Лазерный мир

12 апреля 2016 года знаменитый британский физик Стивен Хокинг и российский бизнесмен и меценат Юрий Мильнер объявили о выделении $100 млн на финансирование проекта Breakthrough Starshot. Целью проекта стала разработка технологий для создания космических аппаратов, способных совершить межзвездный полет к альфе Центавра.

В тысячах фантастических романов описаны гигантские фотонные звездолеты размером с небольшой (или большой) город, уходящие в межзвездный полет с орбиты нашей планеты (реже — с поверхности Земли). Но по замыслу авторов проекта Breakthrough Starshot все будет происходить совсем не так: в один знаменательный день две тысячи какого-то года к одной из ближайших звезд, альфе Центавра, стартует не один и не два, а сразу сотни и тысячи маленьких звездолетиков размером с ноготь и массой в 1 г. И у каждого из них будет тончайший солнечный парус площадью в 16 м2, который и понесет звездолет со все возрастающей скоростью вперед — к звездам.

Такелаж. Для сохранения формы паруса предполагается армировать его графеном. Некоторые композитные материалы на основе графена могут сокращаться под действием приложенного электрического напряжения для активного управления. Для стабилизации парус можно раскрутить или придать ему форму обратного конуса для пассивной самостабилизации в поле лазерного излучения. Солнечный парус. Один из главных элементов проекта — солнечный парус площадью в 16 м² и массой всего 1 г. В качестве материала паруса рассматриваются многослойные диэлектрические зеркала, отражающие 99,999% падающего света (по предварительным расчетам этого должно хватить, чтобы парус не расплавился в поле излучения 100-ГВт лазера). Более перспективный подход, позволяющий сделать толщину паруса меньшей длины волны отражаемого света, — это использование в качестве основы паруса монослоя метаматериала с отрицательным показателем преломления (такой материал к тому же имеет наноперфорацию, что еще уменьшает его массу). Второй вариант — это использование материала не с высоким коэффициентом отражения, а с низким коэффициентом поглощения (10−9), такого как оптические материалы для световодов.

«Выстрел к звёздам»

Основой проекта Breakthrough Starshot стала статья профессора физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипа Любина «План для межзвездных полетов» (A Roadmap to Interstellar Flight). Основная заявленная цель проекта состоит в том, чтобы сделать межзвездные полеты возможными уже при жизни следующего поколения людей, то есть не через столетия, а через десятилетия.

Полетный план

1. Ракета выводит на околоземную орбиту материнский корабль, содержащий десятки, сотни, тысячи или десятки тысяч зондов. 2. Зонды покидают материнский корабль, разворачивают паруса, ориентируются и занимают стартовую позицию. 3. На Земле начинает работать фазированный массив размерами 1 х 1 км из 20 млн небольших (с апертурой в 20−25 см) лазерных излучателей, фокусирующий лазерный луч на поверхности паруса. 4. Для компенсации атмосферных искажений используются опорные бакены — «искусственные звезды» в верхних слоях атмосферы, на материнском корабле, а также отраженный сигнал от паруса. 5. Зонд разгоняется лазерным лучом в течение нескольких минут до 20% от скорости света, ускорение при этом достигает 30 000 g. На протяжении всего полета, который продлится около 20 лет, лазер периодически отслеживает положение зонда. 6. По прибытии к цели, в систему Альфа Центавра, зонды пытаются обнаружить планеты и сделать их снимки во время пролета. 7. Используя парус как линзу Френеля и лазерный диод в качестве передатчика, зонд ориентируется и передает полученные данные в направлении Земли. 8. Через пять лет на Земле принимают эти данные.

Сразу после официального анонса программы Starshot на авторов проекта обрушилась волна критики со стороны ученых и технических специалистов в различных областях. Критически настроенные эксперты отмечали многочисленные некорректные оценки и просто «белые пятна» в плане программы. Некоторые замечания были приняты во внимание, и план полета был несколько скорректирован в первой итерации.

Итак, межзвездный зонд будет представлять собой космический парусник с электронным модулем StarChip массой 1 г, соединенным сверхпрочными стропами с солнечным парусом площадью 16 м2, толщиной 100 нм и массой 1 г. Конечно, света нашего Солнца недостаточно, чтобы разогнать даже столь легкую конструкцию до скоростей, при которых межзвездные путешествия не будут длиться тысячелетиями. Поэтому главная изюминка проекта StarShot — это разгон с помощью мощного лазерного излучения, которое фокусируется на парусе. По оценкам Любина, при мощности лазерного луча 50−100 ГВт ускорение составит около 30 000 g, и за несколько минут зонд достигнет скорости в 20% световой. Полет к альфе Центавра продлится около 20 лет.

Под звёздными парусами

Одна из ключевых деталей проекта — это солнечный парус. В исходном варианте площадь паруса изначально составляла всего 1 м2, и из-за этого он мог не выдержать нагрева при разгоне в поле лазерного излучения. Новый вариант использует парус площадью 16 м2, так что тепловой режим будет хотя и довольно жестким, но, по предварительным оценкам, не должен расплавить или разрушить парус. Как пишет сам Филип Любин, в качестве основы для паруса планируется использовать не металлизированные покрытия, а полностью диэлектрические многослойные зеркала: «Такие материалы характеризуются умеренным коэффициентом отражения и чрезвычайно низким поглощением. Скажем, оптические стекла для волоконной оптики рассчитаны на большие световые потоки и имеют поглощение порядка двадцати триллионных на 1 мкм толщины». Добиться хорошего коэффициента отражения от диэлектрика при толщине паруса в 100 нм, а это много меньше длины волны, непросто. Но авторы проекта возлагают некоторые надежды на использование новых подходов, таких как монослои метаматериала с отрицательным показателем преломления. «Кроме того, нужно учитывать, что отражение от диэлектрических зеркал настраивается на узкий диапазон длин волн, а по мере ускорения зонда эффект Доплера сдвигает длину волны более чем на 20%, — говорит Любин. — Мы это учитывали, поэтому отражатель будет настроен примерно на двадцатипроцентную ширину полосы излучения. Мы спроектировали такие отражатели. Если необходимо, доступны и отражатели с большей шириной полосы».

Читать далее: https://www.popmech.ru/science/240644-mezhzvyezdnyy-polyet-breakthrough-starshot-proekt-milnera-i-khokinga/