В NASA сообщили, что подготовили к запуску в космос платформу с солнечным парусом нового поколения. Небольшой спутник будет запущен в текущем месяце со стартового комплекса №1 в Махии в Новой Зеландии на ракете Electron компании Rocket Lab. После вывода платформы на солнечно-синхронную орбиту высотой 1000 км платформа развернёт солнечный парус площадью 80 м². Из-за отражённого от паруса солнечного света объект будет таким же ярким, как звезда Сириус.

Художественное представление новой платформы NASA с солнечным парусом. Источник изображений: NASA

Для испытаний новой платформы солнечного паруса компания NanoAvionics изготовила кубсат нестандартного масштаба 12U. Целью испытания станет проверка системы «парусного такелажа» — специально созданных для солнечных парусов композитных мачт, которые в свернутом виде имеют размер примерно с обычную рулетку, но могут разворачиваться в достаточно жёсткие распорки по семь метров длиною каждая.

При выходе на заданную орбиту мачты начнут выдвигаться из своих гнёзд и увлекать за собой закреплённые на них сегменты паруса. Каждая распорка представляет трубчатую конструкцию из композитного материала, что придаст им в итоге жёсткость. Однако при намотке на барабан они уплощаются и, в итоге, становятся компактными, когда втянуты внутрь. В перспективе это поможет, например, создавать парусные конструкции площадью до 2 км². Предложенная конструкция и материал мачт теоретически это допускают.

На разворачивание экспериментального паруса уйдёт 25 минут. Всё это время процесс развёртывания будет сниматься на камеру. Повторим, цель запуска — проверка новой раздвижной системы и сбор данных для создания ещё более масштабных парусов. В качестве дополнительного эксперимента будет проверена возможность манёвров кубсата с помощью ориентации паруса, как это происходит в парусном спорте на Земле. Только в космосе давление на парус будут создавать испущенные солнцем фотоны, но принцип тот же.

Специалист NASA проводит осмотр кубстата с солнечным парусом в сборе

В перспективе, считают в NASA, спутники с парусами смогут использоваться в длительных миссиях по Солнечной системе. Это позволит уйти от тяжёлых двигателей и огромных запасов топлива. Двигаться спутники с солнечным парусом заставит Солнце и оно в человеческих масштабах неисчерпаемое.

Что касается системы развёртывания парусов, то она также может найти применение в создании космических станций (в виде каркаса) и в конструкциях лунных и марсианских баз. Это технология широкого профиля, осталось только испытать её в условиях космоса, чтобы подтвердить стойкость и надёжность выбранных композитных материалов.

Зафрахтованный компанией Cargill балкер Pyxis Ocean компании Mitsubishi Corporation стал первым в мире судном, на которое установили два паруса-крыла WindWings британской компании BAR Technologies. Оснащение грузовых судов парусами снизит потребление топлива на величину до 30 % за рейс и сделает воздух чище. Также снизится стоимость эксплуатации судов, что важно в свете перехода на более дорогие экологические виды топлива.

Оснащённый парусами Балкер Pyxis Ocean компании Mitsubishi Corporation. Источник изображений: BAR Technologies

Каждый установленный на балкер Pyxis Ocean парус-крыло имеет высоту 37,5 м. Паруса составные с поворотными сегментами. Это позволяет оптимально и быстро выбирать угол по отношению к ветру, а также убирать паруса при заходе на погрузку или во время шторма. Кроме того, для оптимизации расхода топлива и максимальной отдачи от силы ветра маршрут судна предполагается гибким, но не обязательно коротким. Это не путь из точки А в точку Б. Ветер может установить своё расписание движения.

Проект парусов разработала британская компания BAR Technologies. Изготовлены они норвежской компанией Yara Marine Technologies. Судно предоставили японцы, а установкой парусов занималась китайская верфь COSCO. Судно недавно спущено на воду в свой первый испытательный рейс. Партнёры будут пристально изучать эксплуатационные возможности балкера, чтобы на основе этого проекта решить судьбу остального балкерного флота, половине из которого в мире порядка 9 лет. Если опыт будет удачным, модернизация сухогрузов начнётся в массовом порядке. В противном случае проект будет дорабатываться.

