21.03.2012

В космос на микроволновом парусе

Джеймс Бенфорд из специализирующейся на НИОКР Microwave Sciences (США) проводит опыты по использованию микроволнового излучения для перемещения предметов в вакууме. По его мнению, такой «микроволновый парус» будет эффективнее и солнечного, и его многочисленных подвариантов, пишет Discovery News.

Как известно, впервые импульс, придаваемый электромагнитными волнами (в частности солнечным светом), предложил использовать для разгона космических кораблей Фридрих Цандер. Главные недостатки этого метода — длительность разгона и большой размер требуемого паруса. Чтобы обойти их, в 1980-х была высказана идея «лазерного паруса»: лазерный луч воздействует на космический корабль с небольшим отражающим зеркалом-парусом в кормовой части. Чтобы затормозить у звёздной системы, являющейся целью путешествия, предполагалось задействовать маленький парус спереди от корабля, на который, для погашения движения по инерции, подавался бы лазерный луч с самого КА. Вопрос об осуществимости проекта упирался тогда главным образом в параметры имевшихся лазеров, мощность которых выглядела недостаточной, пишет arXiv.

Джеймс Бенфорд считает, что при существующих технологиях у лазерного луча может быть эффективный заменитель — микроволны. «Это единственный метод межзвёздных перелётов, у которого нет проблем с физикой», — подчёркивает исследователь.

Высказанный им рецепт межзвёздных путешествий кажется необычным: огромные микроволновые антенны, в отличие от лазеров, будут излучать энергию куда менее когерентно — а значит, на разгон и торможение её потребуется намного больше. Но, по словам учёного, такие излучатели, во-первых, могут иметь любую мощность (у лазеров с этим пока проблемы), а во-вторых, стоимость микроволновых генераторов на кВт мощности будет решительно ниже. И это действительно так: лазер с мощностью бытовой микроволновой печи на порядки дороже.

Сейчас г-н Бенфорд проводит лабораторные эксперименты по «полёту на луче» микроволн. И из них следует, что коническая форма паруса выглядит наилучшим вариантом для приведения в движение космического корабля.

Разумеется, для такого транспортного средства потребуется применение необычных материалов: нанотрубок, микроволокон, ненаглядного графена и бериллия, ведь «микроволновому парусу» предстоит длительная «прожарка» при, скажем, 1 100^o С. Кроме того, низкая масса космического зонда с таким парусом минимизирует и затраты энергии на его разгон и торможение.

Однако максимальные трудности видятся в необходимости сооружения огромной антенны, излучающей энергию в корму корабля. В идеале её следует строить в безатмосферном месте, чтобы избежать потерь на сопутствующий нагрев воздуха. Стоимость подобной антенны будет, без преувеличения, огромной (дело, напомним, происходит в космосе)...

Для полёта даже на один световой год исследователь полагает необходимым иметь антенну размером в 3,2 км в диаметре с мощностью излучения в 24 ГВт (это несколько обычных АЭС). Ну а вес нагрузки при этом не превысит 68 кг (!), из которых половину придётся потратить на «микроволновый парус» диаметром в 800 м. При названных параметрах всего за пять часов «микроволнового ветра» в корму аппарат разгонится до 62,2 км/с (это едва ли не вчетверо быстрее, чем максимальная скорость существующих космических кораблей).

Для отправки такого рода зонда к Альфе Центавра (на одной десятой скорости света) потребуется излучающая антенна диаметром в 96 км, с общими затратами энергии на разгон в 300 ТВт/ч (двадцатидневное потребление современного человечества). Да и каждый пуск к соседним звёздам, по мнению исследователя, будет стоить в сегодняшних ценах $500 млрд. При этом перегрузка на зонде будет в районе 50g, что исключает присутствие космонавтов. Дело в том, что если ускорение будет длительным, то парус даже из наноматериалов начнёт испаряться под действием микроволн. А значит, оно должно быть максимальным, отсюда и огромные перегрузки, и гигантизм излучающей антенны.

Впрочем, подобные циклопические масштабы излучающая установка будет иметь только тогда, когда (на чём настаивает г-н Бенфорд) она будет использоваться для разгона космического корабля, отправляемого к звёздам. В случае перелётов внутри Солнечной системы всё выглядит значительно оптимистичнее. Так, на скорости в 62,2 км/с полёт к Марсу займёт всего две недели, а «тарелка» излучателя в 3,2 км может быть многократно использована для отправки кораблей в любую точку Солнечной системы. Опять же вместо 5-часового можно использовать 25- или 50-часовой разгон, что вернёт на борт космонавтов. Кроме того, в отличие от варианта с космическим зондом, вместо пролёта мимо исследуемого объекта и отправки сигнала на Землю парус, перемещённый с кормы на нос такого корабля, может эффективно затормозить его у цели, что не нужно при межзвёздной миссии.

Таким образом, при всех практических трудностях запуска такого зонда для путешествий внутри Солнечной системы он представляется более практичным, чем химические ракеты: при регулярных полётах на второй и третьей космических скоростях он окажется значительно дешевле. Ведь ему придётся разгонять конструкцию, которая (на корабле с микроволновым парусом) состоит из полезной нагрузки не менее чем 50%, причём чем больше будет его масса, тем меньшую долю составит парус. А в современных ракетах и 3% нагрузки считаются отличными показателем.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА