Обычные ракеты застряли в парадоксе. Чтобы двигаться, нужно топливо. Топливо имеет вес. А вес требует большего количества топлива для своего подъема. Это замкнутый круг, который ограничивает нас внутренними регионами Солнечной системы и заставляет воспринимать межзвездные перелеты как чистую фантастику.
Но что, если не придется тащить с собой собственный импульс?
В свежем обзоре, опубликованном в журнале Acta Astronautica, рассматриваются технологии движения в космосе без топлива, которые игнорируют это ограничение. Вместо сжигания химикатов такие космические аппараты «крадут» импульс у окружающей среды. У планет. У солнечного света. У заряженных частиц. Они не несут с собой «огонь». Они просто скользят.
Вот как мы можем оставить Землю позади, не таща танки с гидразином в пустоту.
Гравитационный маневр: обмен времени на топливо ⏳
Мы уже знаем, как обмануть уравнение ракеты. Это называется гравитационный маневр (или гравитационный «пробег»).
Инженеры направляют зонд пролетать мимо планеты под точным углом. Аппарат ныряет в гравитационную яму планеты и совершает замах вокруг нее. Он захватывает крошечную долю орбитальной скорости планеты. Планета теряет ничтожно мало энергии. А зонд получает мощный ускорительный толчок.
Так поступали «Вояджеры-1» и «2». Они коснулись Юпитера. Затем Сатурна. Урана. Нептуна. Ни капли топлива не было сожжено для этих основных приростов скорости. Только физика и тайминг.
В чем проблема? Планеты не выстраиваются в ряд по вашему требованию.
Гравитационные маневры — это разовые возможности. Нужное окно запуска открывается редко. Пропустил дату старта — пропустил ускорение. Ты не можешь просто направить аппарат с гравитационным разгоном куда захочешь. Маршруты жесткие. Редкие. Ограничительные.
Солнечные паруса: толкаемые фотонами ☀️
Если гравитация слишком привередлива, попробуйте солнечный свет.
Технологии движения в космосе без топлива на основе солнечных парусов перешли от теории к реальности. Японская миссия IKAROS в 2010 году доказала это. Зонд развернул огромную мембрану. На нее попал солнечный свет. Фотоны отразились. Отражение создало давление. Толчок.
Это не сильный толчок. Но он непрерывен. Расход топлива равен нулю. IKAROS добрался до Венеры.
Однако у солнечных парусов есть недостатки. Материал огромный и тонкий. Представьте кружево. Одно попадание микрометеорита может прорвать дыру в вашем «двигателе». И есть еще одна проблема: расстояние. Интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния от источника. Улетите достаточно далеко, и ваш парус превратится в воздушного змея на легком ветерке. Тяга исчезнет.
Магнитные паруса: отражение солнечного ветра 🧲
Фотоны слабы. А что насчет частиц?
Солнце выбрасывает поток заряженной плазмы, называемый солнечным ветром. Магнитные паруса планируют ловить именно его. Вместо физического зеркала они используют сверхпроводящую петлю для создания магнитного пузыря. Заряженные частицы ветра ударяются о пузырь. Они отклоняются. Закон сохранения импульса дает парусу толчок.
Это звучит лучше, чем солнечные паруса. Здесь не опираются на отражение. Парус не будет деградировать из-за УФ-излучения или ударов пыли таким же образом. Теоретически он работает и на больших расстояниях от Солнца.
Так почему мы еще не построили такой?
Размеры. Сверхпроводящая петля должна иметь радиус до 50 километров. Пятьдесят километров. Сверхпроводящего провода. Который должен оставаться замороженным при криогенных температурах в космосе. Мы не можем это производить. Мы не можем это развернуть. Мы не можем это охладить.
Электрические паруса: более дешевый магнитный вариант ⚡
Магнитные поля тяжелы и дороги. Заряд — легче.
Электрический парус (E-парус) использует длинные заряженные провода. Обычно это тросы длиной в десятки километров. Провода отталкивают протоны в солнечном ветре. Это как модель магнитного паруса на основе статического электричества.
Преимущество — масса. Вам не нужны тяжелые сверхпроводящие петли. Нужен лишь легкий проводящий трос.
Недостаток — энергия и хрупкость. Вам нужно достаточно высокое напряжение, чтобы поддерживать электрическое поле на протяжении десятков километров. Тросы хрупкие. Столкновение с космическим мусором разорвет их. Если цепь разорвется, вы перестанете двигаться.
Каждая технология обменивает инженерную сложность на доступ к бесплатной энергии в пустоте.
Какой метод propulsion подходит именно вам? 🤔
Еще нет единого победителя.
Выбор зависит от миссии. Нужен быстрый рывок к Марсу с использованием существующих технологий? Используйте химические ракеты с гравитационными маневрами. Хотите дешевую, стабильную поездку к объекту пояса астероидов? Возможно, солнечный парус, если вы сможете построить это зеркало.
Смотрите дальше? Внешняя часть Солнечной системы темная и холодная. Солнечные паруса останавливаются. Вам нужен солнечный ветер. Но магнитные паруса требуют технологий, которых у нас еще нет. Электрические паруса правдоподобны, но не протестированы в масштабе.
Концепции движения в космосе без топлива бросают вызов предположению, что для движения нужно сжигать что-то. Они заставляют инженеров думать о структурах как о системах тяги. Огромных. Хрупких. Элегантных.
Обзор предлагает рассматривать их не как альтернативы, а как набор инструментов. Используйте гравитацию для тяжелых подъемов. Паруса — для дрейфа.
Звезды все еще далеко. Но, возможно, для их достижения нам не нужно больше топлива. Нам нужны лишь большие сети, чтобы поймать свет.
Или ветер.
Кто знает? Мы пока все еще на земле.
