Учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) создали стенд для изучения материалов для солнечного (светового) паруса, потенциально способного доставить зонды к другим звёздам и системам. Делать миниатюрные зонды мы уже научились, но с парусами проблема. К ним предъявляются достаточно жёсткие требования, что вызывает необходимость проведения глубоких научных изысканий. Созданный в США стенд для тестирования материалов поможет пройти этот путь.

Источник изображений: Caltech

Идея использовать световой парус и толкающие его мощные лазеры с Земли или из космоса окончательно сформировалась в 2016 году, когда супруги Юрий и Юлия Мильнеры финансировали проект The Breakthrough Initiatives, заручившись поддержкой всемирно известного физика Стивена Хокинга (Stephen Hawking). Научные работы по проекту возглавил Калифорнийский технологический институт. Создание на базе Калтеха платформы для тестирования материалов для световых парусов стало логическим продолжением работ в той сфере.

Для исследователей было важным отсечь тепловое влияние на образцы лазерного луча — внешнего привода паруса — от создаваемого им теплового излучения, а также от внешних помех. Сила светового давления лазера в составе стенда настолько мала (она и космосе-то будет сравнительно небольшая), что на измерениям мешал даже простой разговор рядом с установкой. В конечном итоге с использованием аргонового лазера удалось создать платформу в вакуумной камере, которая позволяла бы фиксировать воздействие фотонов на материал образцов.

«При разработке мембраны, которую в конечном итоге можно было бы использовать в качестве светового паруса, возникает множество проблем. Она должна выдерживать нагрев, сохранять форму под давлением и устойчиво перемещаться вдоль оси лазерного луча, — говорят учёные. — Но прежде чем мы сможем приступить к созданию такого паруса, нам нужно понять, как материалы реагируют на воздействие лазерного излучения. Мы хотели знать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измерив её движение. Оказывается, мы можем».

Для оценки смещения образцов паруса под воздействием светового давления были использованы два луча — опорный и измеряющий отклонения. Для этого учёные собрали в микроскопе интерферометр. Почему в микроскопе? Размеры образцов составляют всего 40 × 40 мкм, поэтому для работы с ними без микроскопа не обойтись.

Образец фиксируется в раме на пружинных растяжках. Образец можно поворачивать под нужным углом к лазерным лучам, имитируя различные условия полёта и манёвров, а также получая информацию о распределении силы, которая оказывает на парус световое давление. Очевидно, в полёте парус может менять угол по отношению к толкающему его лучу. Важно возвращать его на курс, что, кстати, можно делать автоматически, если использовать метаматериалы на внутренней поверхности паруса, которые, например, будут придавать ему обратное вращение для возвращения на курс просто под давлением света.

Создаваемое лазером давление на крошечную мембрану из нитрида кремния сместило его на несколько пикометров. Ранее нитрид кремния уже рассматривался в качестве перспективного материала для светового паруса. Новая работа показала, что его свойства можно буквально изучать под микроскопом, собирая полный набор данных, необходимых для будущей реализации масштабного проекта.

Кстати, не обязательно лететь к Альфе-Центавра. Небольшой зонд с солнечным парусом уже сегодня мог бы послужить науке, оказав помощь в поиске девятой планеты в Солнечной системе где-то на её далёких окраинах, на что намекают множество косвенных фактов. И это была бы удивительная история.

Космический корабль NASA ACS3 (Advanced Composite Solar Sail System) был запущен 23 апреля для проверки ключевых аспектов работы солнечного паруса и отработки стратегии движения при помощи солнечного ветра. Тем не менее, без проблем не обошлось. При развёртывании паруса площадью 80 м² одна из четырёх мачт оказалась погнута. Инженеры NASA считают, что это не помешает выполнению манёвров и другим испытаниям.

Источник изображений: NASA

Солнечный парус ACS3 поддерживается в раскрытом состоянии при помощи четырёх раздвижных мачт. Развёртывание паруса началось в августе, а недавно выяснилось, что текущая конфигурация конструкции не совсем соответствует запланированной. «Хотя солнечный парус полностью раскрылся до своей квадратной формы размером примерно с половину теннисного корта, команда миссии оценивает то, что, по-видимому, является небольшим изгибом в одной из четырёх штанг», — говорится в сообщении NASA.

Четыре камеры на борту ACS3 направлены на четыре фрагмента солнечного паруса, поддерживаемого композитными мачтами. Парус имеет прямоугольную форму, но выглядит искажённым из-за широкоугольного объектива. Операторы миссии в настоящее время анализируют небольшой изгиб в левом углу нижнего левого изображения.

Специалисты NASA предполагают, что изгиб одной из мачт произошёл во время развёртывания. Затем в результате вращения корабля этот изгиб мог частично выпрямиться. Вращение корабля возникло из-за планового отключения системы управления ориентацией с целью «приспособиться к изменяющейся динамике космического корабля по мере развёртывания паруса». Система до сих пор не была повторно активирована, поэтому ACS3 продолжает медленно вращаться.

Представители NASA не видят в этом большой проблемы: «Команда миссии прогнозирует, что небольшой изгиб одной из четырёх мачт не помешает системе Advanced Composite Solar Sail System выполнять манёвры под парусом позже в ходе демонстрации технологии».

На сегодняшний день солнечный парус был использован считанное количество раз. Первопроходцем в 2010 году стал японский космический корабль Ikaros, который использовал солнечный ветер в межпланетном пространстве по пути к Венере. Малый космический аппарат NASA NanoSail-D развернул свои паруса на околоземной орбите в конце 2010 года. В 2019 году некоммерческая организация Planetary Society запустила космический парусник LightSail-2.

