Солнечные паруса — дорога в космос

27 апреля 2023, 13:22

Многие из нас в детстве зачитывались красочными рассказами о космических кораблях под солнечными парусами. В наши дни безумные идеи фантастов отчасти воплотились в жизнь. Конечно, не увидишь пиратской шхуны на фоне Луны, но солнечные паруса — реально применяемая технология.

Солнце, как и подавляющее большинство звезд, излучает огромное количество элементарных частиц — ионов («солнечный ветер»), а также фотоны («солнечный свет»). Именно последние используются для работы паруса. В 1879 году Джеймс Максвелл выдвинул теорию давления света: отражающая или поглощающая свет поверхность испытывает воздействие, зависящее от интенсивности потока энергии. То есть, чем ближе к Солнцу, тем сильнее давление. Но не стоит забывать, что в открытом космосе существует огромное количество других звезд, также испускающих свет.

Космический корабль выводится на орбиту, где разворачивает парус площадью от нескольких десятков до нескольких тысяч квадратных метров. Материал паруса должен быть прочным и одновременно легким, хорошо отражать свет. В настоящее время используются полимерная пленка, покрытая с одной стороны тончайшим слоем алюминия (до 100 нм). Конструкция парусов может быть разной: каркасная в форме воздушного змея (простота и надежность), круглая (проще в управлении) или без каркаса вообще — паруса расправляются за счет вращения корабля вокруг своей оси. Можно легко управлять космическим кораблем, меняя угол наклона паруса (как на кораблях древности). Некоторые трудности возникают при движении против потока света, но эту проблему также успешно решили мореплаватели.

В самом начале пути космический парус очень медлителен (для полотна массой 0,8 г и площадью 1 м2 начальное ускорение будет равно 1,2 мм/с2). Но ускорение действует постоянно (скорость неуклонно растёт). В условиях безвоздушного пространства это позволяет достичь огромных скоростей за достаточно малое время (по сравнению с десятками световых лет!). В теории корабль, оснащенный солнечным парусом, способен развить скорость в 28 км/с и выше. Главное преимущество солнечных парусов — отсутствие топлива, что снижает финансовые вложения и существенно уменьшает вес аппарата. Основные затраты энергии происходят при развертывании, так как используются дополнительные электромеханические устройства.

Немного истории:

4 февраля 1993 года отечественный корабль «Прогресс М-15» развернул отражатель 20-метровой ширины;
10 июня 2010 года японский космический аппарат полностью расправил 200 квадратных метров паруса;
7 июня 2015 года американский зонд LightSail успешно протестировал новый механизм распускания парусов.

Это только некоторые примеры спутников, оснащенных солнечным парусом. Еще ни один корабль не использовал паруса в качестве основного двигателя. В настоящее время учеными рассматривается возможность комбинировать солнечный парус с другими двигателями (солнечные батареи, излучатели плазмы) для обеспечения быстрого разгона и лучших скоростных характеристик. Также существуют проекты разгона с помощью лазера, направленного с Земли, но ученые сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на столь дальних расстояниях и отсутствием достаточно мощных лазерных генераторов.

Несмотря на возникающие трудности, парусный способ передвижения считается перспективным. Новый метод применим во многих разработках: начиная от беспилотных зондов и заканчивая пилотируемыми полетами к другим планетам.