По предварительным оценкам, использование парусов позволит экономить на средних международных маршрутах до 15 % дизельного топлива и до 30 % на трансокеанских. Каждый день паруса позволят экономить до 1,5 т мазута, каждая тонна которого стоит около $800. Экологическое топливо, очевидно, будет стоить дороже. И если операторов перевозок обяжут перейти на биодизель, то паруса станут реальной возможностью удержать транспортные расходы на приемлемом уровне.

Китайским учёным удалось создать притягивающий луч на базе лазера, способный перемещать объекты на макроуровне, не прикасаясь к ним. На первый взгляд устройство работает нелогично: вместо того, чтобы отталкивать предметы, лазер их притягивает. Сообщается, что при использовании лазера мощностью 90 мВт создаётся притягивающая сила около одного микроньютона.

Источник изображения: Star Trek

Устройство обманчиво просто. Это кусочек стекла с отражающим золотым покрытием, к которому приклеена чешуйка графена. На чешуйку графена одновременно направляются синий, голубой и зелёный лазеры. И объект начинает двигаться к источнику лазерного излучения.

В принципе, установка основана на известных явлениях. Оптические пинцеты и солнечные паруса также используют свет для перемещения предметов. Однако оптический пинцет обычно ограничивается объектами размером с одну молекулу, а в парусе используется давление солнечного ветра. «В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком мала, чтобы тянуть макроскопический объект, — сказал член исследовательской группы Лей Ван (Lei Wang) из Китайского университета науки и технологий Циндао. — С нашим новым подходом сила притяжения света на три порядка больше, чем световое давление на солнечный парус, использующий импульс фотонов для создания небольшой толкающей силы».

Устройство основано на уникальных свойствах графена. Графен — это один слой кристаллической решётки углерода толщиной в 1 атом. Уникальность данного материала в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводник. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97 % прозрачен. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Источник изображения: iLexx/Getty Images

Графен является оптически поглощающим, что означает, что он сохраняет некоторый процент энергии при бомбардировке фотонами и при этом эффективно проводит тепло. Поэтому, когда учёные направили лазер на сэндвич из графена, стекла и золота, графен передал эту энергию прямо на дальнюю сторону объекта. Из термодинамики известно, что горячие предметы излучают больше энергии, чем холодные, при прочих равных условиях. В лабораторных условиях этого дифференциального нагрева было достаточно, чтобы заставить объект двигаться.

Исследователи работали в строго контролируемой среде низкого давления. Это уменьшило оптическое рассеяние, которое могло бы исказить эксперимент. Это значит, что тяговые лучи могут оказаться наиболее полезными в космосе, как и мечтали когда-то мастера фантастики. «Наша методика обеспечивает бесконтактный метод притягивания объектов на большие расстояния, — сказал Ван. — Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации технологии, похожа на Марсианскую. И тут мы видим потенциал для управления транспортными средствами или самолётами на Марсе в отдалённом будущем».

Человечество далеко от межзвёздных полётов, но это не помешало запустить несколько космических аппаратов, первые из которых уже вышли в межзвёздное пространство и когда-нибудь достигнут близких или далёких звёзд. Одним из рабочих вариантов для межзвёздного перелёта сегодня может быть солнечный парус и, как выяснилось, у этой технологии есть очень и очень хороший запас, который может многократно ускорить межзвёздные полёты даже сегодня.

Источник изображения: JJ Harrison/Wikimedia Commons

Группа физиков из Университета Макгилла (McGill University) обосновала модель быстрого набора скорости межзвёздным зондом при минимальном расходе топлива. Расчёты показали, что космический корабль с солнечным парусом может набрать скорость в 0,5 % от скорости света примерно за один месяц. Разгон до 2 % от скорости света может совершиться примерно за полтора года. На такой скорости полёт до ближайших звёзд продлится от 100 до 200 лет. Зонду семейства «Вояджер», например, для этого понадобятся десятки тысяч лет.

