Сонячне вітрило — одна з тих технологій, які у перспективі допоможуть нам досягти зірок. При цьому в даному способі прискорення космічного апарата енергія ніби береться нізвідки або, принаймні, для її отримання не треба витрачати таку неймовірну кількість робочого тіла, як у ракетних двигунах. Застосовувати цей метод можна лише для прискорення відносно невеликих космічних апаратів, і не завжди можна так долетіти, куди забажаєш.
Знову про закон збереження імпульсу
Лінія розвитку ракетних двигунів у космічній галузі від найперших хімічних до, поки що цілком фантастичних, термоядерних передбачає зміну сили, яка спричиняє витікання газів із сопла і постійне нарощування питомого імпульсу.
При цьому інженери прагнуть зберегти достатньо високий показник питомої потужності, але сам по собі принцип прискорення корабля не змінюється. Ми змушені кожну секунду викидати з нього певну масу, створюючи імпульс, що штовхає корабель у протилежний бік.
Збільшення питомого імпульсу двигуна дозволяє прискорювати корабель, витрачаючи менше робочого тіла на одиничну зміну вектора швидкості. Але яким би ефективним не був рушій, він все одно витрачає робоче тіло дуже швидко, і навіть при питомому імпульсі, що близький до швидкості світла, усього за кілька місяців постійного прискорення маса робочого тіла, що буде використана, зрівняється з масою решти конструкцій корабля. Виникає питання, чи не можна отримати імпульс для прискорення з якогось іншого джерела. І таке джерело у космосі є — електромагнітне випромінювання, до якого належить і видиме світло.
Дослід Лєбєдєва
Для того, аби зрозуміти, наскільки ефективним є використання світла як сили, що рухає космічний апарат, необхідно повернутися на більш ніж сто років тому, у часи, коли все ще велася дискусія про те, чи є світло частинкою, чи хвилею. Зараз ми знаємо, що через свою квантову природу воно одночасно є і тим, й іншим, але на межі дев’ятнадцятого і двадцятого століть вчені все ще ставили досліди, які мали б підтримати одну з двох точок зору.
Один із дослідів, які мали б підтвердити те, що світло є частинкою і має власні силу та імпульс, був проведений 1899 року. Петро Лєбедєв збудував експериментальну установку, яка складалася з дуже легкого стрижня, підвішеного на скляній нитці у колбі з вакуумом. До нього з двох боків були прикріплені дві круглі дуже легкі пластини: одна — чорна, друга — дзеркальна. Вчений багато експериментував, намагаючись викачати з колби абсолютно все повітря й освітлюючи пластини максимально рівномірно.
У результаті навіть в умовах дуже глибокого вакууму та при рівномірному освітленні стрижень починав обертатися. Це свідчило про те, що світло діє на пластинки і його дія (зазвичай її називають тиском, хоча це зовсім не те саме, що тиск газу) на дзеркальну пластинку сильніша, ніж на чорну.
Так відбувалося через те, що чорна пластинка поглинає усі фотони, а дзеркальна — навпаки, відбиває їх. При цьому говорити, що перша імпульсу від світла не отримує — неправильно. Просто імпульс цей вдвічі менший, ніж у пластинки дзеркальної.
Що таке сонячне вітрило?
Те, що імпульс електромагнітного випромінювання може відігравати значну роль у космосі, люди підозрювали ще до дослідів Лєбєдєва. Ще Йоган Кеплер у своєму листі до Галілея у 1610 році натякав на аналогію між сонячним світлом та вітром у земній атмосфері. Але до початку 20 століття і практичного вимірювання сили тиску світла ніхто не замислювався про те, що це за сила і наскільки вона сильна.
Проблема у тому, що сила ця надзвичайно слабка. На відстані в одну астрономічну одиницю кількість енергії, що надходить від Сонця, становить 1361 Ватт/м2. А сила, яка діє на метр дзеркальної поверхні, становить усього лише 9,08 мікроньютона. Тобто вона приблизно у 1 100 000 разів менша за силу тяжіння на поверхні Землі й, на перший погляд, здається, що практичне застосування її неможливе.