В ноябре 2022 года NASA во время лунной миссии Artemis 1 планировало запустить малый зонд с солнечным парусом NEA (Near-Earth Asteroid) Scout, но связь с ним прервалась и дальнейшая судьба неизвестна.

В конце августа Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) сообщило об окончании процесса развёртывания в космосе солнечного паруса в рамках миссии Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). Теперь же ведомство опубликовало первый снимок паруса, сделанный камерой с борта космического аппарата, который доставил его на орбиту Земли. Ожидается, что в будущем солнечные паруса будут использоваться для перемещения спутников в космическом пространстве.

Источник изображения: NASA

Опубликованный снимок может показаться слегка запутанным. Это связано с тем, что космический аппарат медленно вращается в процессе движение на орбите. После сбора достаточного количества телеметрических данных о работе паруса и удерживающих его композитных направляющих специалисты NASA стабилизируют положение аппарата. Вероятно, после этого удастся сделать более разборчивые снимки.

В конструкции космического корабля размещены четыре широкоугольные камеры, одна из которых и сделала снимок, опубликованный NASA. В нижней части изображения можно увидеть «отражающие квадратные паруса, поддерживаемые композитными балками», а в верхней части запечатлена тыльная сторона одной из солнечных панелей. Элементы паруса выглядят слегка искажёнными из-за широкоугольного поля зрения камеры.

Американский экспериментальный космический аппарат Advanced Composite Solar Sail System (ACS3) отправился на земную орбиту 24 апреля этого года, и сейчас операторы миссии подтвердили, что ему удалось успешно развернуть солнечный парус в космосе, сообщили в NASA.

Источник изображения: nasa.gov

В минувший четверг, 29 августа, в 13:33 по времени Восточного побережья США (20:33 мск) инженеры получили данные, что испытание системы развёртывания солнечного паруса прошло успешно. Он работает аналогично парусам на земных водных судах, только для его работы необходим солнечный свет. Фотоны относятся к безмассовым частицам, но при столкновении с объектом они могут передавать ему импульс — на этом эффекте основан принцип работы солнечного паруса. Космический аппарат, на котором он развёрнут, оснащён четырьмя камерами, способными вести панорамную съёмку как отражающего паруса, так и композитных мачт, на которых он установлен. Первые снимки высокого разрешения, как ожидается, будут опубликованы 4 сентября.

Испытания ACS3 будут проводиться в течение ближайших недель — инженеры проведут наблюдение за манёвренностью паруса в космосе. Регулируя орбиту, они получат данные, которые смогут использоваться в проектировании и эксплуатации будущих миссий аппаратов с солнечными парусами. Сейчас ACS3 находится на орбите примерно вдвое выше МКС. Если посмотреть на него сверху, он выглядит как квадрат размером почти в половину теннисного корта — около 80 м².

В судоходстве одним из самых сложным и дорогих было производство паруса корабля. Он должен быть одновременно лёгким и прочным, что в полной мере относится к солнечным парусам для межзвёздных путешествий. Исследователи из Нидерландов и США сумели разработать технологию производства лёгкого и максимально доступного солнечного паруса для межзвёздных путешествий — его стоимость обещает быть в 9000 раз меньше аналогов. Путь к Альфе Центавра открыт?

Источник изображения: Delft University

Более-менее основательно за вопрос межзвёздных полётов на солнечных парусах взялась программа The Breakthrough Initiatives, организатором которой стали супруги Мильнеры, а идейным вдохновителем — Стивен Хокинг (Stephen Hawking). Предполагалось, что под давлением излучения лазера однограммовые зонды будут запущены к Альфе Центавра с однограммовыми же парусами площадью 16 м². Это должно стать доказательством концепции межзвёздного путешествия длиной в 20 лет на скорости 20 % от световой. И если с 1-граммовыми зондами особых проблем нет, то паруса с требуемыми характеристиками и приемлемой ценой отсутствуют как класс.

Ряд научных коллективов с тех пор занимаются вопросом создания легчайших солнечных парусов. В NASA даже выделили грант на одну из самых перспективных разработок в данном направлении. Свою лепту в эту программу недавно внесла международная группа учёных из Нидерландов и США. На сайте научных препринтов arXiv.org вышла статья об экспериментальном фотонном кристалле, который может быть положен в основу светового паруса для межзвёздных путешествий.

Из нитрида кремния учёные создали кристаллическую структуру (пластинку) толщиной всего 200 нм со сторонами 60 × 60 мм. Идея заключалась в том, чтобы, во-первых, максимально облегчить материал и, во-вторых, обеспечить ему наиболее благоприятные условия для восприятия светового давления. Для снижения веса в пластинке создали миллионы нанометровых отверстий, которые одновременно решали вторую задачу — преломляли падающий на них свет наиболее оптимальным образом. Фактически учёные создали фотонный кристалл в макромасштабе и обосновали, как создавать такие структуры метрового и большего размера.

По словам исследователей, стоимость производства каждого квадратного метра такого материала для светового паруса будет в 9000 раз ниже альтернативных предложений. Интересно отметить, что рисунок (паттерн) отверстий, превращающих материал в фотонный кристалл, был оптимизирован с применением нейронной сети (машинного обучения).

«Для этой миссии требуются материалы для светового паруса, которые бросают вызов основам нанотехнологий, требуя инноваций в оптике, материаловедении и строительной инженерии, — сказано в работе коллектива. — Это исследование подчеркивает потенциал оптимизации нейронной топологии для создания инновационных и экономически жизнеспособных конструкций световых парусов, имеющих решающее значение для освоения космоса с помощью космических программ нового поколения».

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.