Чтобы относительно быстро разогнать корабль до скоростей многократно превышающих возможности современных двигательных установок учёные обратили внимание на так называемый эффект динамического парения в атмосфере Земли. Птицы и планеристы обычно используют этот эффект для быстрого набора скорости.

Манёвр возможен только при существовании двух воздушных масс с разной скоростью. Аппарат или птица входят в поток с большей скоростью против его движения и совершают обратную петлю с возвращением в более медленный поток. С каждым витком скорость будет увеличиваться, пока не наступит предел в виде сопротивления встречного потока.

Подобная разница в скорости движения потоков частиц солнечного ветра наблюдается на границе гелиосферы нашей системы, где частицы солнечного ветра сталкиваются с частицами межзвёздной среды. Как считают учёные, космический аппарат с солнечным парусом может многократно совершить переход между потоками частиц, движущихся с разной скоростью и самому набрать нужную скорость.

Схема набора скорости при пересечении границы двух сред с разной скоростью движения частиц. Источник: Frontiers in Space Technologies

Очевидно, что с обычным солнечным парусом такой манёвр совершить будет очень сложно если вообще возможно. Солнечный парус для межзвёздного полёта — это сотни квадратных метров тончайшего полотна на несколько килограммов полезного груза. Для роли паруса учёные выбрали «магнитогидродинамическое крыло», создаваемое системой магнитов. Иными словами, частицы солнечного ветра будут улавливаться магнитными полями, что интересно само по себе.

Учёные уверены, что их идеи можно реализовать на практике в обозримом будущем. Теория подтверждает их работоспособность. Осталось воплотить в железе.

Некоммерческая организация «Планетарное общество» сообщила, что примерно 17 ноября космический аппарат LightSail 2 завершил свою миссию возвращением в атмосферу, где успешно сгорел. Аппарат был запущен в космос в июне 2019 года с целью испытать концепцию солнечного паруса, который заменил бы спутнику тяговый двигатель. Результаты эксперимента превзошли ожидания: вместо одного года аппарат продержался на орбите более трёх лет.

Последний снимок LightSail 2 перед входом в атмосферу

Фотоны не имеют массы, но обладают импульсом, который передаётся всем телам, попавшимся им на пути. В космосе, где нет сопротивления атмосферы или оно довольно слабое, как на орбитах Земли свыше 400 км, поток света от Солнца (поток фотонов) способен создавать ощутимое давление на сверхлёгкие паруса относительно большой площади. Солнечный парус в значительной степени может заменить двигатель и избавить спутник от необходимости нести запас топлива для коррекции орбиты, а это резерв полезного веса для научной аппаратуры.

Проект LightSail 2 стал третьей попыткой Планетарного общества вывести на орбиту спутник с солнечным парусом. Первая попытка в виде запуска аппарата Cosmos 1 провалилась в 2005 году, когда аппарат не смог выйти на орбиту. Вторая закончилась успешным развёртыванием солнечного паруса в 2015 году. Наконец, в 2019 году ракета SpaceX Falcon Heavy вывела кубсат «размером с коробку из-под обуви» на орбиту высотой 720 км, где парус площадью 32 м² был успешно развёрнут и помог удерживать аппарат на орбите около 3,5 лет. Все запуски, добавим, финансировались за счёт пожертвований.

За время миссии аппарат LightSail 2 совершил 18 тыс. облётов Земли и прошёл 8 млн км по орбите. Последний снимок спутником был сделан 24 октября 2022 года. И хотя он сгорел в атмосфере, данные о его полёте и поведении солнечного паруса продолжают анализироваться и распространяться среди заинтересованных организаций.

Эстафету LightSail 2 должен был подхватить кубсат NEA Scout. Последний был отправлен в космос, как сопутствующая нагрузка миссии Artemis I. Кубсат NEA Scout намеревался использовать солнечный парус площадью 86 м² для дрейфа к астероиду 2020 GE. К сожалению, после отправки ракеты к луне 16 ноября аппарат NEA Scout так и не вышел на связь. Миссия Artemis I так долго откладывалась, что аккумуляторы некоторых кубсатов вышли из строя, а заменить их возможности не было. Но это наверняка не последний проект космического аппарата с солнечным парусом. Опыт LightSail 2, так или иначе, будет реализован в одном из новых проектов.