Однак уже в 1908 році Сванте Ареніус припустив, що тиск світла у космічному вакуумі може надавати прискорення таким крихітним і легким об’єктам, як спори мікроорганізмів, і таким чином сприяти розповсюдженню життя між зірок. Що ж до використання сонячного світла для пересування у космосі людиною, то першими технічне розв’язання цього питання запропонували спочатку Костянтин Ціолковський, а потім Фрідріх Цандер. Нехай імпульс, який отримує від сонячного світла квадратний метр дзеркала, дуже малий, треба просто зробити саме дзеркало дуже легким і при цьому великим.
У цьому випадку відсутність у космосі середовища, яке зазвичай заважає розганятися, як на Землі, стає позитивним фактором. Достатньо розгорнути дуже тонку дзеркальну плівку площею, що вимірюється сотнями, тисячами та сотнями тисяч квадратних кілометрів — і сумарний імпульс, який отримуватиме від сонячного світла поверхня в цілому, становитиме вже не мікро-, а мілі-, а то і просто ньютони. Ця конструкція й отримала назву сонячного вітрила.
Сонячне вітрило у двадцятому столітті
У 20-х роках, коли з’явилася концепція сонячних вітрил, інженери ставилися до неї скептично. Для старту з Землі таке вітрило абсолютно не підходить. А перед інженерами насамперед стояла саме задача вивести космічний апарат на орбіту. І значно простіші хімічні ракети з цією задачею справлялися значно краще. Тому до кінця 60-х про ідею переважно згадували письменники-фантасти.
Однак на початку 1960-х років стало зрозуміло, що задача виводу апаратів на орбіту вирішена. Але для досягнення великих швидкостей вже у космосі хімічні ракети підходили погано, адже були занадто витратними. Плазменні та ядерні двигуни реалізувати не вдалося. І тоді інженери знову згадали про концепцію сонячного вітрила. Одним із найбільш послідовних її популяризаторів був Карл Саган.
Чим же так зацікавили інженерів ті кілька десятків міліньютонів, що їх може створювати гігантська конструкція вітрила площею у сотні квадратних метрів? Тим, що крихітне прискорення від цих вітрил корабель отримує весь час і при цьому робоче тіло на це не втрачається взагалі. Це дозволяє апаратам із сонячним вітрилом прискорюватися місяцями та роками, набираючи все більшу і більшу швидкість. 1 мм/с може видатися смішним прискоренням. Але кожну хвилину швидкість такого корабля збільшуватиметься вже на 6 см/с. За годину це вже буде приріст у 3,6 м/с, а за добу польоту швидкість збільшиться вже на 86,4 м/с. За шість місяців неперервного розгону і за умови постійності освітлення корабель із сонячним вітрилом здатний набрати додаткові 15,5 км/с, а це вже порівнювано з максимальною швидкістю, яку розвинув космічний апарат, створений людиною.
Концепція сонячного вітрила здавалася у 1970-х роках настільки простою, що їхню епоху очікували буквально завтра. У 1976 році NASA вже розробляла космічний зонд із таким вітрилом, який мав вирушити у космос на початку 1980-х для зустрічі з кометою Галлея. Але від проєкту відмовилися.
У 1992 році існували величезні плани здійснити до 500-річчя подорожі Христофора Колумба до Америки міжнародну регату сонячних вітрильників, але розмови так і лишилися розмовами. Точніше, один з апаратів — російський «Знамя-2» — до орбіти у 1993 році все ж дістався, але використовувався він не для отримання тяги від світла, а як експеримент з освітлення поверхні Землі орбітальним дзеркалом. І навіть цей експеримент завершився нічим.
До кінця 20 століття жодне сонячне вітрило у космосі не було розгорнуте. Багато автоматичних зондів, починаючи з «Марінера-10», використовували механічну дію сонячного світла на їхні сонячні панелі для зміни своєї орієнтації, але, власне, для розгону корабля цей спосіб так і не був використаний.
Перші сонячні вітрила у космосі
21 червня 2005 року історія космічних подорожей могла змінитися назавжди. Цього дня з російського підводного човна у Баренцевому морі на орбіту стартувала ракета з прототипом космічного апарата із сонячним вітрилом «Космос-1». Його головним розробником було Планетарне товариство — американська некомерційна організація, заснована Карлом Саганом. Але ракета так і не дісталася орбіти й апарат упав у океан.
