Сонячне вітрило майбутнього: як NASA випробовує технологію, що наблизить людство до зірок

NASA 29 серпня повідомило про успішне розгортання сонячного вітрила у відкритому космосі – це крок, що може кардинально змінити рушії космічних кораблів. 5 вересня агентство опублікувало фотопідтвердження розгортання вітрила Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), запущеного ще 23 квітня. У NASA пообіцяли ще більше світлин з судна.

Сонячні вітрила – не нова, але багатообіцяюча технологія. З часом вона навіть може допомогти людству досягти зірок.

24 Канал поговорив з експертом та розповідає про проєкт сонячного вітрила від NASA.

Що таке сонячне вітрило та для чого його вигадали

Сонячне вітрило – це рушій космічного корабля, який використовує тиск сонячного вітру або лазер для руху.

За аналогом вітрил на воді, де використовується енергія вітру для мандрівки, у космосі намагаються впіймати енергію фотонів, які генеруються нашим світилом та мають постійний та передбачуваний характер поведінки – так званий сонячний вітер,
– прокоментував 24 Каналу експерт з космічних питань Андрій Колесник.

Концепцію сонячного вітрила озвучили у 1920-их роках ряд вчених, зокрема британсько-індійський науковець Дж. Б. С. Холдейн та ірландський вчений Джон Бернал. Сонячні вітрила згадували й у науковій фантастиці – наприклад, в оповіданні Sunjammer Артура Кларка 1964 року.

• У 1989 році у США оголосили конкурс на виведення у космос декількох кораблів з вітрилами, які мали б влаштувати перегони до Марсу за 500 днів. Заявки на участь подали США, Канада, Велика Британія, Італія, Китай, Японія і Радянський Союз, однак перегони так і не відбулися.
• Першим космічним кораблем, який використав технологію сонячного вітрила, був IKAROS, запущений у 2010 році Агентством аерокосмічних досліджень Японії. IKAROS став першим успішним випадком демонстрації сонячного вітрила у космічному просторі.

Що відомо про вітрило NASA

Мета NASA щодо сонячних вітрил – забезпечити майбутні місії недорогими рушіями. Подібно до того, як вітрильний човен приводиться в дію силою вітру, сонячні вітрила використовують тиск сонячного світла для руху. Таким чином відсутня потреба в звичайному ракетному паливі.

Вітрило ACS3 використовує композитні матеріали, які розгортаються з невеликого апарата-кубсата. Композитні штанги вітрила виготовлені з гнучкого полімерного матеріалу, посиленого вуглецевим волокном.

Дані, отримані з ACS3, допоможуть у проєктуванні майбутніх більш масштабних композитних систем сонячних вітрил, які можна буде використовувати для супутників раннього попередження, розвідувальних місій навколо Землі астероїдів або реле зв'язку для пілотованих дослідницьких місій.

Вітрило NASA у лабораторії / Фото NASA

Параметри сонячного вітрила NASA складають близько 9 метрів на кожну сторону квадрата загальною площею 81 квадратний метр, воно розгортається приблизно за 25 хвилин. Набір бортових камер фіксує розгортання вітрила, щоб стежити за його формою та процесом вирівнювання.

Сонячні вітрила можуть працювати упродовж тривалого терміну, єдині обмеження якого – довговічність матеріалів та електронних систем корабля.

Як минув політ ACS3

23 квітня ACS3 запустили на ракеті Electron у межах місії Beginning Of The Swarm. 29 серпня маленький кубсат випустив вітрило, яке успішно розгорнулося у космосі, а 5 вересня NASA отримало знімки вітрила.

Корабель продовжує надсилати зображення та дані на Землю, допомагаючи краще зрозуміти, як спрацювала технологія розгортання. У NASA готуються до наступних етапів демонстрації вітрила упродовж кількох тижнів.

ACS3, який зараз обертається навколо Землі, можна побачити з Землі – це можна зробити за допомогою нової функції у застосунку NASA. В агентстві закликали людей ділитися власними фотографіями космічного корабля з хештегом #SpotTheSail.

Одне з фото вже доступне в X.

