[Перевод] Наземные лазеры смогут разгонять космические аппараты на пути к другим звёздам
Иллюстрация художника, изображающая световой парус, приводимый в движение радиолучом (красный), генерируемым на поверхности планеты. Утечки от таких лучей, проносящихся по небу, будут проявляться в виде быстрых радиовсплесков, подобных новому набору источников, обнаруженных недавно в космосе.
Будущее освоения космоса включает в себя довольно амбициозные планы по отправке миссий на большие расстояния. Помимо текущих предложений по созданию инфраструктуры в окололунном пространстве и отправке регулярных экипажей на Луну и Марс, существуют также планы по отправке роботов во внешнюю Солнечную систему, к фокусу гравитационной линзы нашего Солнца и даже к ближайшим звёздам для изучения экзопланет. Для достижения этих целей необходимы двигательные установки нового поколения, способные обеспечить высокую тягу и постоянное ускорение.
Сфокусированные массивы лазеров (или направленная энергия) и световые паруса — это средства, которые активно исследуются, например, Breakthrough Starshot и Swarming Proxima Centauri. Помимо этих предложений, команда из Университета Макгилла в Монреале предложила новый тип движителей направленной энергии для исследования Солнечной системы. В недавней статье команда поделилась первыми результатами работы своей установки Laser-Thermal Propulsion (LTP), которые говорят о том, что технология может обеспечить высокую тягу и удельный импульс для межзвёздных миссий.
Исследовательскую группу возглавляли Габриэль Р. Дубе, стажёр-исследователь из экспериментальной исследовательской группы Макгилла по межзвёздным полётам (IFERG), и доцент Эндрю Хиггинс, главный исследователь IFERG. К ним присоединились Эммануэль Дюплей, аспирант-исследователь из Технического университета Делфта (ТУ Делфт), Сиера Риэль, летний ассистент-исследователь IFERG, и Джейсон Луазо, доцент Королевского военного колледжа Канады. Команда представила свои результаты на научно-техническом форуме и выставке AIAA 2024 года, а также в статье, опубликованной в журнале AIAA Aerospace Research Central (ARC).
Концепция бимодальной ядерной тепловой ракеты на низкой околоземной орбите.
Хиггинс и его коллеги первоначально предложили эту концепцию в работе 2022 года, опубликованной в журнале Acta Astronautica под названием «Дизайн быстрого транзита к Марсу с использованием лазерно-тепловой тяги». Как сообщал Universe Today, LTP был вдохновлён такими межзвёздными концепциями, как Starshot и Project Dragonfly. Однако Хиггинса и его коллег из Макгилла интересовало, как эта же технология может обеспечить быстрые транзитные миссии на Марс всего за 45 дней и по всей Солнечной системе. По их мнению, этот метод также может подтвердить правильность используемых технологий и послужить ступенькой к межзвёздным полётам.
Как рассказал Хиггинс по электронной почте изданию Universe Today, концепция пришла к ним во время пандемии, когда они не могли попасть в свою лабораторию:
«Мои студенты провели детальное концептуальное исследование того, как мы могли бы использовать такие большие лазерные массивы, которые предусмотрены для Breakthrough Starshot, для более близкой миссии в Солнечной системе. Вместо лазера диаметром 10 км и мощностью 100 ГВт, предусмотренного для Breakthrough Starshot, мы ограничились лазером диаметром 10 м и мощностью 100 МВт и показали, что он сможет обеспечить энергией космический аппарат на расстоянии почти до Луны. Нагревая водородное топливо до температуры 10 000 К, лазер достигает желанной цели — обеспечивает высокую тягу и высокий удельный импульс».
Эта концепция похожа на ядерно-тепловую двигательную установку, которую НАСА и DARPA в настоящее время разрабатывают для быстрых транзитных миссий на Марс. В системе NTP ядерный реактор выделяет тепло, которое заставляет водородное или дейтериевое топливо расширяться, а затем направляется через сопла для создания тяги. В данном случае лазеры с фазированной решёткой фокусируются в камеру нагрева водорода, который затем выводится через сопло для реализации определённых импульсов длительностью 3000 секунд. По его словам, с тех пор как Хиггинс и его студенты вернулись в лабораторию, они пытаются экспериментально проверить свою идею:
«Конечно, у нас в Макгилле нет лазера мощностью 100 МВт, но теперь у нас в лаборатории есть 3-киловаттная лазерная установка (что достаточно страшно), и мы изучаем, как лазер будет передавать свою энергию топливу (в конечном итоге водороду, но пока что аргону, потому что его легче ионизировать). В статье AIAA сообщается о проектировании, строительстве и «испытании» нашей 3-киловаттной лазерной установки».
Художественное изображение лазерного паруса направленной энергии в действии.
Хиггинс и его команда сконструировали аппарат, содержащий от 5 до 20 бар статического газа аргона. Хотя в окончательном варианте концепции в качестве топлива будет использоваться водород, для испытаний они использовали аргон, поскольку его легче ионизировать. Затем они запустили 3-киловаттный лазер в импульсах на частоте 1070 нанометров (что соответствует длине волны в ближнем инфракрасном диапазоне), чтобы определить пороговую мощность, необходимую для лазерно-удерживаемой плазмы (LSP). Результаты показали, что около 80% энергии лазера остаётся в плазме, что согласуется с предыдущими исследованиями.
Полученные ими данные по давлению и спектру также позволили определить пиковую температуру LSP в рабочем газе, хотя они подчёркивают, что для получения окончательных результатов необходимы дальнейшие исследования. Они также подчеркнули, что для проведения принудительного потока и других испытаний LSP необходим специальный аппарат. Наконец, в конце этого года команда планирует провести измерения тяги, чтобы определить, какое ускорение и удельный импульс может обеспечить лазерно-термическая двигательная установка для будущих миссий на Марс и другие планеты Солнечной системы.
Если технология будет соответствовать поставленной задаче, мы сможем увидеть систему, способную доставить астронавтов на Марс за несколько недель, а не месяцев! Другие концепции, отобранные для NIAC в этом году, включают испытания по оценке систем гибернации для длительных полётов в условиях микрогравитации. По отдельности или в сочетании друг с другом эти технологии могут обеспечить быстрое выполнение миссий, требующих меньшего количества груза и материалов и минимизирующих воздействие на астронавтов микрогравитации и радиации.
