерировать электрическое поле, а во втором - магнитное поле через пару небольших проводов, которые будут отражать солнечный ветер.
Эти концепции имеют некоторые заметные отличия от обычных солнечных или легких парусов. Как объяснил Лингам:
«Электрические паруса полагаются на передачу импульса от заряженных частиц солнечного / звездного ветра (протоны в нашем примере), отклоняя их через электрические поля, в то время как легкие паруса полагаются на передачу импульса от фотонов, излучаемых звездой. Таким образом, ветер звезды приводит в движение электрические паруса, а электромагнитное излучение, излучаемое звездой, приводит в движение легкие паруса ».
Интересно, что некоторые исследователи рассматривали магнитные паруса как возможное средство замедления легкого паруса, когда он приближается к месту назначения. Одним из таких людей является профессор Клавдий Грос из Института теоретической физики Франкфуртского университета им. Гёте, а также Андреас Хейн и Кельвин Ф. Лонг - главные исследователи проекта «Стрекоза» (концепция, аналогичная Прорыв Старшот).
Все три концепции способны преобразовывать излучение, испускаемое звездами, в импульс, но также имеют свои недостатки. Для начала, электрические паруса очень сильно зависят от свойств их звезд. Легкие паруса, с другой стороны, оказываются в значительной степени неэффективными, когда речь идет о звездах M-типа (красный карлик), потому что радиационное давление недостаточно высоко, чтобы генерировать достаточную скорость, чтобы избежать звездной системы.
Это довольно ограничивающий вопрос, поскольку маломассивные сверххолодные карлики M-типа составляют подавляющее большинство звезд во Вселенной - на их долю приходится 75% звезд Млечного Пути. Красные карлики также невероятно долговечны по сравнению с другими классами звезд и могут оставаться в основной последовательности до 10 триллионов лет. Следовательно, двигательная система, которая может использовать системы красных карликов, будет предпочтительнее в течение более длительных периодов времени.
Исходя из этих соображений, Лингам и Леб попытались определить, какой метод межзвездного путешествия будет предпочтительным (легкие паруса или электронные паруса) по отношению к разным классам звезд - F-тип (белый), G-тип (желтый), K- тип (оранжевый) и звезды М-типа. После учета радиационных свойств каждого класса они учитывали вероятную массу космического корабля - на основе параметров, установленных Прорыв Старшот.
Они обнаружили, что космический корабль в паре с электрическим парусом представляет собой лучшее средство приведения в движение в непосредственной близости от большинства типов звезд, а не только для таких космических аппаратов, как грамм масштаба (что и требуется для Starshot). Однако расчеты Лингама и Леба также показали, что электрическому парусному кораблю потребуется значительно больше времени, чтобы достичь тех скоростей, которые сделают межзвездное путешествие практичным.
«Вместо этого, если рассматривать световые паруса, приводимые в действие лазерными решетками (такими как« Прорыв звездный выстрел »), тогда можно напрямую достичь релятивистских скоростей (например, 10% скорости света) с помощью световых парусов; Напротив, электрические паруса, приводимые в движение звездными ветрами, достигают скорости света всего лишь 0,1% », - сказал Лингам.
В то время как электрический парус мог достичь 0,1 с в конечном счете, из-за неоднократного достижения непосредственной близости со звездами, они подсчитали, что это займет 10 000 встреч в течение миллиона лет. Как сказал Лингам:
«[E] лектрические паруса представляют собой жизнеспособное средство для осуществления межзвездных путешествий. Однако любой технологический вид, желающий использовать этот метод, должен был бы быть долгоживущим, поскольку весь этот процесс достижения релятивистских скоростей потребовал бы приблизительно 1 миллион лет. Если такие долгоживущие виды существуют, электрические паруса представляют собой довольно удобный и энергоэффективный способ исследования Млечного Пути в течение длительных периодов времени (миллионы лет).
Хотя в космическом плане 1 миллион лет - это чуть больше, чем мгновение ока, он невероятно длинный с точки зрения продолжительности жизни цивилизаций - по крайней мере наш стандарты. Как вид, человечество существует около 200 000 лет, а его историю записывают только около 6000 человек. Более того, мы были космической цивилизацией только в течение последних 60 лет.
Ergo, парус, который может быть ускорен лазерами, остается наиболее практичным средством исследования экзопланет в нашей жизни. Еще одним следствием этого исследования является то, как оно может помочь в поиске внеземного интеллекта (SETI). При поиске во Вселенной признаков технологической активности (или техносигнатуры) ученые вынуждены искать признаки, которые они узнают.
Учитывая преимущества электрического паруса, возможно, что внеземная цивилизация может предпочесть эту технологию перед аналогичными. Как профессор Лёб объяснил журналу Space по электронной почте:
«Наши расчеты предполагают, что развитые цивилизации, скорее всего, предпочтут использовать электрические паруса вместо легких парусов для движения, основанного на естественной отдаче звезд в форме ветра или излучения. Однако, если технологическая цивилизация хочет развить скорость или запустить большие грузы, для которых не может двигаться сила, производимая их главной звездой, то она, вероятно, предпочтет легкие паруса, толкаемые их искусственно созданным световым лучом, таким как мощный лазер. Ситуация аналогична разнице между парусными лодками, которые используют ветер, предоставляемый матерью природой бесплатно, по сравнению с большими или более быстрыми лодками, которые приводятся в движение искусственными средствами, такими как двигатель ».
К сожалению, как добавил Леб, электрические паруса не так легко обнаружить на больших расстояниях, потому что они состоят из электрифицированных проволочных сеток и не испускают каких-либо очевидных техносигналов. «Поэтому, - заключает он, - SETI следует в первую очередь сосредоточиться на поиске легких парусов, которые видны из-за утечки их световых лучей за пределы паруса вблизи мест их запуска или потому, что они отражают солнечный свет, когда они проходят близко к Солнце, как астероиды или кометы подобного размера.
Однако Лингам и Леб также подчеркивают, что электрические паруса могут быть привлекательным вариантом для внеземной цивилизации по той же причине. Помимо того, что они являются энергоэффективными, электрические паруса не подвержены переливам и поэтому могут перемещаться из одной звездной системы в другую, оставаясь незамеченными. Возможное разрешение парадокса Ферми? Может быть!
В любом случае, это исследование показывает, что наши нынешние планы по изучению соседних звездных систем должны быть сосредоточены на концепциях, которые подчеркивают скорость над продолжительностью жизни. Это означает, что развертывание электрических или магнитных парусов (которые могли бы продолжать исследовать Вселенную в течение эонов) - плохая идея, но миссия, которая может прибыть в другую звездную систему в наши жизни, кажется предпочтительным вариантом на данный момент.
