Что такое «солнечный парус» и как он работает?

Около 5 тысяч лет назад в Древнем Египте произошло нечто, что в корне изменило мир. Судя по археологическим находкам, примерно в это время египтяне изобрели паруса, которые начали использоваться для управления кораблями при помощи силы ветра. В это сложно поверить, но на данный момент человечество снова стоит на пороге открытия, которое повлияет на весь мир. Ученые пытаются использовать так называемые «солнечные паруса» для управления космическими спутниками. Осталось совсем немного времени до момента, когда космические аппараты смогут работать без топливных двигателей.

На данный момент большинство искусственных спутников, которые кружатся вокруг нашей планеты, работают на энергии ионных двигателей. Эти двигатели тяжелы, стоят довольно дорого и работают всего около трех лет, поэтому ученые уже давно пытаются найти им альтернативу. В далеком 1920 году советский изобретатель Фридрих Цандер осознал, что для полетов в космосе можно использовать подобие парусов, используемых в кораблях. Но как, по его мнению, паруса могут приводить в движение космические объекты? Ведь в космосе нет ветра.

Дело в том, что в космосе есть замечательная альтернатива ветру — солнечный свет, который состоит из невообразимого количества частиц, называемых фотонами. Каждая из них может ударяться о твердые поверхности и создавать давление, которое способно толкать объекты вперед. Представьте, как бильярдный шар сталкивается с другими шарами на столе — примерно так фотоны света и воздействуют на поверхность паруса. Так почему бы не сделать так, чтобы этой твердой поверхностью был огромный парус, а движимым объектом — крошечный спутник?

Ученые много раз пытались привести космические спутники в движение при помощи солнечных парусов, но им это долго не удавалось. Дело в том, что сила частиц солнечного света очень мала и ее не хватает для того, чтобы толкать большие спутники вперед. Ученым потребовались десятки лет, чтобы уменьшить спутники до размеров крохотных смартфонов. Одними из таких компактных аппаратов являются кубсаты, которые изготавливаются в размерах 10 х 10 х 11 сантиметров. Несмотря на малые размеры, у них есть все необходимое для наблюдения за Землей.

Первым космическим спутником с работающим солнечным парусом стал японский аппарат IKAROS. Его запуск состоялся 21 мая 2010 года, когда тонкий парус с 20-метровой диагональю пребывал в сложенном виде. После выхода на орбиту, парус начал раскрываться и завершил этот процесс только спустя неделю после начала. При помощи этого паруса и солнечного света, аппарат смог регулировать направление своего движения. Однако, потом аппарат попал в тень и впал в «спячку», из-за чего эксперимент пришлось остановить.
 

Но ученые не опустили руки и испытания солнечного паруса идет прямо сейчас. Если взглянуть на ночное небо, там вполне можно заметить космический аппарат LightSail 2 от Планетарного сообщества. Он был выведен на орбиту нашей планеты в июне 2019 года при помощи ракеты-носителя Falcon Heavy. Спустя несколько недель он раскрыл свой солнечный парус — его площадь равна 32 квадратным метрам и именно поэтому у людей есть возможность разглядеть его с Земли. Подумать только — парус имеет почти такую же площадь, что и среднестатистическая квартира!
 

Парус неспроста имеет такой огромный размер. Дело в том, что для приведения в движение даже маленького аппарата размером с буханку хлеба, частицам солнечного света нужно воздействовать на максимально возможную площадь паруса. Возможно, в будущем ученым удастся создать спутники меньшего размера, например, со спичечный коробок. Вот тогда паруса действительно станут маленькими, и разглядеть их с Земли будет невозможно.

Кстати, у аппарата LightSail-2 был прототип под названием LightSail-1. Он был выведен на орбиту 20 мая 2015 года и развернул парус 7 июня. Спустя еще 7 дней он провел свой тестовый полет, который длился не более суток. В отличие от прототипа, аппарат LightSail-2 будет лететь по орбите Земли как минимум до середины августа.

Наверное, вам интересно, какую скорость можно развить при при помощи солнечного паруса? Скорость движения и интенсивность ускорения напрямую зависит от размеров паруса и спутника. Аппарат LightSail 2 на данный момент совершает полный оборот вокруг нашей планеты за 90 минут. Скорость движения спутника, кстати, постоянно увеличивается — за один месяц пребывания под воздействием солнечного света он ускоряется на 549 ​​километров в час. Пока скорость аппарата довольно мала, но со временем, если его оставить в рабочем состоянии, он может достигнуть скорости Международной космической станции, а это около 27 000 километров в час.
 

Аппарату LightSail 2 нужно постоянно кружиться, чтобы ловить солнечные лучи

Так как работоспособность спутников с солнечными парусами напрямую зависит от частиц света, их невозможно использовать за пределами Солнечной системы. Хотя, в остальных частях Вселенной наверняка есть другие источники света, поэтому в очень далеком будущем солнечные паруса тоже могут пригодиться.

Солнечные паруса действительно работают и совсем скоро спутники могут лишиться своих ионных двигателей. Это заметно снизит их стоимость, потому что солнечные паруса явно обходятся дешевле двигателей, ведь по сути это — зеркальное полотно, растянутое вокруг спутника. К тому же, аэрокосмическим компаниям не придется тратить деньги на дорогостоящее топливо — в «парусных» спутниках оно попросту не нужно.
 

К сожалению, получив возможность создавать дешевые спутники, компании могут чаще выводить их на околоземную орбиту. А объектов вокруг нашей планеты и так очень много, причем в ближайшие десять лет их станет еще больше — ведь никто не забыл, что Илон Маск хочет создать всемирный интернет Starlink при помощи 12 000 спутников? Мы, люди, уже почти создали работающие солнечные паруса — теперь нам нужно думать, как избавиться от космического мусора.

Напоследок, хочется порекомендовать рассказ английского фантаста Артура Кларка «Солнечный ветер». В нем рассказывается о регате космических кораблей, которые движутся при помощи давления солнечного ветра. В своем произведении писатель рассказал о разных видах солнечных парусов (они еще не существуют!) и способах управления ими.