По сообщениям китайских СМИ, на днях на верхней ступени ракеты-носителя «Чанчжэн-2» был развёрнут парус для ускорения свода с орбиты отработавшей ступени. Парус площадью 25 м² поможет ступени затормозить и войти в плотные слои атмосферы для полного уничтожения. Тем самым космического мусора на орбите станет меньше, а технология может получить путёвку в жизнь.

Источник изображения: Xinhua

По разным оценкам, на орбите Земли может быть до миллиарда фрагментов космического мусора, что обещает стать проблемой для космонавтики уже в обозримом будущем. Это тем более вероятно, что началась гонка за спутниковым интернетом на основе группировок из тысяч космических аппаратов связи. Для примера, спутник весом 15 кг на орбите высотой 700 км без посторонней помощи будет падать в атмосферу 160 лет. Парус площадью 2 м² на таком спутнике ускорит падение аппарата до 10 лет. Парус большей площади ещё сильнее сократит время пребывания отработавшего спутника на орбите.

В Китае отрабатывают технологию развёртывания парусов для торможения на спутниках и ракетах. Запуск демонстратора паруса на верхней ступени лёгкой ракеты «Чанчжэн-2» стал первым в мире такого рода и ключевым для китайской программы по сокращению космического мусора. Вторая ступень весом 300 кг с тормозящим парусом площадью 25 м² должна войти в атмосферу для уничтожения через два года. Важно отметить, что «парусная регата» просчитывается от начала до конца, поскольку свод с орбиты всё это время должен быть контролируемым, чтобы избежать столкновений с другими аппаратами (и мусором) и сгореть над строго заданным районом Земли.

Вид на развёрнутый на второй ступени парус. Источник изображения: Weibo

До этого момента парус на спутниках рассматривался в основном как тяговый или солнечный парус. Под действием солнечного ветра или под лучом лазера с Земли аппараты с солнечными парусами могут выполнять межпланетные и даже межзвёздные полёты. Прототипы подобных решений испытывались в космосе неоднократно и оцениваются как перспективные, в том числе российскими учёными. Но для торможения парус первыми испытали в Китае и, вероятно, первыми они возьмут его на вооружение.

На деньги NASA стартовала вторая фаза разработки инновационного солнечного паруса, который позволит космическим аппаратам летать под воздействием солнечного ветра как вдоль потоков, так и под значительными углами к нему. Это повысит манёвренность аппаратов с солнечными парусами и позволит использовать необычные двигательные установки для таких миссий, которые раньше для них были недостижимы.

Источник изображения: MacKenzi Martin / NASA

Разработку проводит группа американских учёных во главе с Эмбер Дубилл (Amber Dubill) из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд. В NASA высоко оценили концептуальное предложение и выделили $2 млн на два года для создания действующего прототипа.

Идея солнечного паруса не нова и даже не раз была реализована на практике. Например, в ходе миссии Artemis I при облёте Луны будет запущен спутник Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout), который отправится изучать 18-метровый астероид 2020 GE. Основным двигателем аппарата NEA Scout будет солнечный парус площадью около 86 м². Но это будет обычный парус, работа которого будет максимально эффективной только тогда, если солнечный ветер будет «дуть» строго перпендикулярно его плоскости.

Новый солнечны парус использует принцип изгибания волн при прохождении узкого места или дифракцию и так же называется: «Дифракционный солнечный парус». Поток солнечного ветра будет изгибаться до падения на ткань паруса, для чего перед ним в тонкую плёнку будут встроены дифракционные решётки. Это позволит парусу не зависеть или меньше зависеть от угла падения солнечного ветра на его поверхность и совершать более смелые манёвры с большей тягой даже под углом к солнечным лучам.