Проект Breakthrough Starshot, являющийся частью инициативы Breakthrough Initiatives, — это одно из самых амбициозных направлений в области космических исследований. Основная цель проекта заключается в разработке концепции межзвездных космических зондов, которые смогут совершить путешествие как минимум к звездной системе Альфы Центавра. Такие аппараты, использующие световой парус для движения, могут достигать скорости до 20 % скорости света, что позволит им преодолеть расстояние в 4,37 световых лет за приблизительно 20 лет. И еще почти пять лет уйдет на то, чтобы сообщение от зонда, находящегося вблизи Проксимы, «долетело» до Земли.
Альфа Центавра — не самоцель
Стоит отметить, что сам полет к Альфе Центавра не является конечной целью проекта. Главная задача — доказать возможность реализации основной концепции проекта, которая включает в себя не только межзвездное путешествие, но и другие важные аспекты, такие как исследование Солнечной системы (например зонд сможет передать снимки планет и других небесных тел, мимо которых пролетит) и защита Земли от астероидов (зонд сможет найти новые потенциально опасные объекты). А огромный световой парус может служить аналогом зеркала телескопа диаметром около километра.
В рамках проекта Breakthrough Starshot предполагается создание космического аппарата, который будет состоять из небольшого электронного модуля, называемого StarShot, и светового паруса. Этот парус, приняв мощный лазерный луч с Земли, сможет разогнать зонд до необходимой скорости для начала межзвездного путешествия.
Концепция StarShot предполагает запуск на орбиту Земли спутника, «начиненного» тысячей крошечных космических аппаратов массой не больше 1 грамма. Аппарат выпустит эти нанозонды один за другим, после чего каждый раскроет парус размерами 4 × 4 метра толщиной 100 нанометров и массой 1 грамм. Лазерная силовая установка сфокусирует на них луч мощностью 50–100 гигаватт в течение 10 минут, обеспечив ускорение 30 тысяч g. В результате зонды разгонятся до требуемых 20 % скорости света. В таком случае путь к Альфе Центавра займет около 20 лет.
Световой парус
Идея использования светового паруса и лазерного разгона не нова и была предложена еще в 1970 годах. Так, физик и писатель-фантаст Роберт Форвард описал концепцию межзвездного путешествия, в качестве ближайших целей определив Альфу Центавра, звезду Барнарда, звезду Лаланд 21185 (как сейчас известно, вокруг каждой из них вращается как минимум одна экзопланета) и другие. Но только сейчас технологии достигли уровня, при котором стала возможной реализация такого проекта. Подробно их описал физик Филипп Любин из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Проект Breakthrough Starshot был анонсирован в 2016 году Юрием Мильнером и Стивеном Хокингом на пресс-конференции в Нью-Йорке, посвященной 55-летию первого полета человека в космос. Событие сразу же привлекло значительное внимание со стороны ученых и других заинтересованных лиц, что позволяет надеяться на успешное продвижение к поставленным целям. Так, в состав инициативного совета, помимо Мильнера и Хокинга, вошел даже Марк Цукерберг. Первоначальное финансирование проекта составило 100 миллионов долларов: оно должно покрыть первые десять лет работы, начальные исследования и разработку технологий. Дальнейшее зависит от того, смогут ли инициаторы поддерживать интерес к проекту и привлечь новых инвесторов. Общие затраты Мильнер оценил в 5–10 миллиардов долларов, а срок реализации идеи — в 20 лет.
В долгосрочной перспективе, если проект будет успешным, в его рамках можно создать новое поколение космических аппаратов, способных исследовать не только ближайшие к Земле звездные системы, но и предоставить новые возможности для изучения космоса в целом. Это откроет путь к новым открытиям в астрономии, астрофизике и других смежных областях науки.
Сложность на сложности
Одной из главных технических сложностей проекта Breakthrough Starshot является создание сверхмощной лазерной установки, способной в течение нескольких сотен секунд поддерживать стабильное и интенсивное лазерное излучение мощностью до 100 гигаватт для разгона космического аппарата. Это требует не только разработки новых типов лазеров, но и создания системы управления лазерным лучом, которая должна быть чрезвычайно точной и надежной. Кроме того, необходимо обеспечить эффективное охлаждение установки, чтобы предотвратить перегрев и потерю мощности.
Другой сложностью является разработка самого светового паруса, который должен быть одновременно легким, прочным и способным отражать лазерный луч, не поглощая его энергию. Парус должен выдерживать экстремальные температуры и космическую радиацию, а также быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимую тягу, но при этом оставаться управляемым.
Также важной задачей является миниатюризация самого космического аппарата, который должен быть достаточно маленьким и легким, чтобы его можно было разогнать до 20 % скорости света. Чем тяжелее будет зонд — тем больший по площади парус ему потребуется и тем меньшую скорость он сможет развить. Здесь потребуются инновации в области микроэлектроники и материаловедения, чтобы создать компактный, но функциональный зонд, способный выдержать долгое путешествие в космическом пространстве.
Не менее сложной задачей является обеспечение связи с космическим аппаратом на таком огромном расстоянии. Сигнал будет идти годами, и любые данные, полученные от зонда, поступят со значительной задержкой. Кроме того, необходимо разработать надежные системы для сбора и передачи научных данных, которые должны работать без сбоев на протяжении всего миссии. Предполагается, что зонд будет связываться с Землей посредством лазерной системы коммуникации, сфокусировав световой луч с помощью собственного паруса. Установка для разгона послужит приемником сигнала.
Наконец, самая большая проблема, с которой сталкивается проект, — это проблема финансирования. Несмотря на значительный начальный капитал, его общая стоимость оценивается в миллиарды долларов. Это требует привлечения дополнительных инвестиций и поддержки со стороны правительств, частных компаний и общественности. Все эти факторы делают Breakthrough Starshot одним из самых сложных и захватывающих проектов современности.
Мощные лазерные установки, необходимые для разгона зондов, могут оказать негативное влияние на атмосферу и окружающую среду. Команде проекта предстоит тщательно изучить потенциальное воздействие на озоновый слой и климат Земли.
В далекий путь
Необходимо обеспечить защиту электроники аппарата от космической радиации и разработать надежные системы самовосстановления и ремонта, способные функционировать в условиях длительного космического полета. Деградация электронных систем может идти довольно быстро, особенно в межзвездном пространстве. Будет обидно, если первый межзвездный зонд долетит до Альфы Центавра, но мы об этом не узнаем из-за вышедшего из строя радиопередатчика. Впрочем, именно поэтому их тысячи: даже если сотня-другая выйдет из строя, столкнется с микрометеоритом или случайно отклонится от курса, остальные долетят.
Breakthrough Starshot — не просто проект, это шаг к будущему, в котором межзвездные путешествия станут реальностью, а человечество сможет заглянуть за пределы своей родной Солнечной системы. Но, прежде чем сделать этот шаг, людям придется решить много проблем. И найти много денег.