Два новых исследования только что изложили основы создания межзвездного светового паруса

На протяжении многих веков люди мечтали о том, чтобы световые ветры несли их на огромной скорости через океаны космоса.

Как бы причудливо ни звучала эта идея, но медленное подталкивание отражающих парусов к скорости света с помощью лишь фотонов может стать единственным реальным шансом достичь другой звезды в течение одной человеческой жизни.

Это также гораздо легче сказать, чем сделать. Частицы света могут быть быстрыми, но они не толкаются очень сильно. Если сделать парус достаточно легким, чтобы он ощущал инерцию излучения, то постоянный шквал фотонов может непреднамеренно повредить его материал.

Создание паруса, способного противостоять опасностям, угрожающим космическим кораблям в столь длительном путешествии, потребует умных решений; возможно, таких, которые предложены в двух исследованиях, опубликованных недавно в журнале Nano Letters.

Разработанные инженерами из Университета Пенсильвании и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в США в рамках инициативы Breakthrough Starshot, инновации направлены на поиск путей достижения баланса прочности и массы, необходимого для межзвездного корабля.

"Идея легкого паруса возникла уже давно, но мы только сейчас выясняем, как сделать так, чтобы эти конструкции выдержали путешествие", - говорит Игорь Баргатин, инженер-механик из Университета Пенсильвании.

Подобно частицам воздуха, ударяющимся о парус из ткани, волны излучения обмениваются импульсом с любыми объектами, о которые они ударяются. В отличие от молекул воздуха, фотоны, или молекулы света, не имеют массы покоя, поэтому любая сила, которую они создают, будет небольшой.

Например, свет, отражающийся от вашего тела, когда вы загораете, по силе примерно равен одной тысячной грамма.

Есть несколько способов усилить это давление, чтобы заставить объект двигаться. Один из них - сделать больший парус, который сможет уловить больше света. Другой способ - сделать свет, попадающий на объект, более интенсивным, например, направить на него множество лазеров.

Но здесь кроются некоторые проблемы. Большие паруса означают большую массу. Уменьшение массы позволит легче толкать его, но потенциальной ценой этого будет снижение прочности, что подвергнет парус риску разрыва.

Больший вес также создает некоторые проблемы. Например, по мере ускорения паруса длина волны излучения, попадающего на него, будет медленно смещаться в сторону красной части радуги, что накладывает ограничения на виды материалов, которые не будут поглощать слишком много инфракрасного излучения и перегреваться.

Поиск подходящего материала для того, чтобы сделать паруса прочными, легкими и способными выдерживать тепло, производимое гигаваттами лазерного излучения, был предметом предыдущих исследований. Но ни одно из них не было действительно сосредоточено на компромиссе между низким поглощением и высоким импульсом на определенном расстоянии, необходимом для ускорения корабля.

В последнем предложении инженеры предлагают сделать парус из двух слоев, состоящих из соединений дисульфида молибдена и нитрида кремния, которые могут быть изготовлены в виде листов и обладают такими оптическими свойствами, которые позволяют сбалансировать минимальное поглощение и излучение света при его растяжении.

Во второй работе проблема рассматривается не с точки зрения материалов, а с точки зрения структуры, разработанной для того, чтобы выдержать нагрузку от повышенного давления фотонов, которое будет оказывать лазерный массив.

Изгиб паруса улучшит устойчивость, как это происходит в парашютах, но, как отмечают авторы исследования, было проведено мало исследований о том, какие нагрузки давление света будет оказывать на такую структуру.

Смоделировав круглый, сферически изогнутый парус размером в квадратный метр - такой, который мог бы буксировать полезный груз весом в несколько граммов - команда продемонстрировала, что достаточная кривизна определенно является необходимым условием.

Как и в другом исследовании, ученые также изменяли время разгона, чтобы найти оптимальный баланс механических и тепловых нагрузок и времени путешествия.

В идеале Breakthrough Starshot стремится сделать корабль достаточно легким, чтобы он мог развивать скорость около 20% от скорости света; этого достаточно, чтобы преодолеть расстояние в 4,2 световых года до Проксимы Центавра всего за пару десятилетий.

Важно отметить, что эта технология, возможно, никогда не будет способна перевозить пассажиров. Это еще некоторое время будет оставаться плодом научной фантастики.

Но, возможно, уже в течение нашей жизни мы сможем близко познакомиться с чужой планетной системой.