Исследователи представили методику, позволяющую в 10 раз ускорить межзвездные путешествия

В течение многих лет ученые искали способ преодолеть световые годы за «разумное» время, порядка человеческой жизни. В журнале Frontiers in Space Technologies команда из Университета Макгилла в Канаде и Фонда Tau Zero в США предлагает подход, непосредственно вдохновленный полетом морских птиц. Их техника позволит кораблю достичь таких планет, как Юпитер, всего за несколько месяцев.

«Если посмотреть на доступную цивилизации мощность и ту часть, которая может быть направлена на космические полеты, то можно утверждать, что запуск космического аппарата класса «Вояджер» к α-Центавре с временем прохождения, сравнимым с человеческой жизнью, будет возможен не ранее 25-го века«, — отмечают исследователи. Таким образом, перспектива межзвездных путешествий требует успешной эксплуатации источников энергии, доступных в космосе, для приведения их в движение. Ветер заряженных частиц от Солнца быстро стал потенциальным источником, и в настоящее время изучается несколько прототипов солнечных парусов.

Задача не так проста: чтобы уловить максимальное количество солнечных фотонов, эти паруса должны простираться на несколько метров; материал, из которого они изготовлены, а также форма паруса должны быть разработаны таким образом, чтобы каждый удар фотона мог эффективно преобразовываться в энергию движения — и все это, конечно, должно быть как можно более прочным и легким. Но этого все равно было бы недостаточно. «Даже самый экстремальный солнечный парус, запущенный с близкого расстояния от Солнца с использованием материалов с самой высокой температурой и самой низкой плотностью, сможет достичь лишь 2% от скорости света«, — отмечают исследователи. Это означает, что для достижения ближайшей звезды потребуется еще несколько столетий.

Цель: превысить скорость солнечного ветра

Было рассмотрено несколько концепций: магнитный парус, электрический парус и плазменный магнит. Магнитный парус (MagSail) будет состоять из петли сверхпроводящего кабеля, который создаст искусственную магнитосферу, отклоняя поток частиц солнечного ветра и передавая соответствующую силу реакции на кабель. Но исследователи объясняют, что они не могли превысить скорость солнечного ветра (т.е. около 700 км/с). Электрический парус (E-sail) не требует сверхпроводящего кабеля и использует заряженные провода высокого напряжения для отклонения заряженных частиц.

Плазменный магнит использует полифазную антенну на борту космического аппарата для генерации токов в окружающей среде, создавая магнитную структуру, которая разбухает за счет самоотталкивания, пока магнитное давление не уравновесится динамическим давлением солнечного ветра. Преимуществом является то, что он способен взаимодействовать с огромным объемом солнечного ветра при антенне всего в несколько метров и скромных потребностях в электроэнергии.

Но существует техника, которая позволит транспортному средству, взаимодействующему с солнечным ветром, превысить его скорость: динамическое парение — техника, практикуемая морскими птицами, которая предполагает многократное пересечение границы между воздушными массами, движущимися с разными скоростями. Такой градиент скорости ветра обычно формируется вблизи поверхности или вокруг препятствий. Такая техника полета позволяет некоторым птицам преодолевать тысячи километров, используя очень мало энергии.

Используя эту технику, любители дистанционно управляемых планеров достигли скорости более 850 км/ч, что примерно в 10 раз превышает скорость ветра, при этом планеры не имеют бортовой тяги. «Вдохновленные маневрами, практикуемыми морскими птицами и пилотами радиоуправляемых планеров, мы показали, что летательный аппарат, взаимодействующий с двумя различными ветровыми регионами, может извлекать энергию из сдвига ветра и разгоняться до скоростей, превышающих скорость ветра«, — написала команда в Twitter (Соц сеть запрещена в РФ).

0,5% от скорости света за один месяц!

Несколько структур в Солнечной системе предлагают достаточно большие градиенты ветра, чтобы позволить такие маневры: терминальная ударная волна (где солнечный ветер меняется со сверхзвукового на дозвуковой), гелиопауза, медленный и быстрый солнечный ветер (300-750 км/с) и край планетарной магнитосферы.

Команда смоделировала случай градиентного полета в терминальной ударной волне, где скорости восходящего и нисходящего потоков предполагаются равными 650 км/с и 162 км/с: после 1,6 лет ускорения космический корабль достигнет скорости 6 × 106 м/с, или около 2% от скорости света (и без расхода топлива). При движении вдоль медленного и быстрого солнечного ветра ускорение еще более впечатляющее: 0,5% c всего за один месяц!

Для достижения такого полета исследователи представляют концепцию «магнитогидродинамического крыла», своего рода крыла, генерирующего подъемную силу, но без какой-либо физической структуры (не используется реактивная масса на борту). Это крыло можно реализовать с помощью двух плазменных магнитов, расположенных вдоль антенны длиной несколько метров. Поле, создаваемое магнитами, может взаимодействовать с потоками солнечного ветра в разных направлениях — подобно тому, как птицы используют турбулентность ветра для создания подъемной силы.

«В этой концепции подъемная сила создается путем извлечения энергии в одном направлении (в направлении среды, обдувающей космический аппарат) и ускорения потока в другом (перпендикулярном) направлении«, — говорят они. Однако для изучения целесообразности такого подхода потребуется несколько десятилетий исследований.

«Развитие концепции взаимодействия с солнечным ветром как средства приведения в движение потребует поэтапного экспериментального подтверждения, первым из которых будет демонстрация значительного сопротивления солнечному ветру при использовании магнитной структуры для приведения в движение. Плазменный магнит, похоже, лучше всего работает в плане ускорений […], поэтому демонстрация технологии плазменного магнита представляется следующим логическим шагом«, — заключают исследователи.