А ось наступна спроба виявилася успішнішою. У 2010 році Агенція аерокосмічних досліджень Японії (JAXA) запустила у космос зонд IKAROS. Цей апарат масою 315 кг був оснащений сонячним вітрилом у вигляді квадрата зі стороною 14 м. Для живлення приладів на борту апарата на поверхні вітрила розташовувалися тонкоплівкові сонячні батареї. Завдяки своєму сонячному вітрилу IKAROS зміг не тільки набрати додаткову швидкість у 400 м/с, але й керувати його напрямком, коригуючи кут падіння променів на вітрило.
У тому ж таки 2010 році в космос вивели ще один апарат, що використовував дзеркальну поверхню для створення прискорення — NanoSail-D2. Це був зовсім невеличкий зонд масою лише 10 кг. У нього було дуже схоже на IKAROS квадратне вітрило, щоправда, площею усього 10 м. Завдяки йому апарат зміг успішно змінювати свою орбіту, пропрацював дев’ять місяців, після чого упав в океан.
У 2015 році після тривалих затримок був запущений наступник «Космоса-1» — апарат LightSail-1. Як і NanoSail-D2, цей апарат мав розміри основного блоку 30х10х10 см, але його вітрило було значно більшим і мало площу 32 м². Місію не можна вважати повністю успішною, оскільки з апаратом весь час переривався зв’язок, але дзеркальна плівка була повністю розгорнута і за її допомогою навіть вдавалося коригувати орбіту апарата.
Значно успішнішим був запуск LightSail-2. Цей апарат створило те ж саме Планетарне товариство, і конструктивно він був аналогічний попередньому. Цього разу політ апарата тривав майже рік і був повністю успішним. Наприклад, усього за один тиждень LightSail 2 виключно завдяки вітрилу зміг підняти висоту своєї орбіти на 1,7 км. Разом із тим апарати Планетарного товариства, на відміну від IKAROS, не могли змінювати кут свого вітрила відносно Сонця і настільки ж ефективно маневрувати.
Майбутні місії
Успіхи 2010-х років призвели до відновлення інтересу до використання сонячних вітрил для дослідницьких місій. Декілька їх розробляється прямо зараз. Першою з таких місій є Near-Earth Asteroid Scout (NEAScout), запуск якої планується в межах місії Artemis I. Ядро цього апарата складається з шести з’єднаних разом кубсатів, а вага сягає 14 кг. Він оснащений прямокутним вітрилом, схожим на вітрила ІKAROS та NanoSail-D2, але з площею поверхні 85 м².
Планується, що цей апарат здійснить кілька прольотів повз Місяць, після чого вирушить до 1991 VG. Це невеликий навколоземний астероїд, що час від часу зближується із Землею на відстань менш ніж 800 тис. км. NEAScout зможе детально роздивитися поверхню цього астероїда за допомогою камери високої роздільної здатності та передати ці зображення вченим.
Ще амбітнішим проєктом є Oversize Kite-craft for Exploration and Astronautics in the Outer Solar system, який частіше за все називають OKEANOS. Це японський апарат, запуск якого запланований на 2026 рік. OKEANOS передбачає застосування гібридної установки, яка складатиметься з квадратного сонячного вітрила зі стороною 40 м, оснащеного плівковими сонячними батареями, та іонного двигуна.
Маса апарата складає 1400 кг. По суті, він є поєднанням двох успішних проєктів JAXA — IKAROS та «Хаябуса». Метою його місії стане якийсь із «троянців» Юпітера. Апарат підлетить до нього, вийде на орбіту, спустить на поверхню маленького робота, проаналізує на місці зразки й, можливо, зможе до 2050 року привезти їх на Землю.
А 2025 року в космос має бути виведений апарат Solar Cruiser призначений для вивчення частинок сонячного вітру та їхньої взаємодії з атмосферами планет. Планується, що він буде оснащений найбільшим зі створених людиною сонячних вітрил площею 1672 м², вийде на полярну орбіту навколо Сонця та зможе вивчати його полюси.
Форма та матеріал вітрил
Одним із цікавих питань щодо сонячних вітрил є їхня форма. Зараз розглядаються три основні форми вітрила: квадратна, геліогіро та дискова. З усіх цих форм на сьогодні у космосі використовувалася переважно квадратна. Що стосується геліогіро, то ця конструкція складається з чотирьох вузьких «лез» або стрічок, кожна з яких завширшки всього кілька десятків сантиметрів, зате її довжина вимірюється сотнями метрів. Зазвичай «леза» стабілізовані обертанням апарата навколо власної осі. Така собі космічна карусель.
