Учёные придумали наноматериал для космических парусов
Перспектива долететь до альфы Центавра за 20 лет, возможно, стала ближе к реальности. Учёные придумали, из какого материала можно сделать эффективный парус для таких путешествий. Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Nano Letters группой во главе с Гарри Этвотером (Harry Atwater) из Калифорнийского технологического института.
В 2016 году российский бизнесмен Юрий Мильнер и британский астрофизик Стивен Хокинг объявили о старте громкого проекта. Предполагалось разработать зонд, который преодолеет 4,37 световых года, отделяющие Солнце от альфы Центавра (одной из ближайших звёзд) за 20 лет.
Согласно замыслу, аппарат весом менее килограмма будет оснащён парусом. В этот парус с Земли будет бить лазерный луч. На каждый квадратный сантиметр полотна придётся примерно по миллиону ватт (!). Давление этого излучения разгонит аппарат до скорости, эквивалентной 20% скорости света.
Однако из чего сделать парус, чтобы такой мощный луч попросту не испарил его? Этот материал должен обладать огромной отражательной способностью. Однако абсолютных зеркал не бывает, и какую-то долю энергии он всё равно будет поглощать. Значит, он должен эффективно излучать её обратно в космос, чтобы не перегреваться. Проблема в том, что эти два свойства трудно совместить.
Не забудем о том, что парус площадью в несколько квадратных метров должен иметь толщину не больше долей микрометра и массу всего в несколько граммов. При этом он ещё и должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать огромное давление лазерного луча.
На роль такого "чудо-вещества" предлагался ультратонкий алюминий, различные полимеры и графен. Команда Этвотера разработала новое и, видимо, более эффективное решение.
Как уточняет ресурс phys.org, авторы предлагают использовать нанофотонные структуры. Материалы этого класса могут взаимодействовать с излучением на субволновом уровне. Поэтому они могут одновременно как эффективно отражать свет, так и охлаждаться, и позволяют создавать, например, эффективные "шапки-невидимки".
В качестве примера учёные рассмотрели двухслойную структуру из чистого кремния и его диоксида. По расчётам исследователей, слой кремния будет иметь достаточную отражательную способность в ближнем инфракрасном диапазоне, где и будет работать лазер. Правда, он "не умеет" эффективно охлаждаться за счёт излучения. Тут и пригодится диоксид кремния: нагреваясь от первого слоя, он будет излучать полученную энергию в космос уже в среднем инфракрасном диапазоне. Способность к отражению у этого материала невелика, но этого и не потребуется, ведь функция зеркала достанется кремнию.
Так простая идея взаимной компенсации недостатков и сложные расчёты в области нанофотонных структур помогли решить проблему "лазерного паруса". Правда, выводы физиков ещё предстоит проверить экспериментально.
Заметим, однако, что на пути к реализации смелого проекта стоит далеко не только проблема материала для паруса. Однако наука не стоит на месте, и постепенно преодолеваются и другие препятствия. Например, инженеры уже придумали, как защитить хрупкий аппарат от космической радиации.
Что же касается вопросов нерешённых, то многие специалисты интересуются, каким образом лазерный луч будет "следить" за зондом, чтобы попадать в площадку в несколько квадратных метров на межзвёздных расстояниях.
Та же самая проблема касается и радиосвязи с аппаратом, без которой он просто не сможет рассказать о своих открытиях. Астрономы резонно замечают, что, будь у них техника, способная "разглядеть" этакую кроху, они бы изучили систему альфы Центавра с Земли гораздо подробнее, чем смог бы межзвёздный зонд весом менее килограмма.
В общем, фразу "до осуществления этого проекта как до альфы Центавра" пока можно понимать в обоих смыслах. На сегодняшний день более реалистично выглядит идея оснащать парусами аппараты, бороздящие просторы Солнечной системы. К слову, первые успешные испытания такого межпланетного парусника состоялись в 2010 году. Правда, он использовал не лазерный луч, а просто солнечный свет, и разгонялся лишь до сотен метров в секунду.
Сейчас инженеры работают над проектами "каравелл", достигающих скорости в несколько километров в секунду. Именно такой быстроходностью могут похвастаться современные межпланетные зонды, но для межзвёздных путешествий этого, конечно, недостаточно.
Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали об идее отправить к звёздам "цифровых космонавтов", и о том, что наша галактика уже может быть наполнена быстроходными межзвёздными зондами, правда, инопланетными.