А так виглядає сам перший знімок вітрила.

Сонячне вітрило / Фото NASA

Advanced Composite Solar Sail System має чотири чорно-білі ширококутні камери, розташовані в центрі борту космічного корабля. У нижній частині фотографії видно світловідбиваючі елементи вітрила, які підтримують штанги. У верхній частині – задня поверхня однієї з сонячних панелей космічного корабля.

Зараз корабель повільно перекидається на орбіті, однак команда інженерів планує стабілізувати його після збору достатньої кількості даних. Тоді зображення вітрила мають стати більш якісними.

Чи буде дорога до зірок: яке майбутнє сонячних вітрил

Сонячні вітрила здатні наблизити реалізацію міжзоряних подорожей. На нинішньому рівні розвитку космічних двигунів подорож навіть до найближчої зірки – Проксіми Центавра, розташованої на відстані понад 4,2 світлових роки від нас – триватиме 73 000 років. Модифіковані вітрила могли б значно прискорити подорож.

Єдина проблема міжзоряного застосування сонячного вітрила – відстань до сонця, що постійно зростатиме. За законом обернених квадратів, кожного разу, коли подвоюється відстань від сонця, кількість сонячного світла, що потрапляє на певну область, зменшується на чверть.

Одне з рішень – використання потужного лазера, який надаватиме поштовх вітрилу. У 2016 році програма Breakthrough Initiatives оголосила про плани щодо місії до потрійної зоряної системи Альфа Центавра (там і розташована найближча до нас зірка Проксима) з використанням потужних лазерів.

Цікаво! Хоча у списку учасників ініціативи був Стівен Гокінг та низка західних вчених, засновники Breakthrough Initiatives – Юрій та Юлія Мільнери, російський інтернет-підприємець та його дружина. Водночас Мільнер влітку 2022 року вийшов з російського громадянства, а одна з його ініціатив – Breakthrough Listen, присвячена пошуку позаземного життя, з 2023 року розташувалася в Оксфорді, переїхавши з Каліфорнійського університету в Берклі.

Ініціатива вартістю 100 мільйонів доларів, створена фондом Breakthrough Initiatives, зосереджена на пошуку техносигнатур, сигналів або вказівок на технологічно розвинуті позаземні цивілізації.

В теорії лазерні вітрила можуть розвивати швидкість у 20% від швидкості світла. Це зробить Альфу Центавра доступною всього за 20 років.

Сонячне вітрило як засіб рушійної сили для космічних апаратів набув шаленої популярності разом з іншими "екзотичними" рушійними системами подолання неосяжного космічного простору завдяки розвитку відповідного напрямку наукової фантастики у другій половині минулого сторіччя,
– прокоментував 24 Каналу Андрій Колесник, експерт з дослідження космосу.

Предметом технологічних пошуків залишалось винаходження специфічного матеріалу, який був би одночасно надлегким та міг би витримувати протягом багатьох років/десятиліть суворі космічні умови.
Для того, щоб рухатись всередині Сонячної системи, потрібні шалені швидкості, які можна досягти лише завдяки застосуванню неймовірних розмірів сонячний вітрил.

Ті технології, які тестуються зараз, надають змогу лише коригувати рух штучних космічних об’єктів на навколоземних орбітах, пояснює експерт.

Їхньої потужності поки що недостатньо навіть для подорожі до найближчої планети – мова може йти, у найбільш просунутому випадку, лише про грами корисного вантажу, якщо ціллю буде, наприклад, Марс, каже Колесник.

Є також ідея використовувати у якості "сонячного вітру" дуже потужний лазер для наповнення фотонами цих вітрил. Але для його "накачки" також потрібні на борту космічного апарату енергетичні установки на кшталт ядерних, пояснює експерт – лише у такій конфігурації взагалі можна вести мову про подорож до найближчих зірок завдяки вітрильній рушійній силі.

Колись наукова фантастика про міжзоряні подорожі набуде ознаки технічної спроможності, але поки що роботи над критичними технологіями у цьому напрямку займуть не одне десятиліття, вважає Андрій Колесник.