Теоретично саме така форма вітрила вважається найперспективнішою. По-перше, вузьку довгу стрічку, площа якої складає сотні квадратних метрів, можна легко упакувати в один «рулон» і при розгортанні не хвилюватися, що вона розгорнеться неправильно чи не розгорнеться до кінця.
По друге, «леза» геліогіро можна достатньо легко повертати навколо їхньої осі, регулюючи тим самим імпульс, який вони отримують від сонячного світла. А оскільки кожне з них повертається окремо, поворотом деяких із них можна ефективно змінювати вектор руху, який отримує космічний апарат від сонячного світла.
На практиці ж за всю історію розвитку космонавтики був здійснений тільки один старт космічного апарата з сонячним вітрилом типу «геліогіро». Сталося це 16 грудня 2018 року. Апарат UltraSail складався з двох кубсатів, між якими натягувалася одна стрічка завширшки 7,7 см та завдовжки 260 м. Апарат був виведений на орбіту, але встановити з ним зв’язок так і не вийшло, тож про те, чи вдалося стрічці правильно розгорнутися, невідомо.
Попри це, з’явилися нові проєкти апаратів, які використовують сонячне вітрило типу «геліогіро». Прикладом тут може слугувати I-Sail, який планувалося запустити 2022 року, але про проєкт достатньо давно немає новин.
Апарат мав бути масою 25 кг, а вітрило являло собою дві стрічки, які розгорталися у два боки від самого апарата і повинні були мати сумарну площу 2500 м². Таким чином, з усіх конструкцій сонячного вітрила на сьогодні найбільш успішно використовуються на практиці саме квадратні вітрила.
Тривалий час як матеріал для вітрил пропонувалася металева фольга. Справді, дуже багато металів можна розкатати у плаский лист, товщина якого вимірюється усього лише десятками мікронів.
Але з 1920-х років, коли цей концепт був уперше запропонований, хімія зробила величезний крок уперед, і з’явилася купа синтетичних матеріалів, з яких можна зробити дуже тонкі плівки, й коефіцієнт конструктивної якості (тобто відношення міцнісних показників до маси) у таких плівок буде вищим, ніж у металевої фольги. Тож на практиці жодне сонячне вітрило з металевої фольги до орбіти так і не долетіло. Замість цього зазвичай використовуються матеріали на основі поліестеру чи поліпропілену.
Які перспективи має сонячне вітрило?
І все ж, наскільки ефективною є концепція сонячного вітрила? Там, де йдеться про політ, який у будь-якому разі має займати роки та десятиліття, з ефективністю сонячного вітрила ніщо не може зрівнятися. Кращої ідеї для вантажних кораблів, що прямують до зовнішніх планет Сонячної системи чи міжзоряних зондів, ніж повільний пасивний розгін завдяки сонячним вітрилам, просто не існує.
Але у цієї концепції є три великих «але». Перше — це те, що корабель у космосі треба не лише розігнати, його ще необхідно загальмувати біля цілі. У випадку міжзоряного перельоту зорі, що випускають світло, перебувають на обох кінцях подорожі. Світло однієї зорі зонд розганяє, світло іншої — гальмує. З планетами не все так однозначно, бо кількість відбитого від них світла достатньо мала і її явно не вистачить для повноцінного гальмування апарата.
На щастя, орбітальна механіка за швидкостей, що вимірюються десятками кілометрів за секунду, передбачає політ не по прямій, а по певній кривій траєкторії, тобто на останній ділянці польоту можна сподіватися якщо не на «сонячний бейдевінд», то хоча б на «сонячний галфвінд» чи «сонячний бакштаг».
«Бакштаг», «галфвінд», «бейдевінд» і з ними ще й «левентик» — це терміни часів вітрильного морського флоту, які треба вивчити усім, хто хоче використовувати сонячне вітрило як двигун у космосі. Позначають вони ситуацію, коли кут між напрямком, звідки дме вітер, та курсом судна складає від 168 до 90 градусів, від 90 до 78 градусів, від 78 до 11 градусів і менш як 12 градусів відповідно.
Як неважко здогадатися, у положенні «левентик» ані вітрильне судно, ані зонд із космічним вітрилом прискорюватися не можуть. Існує також положення «фордевінд» — ситуація, коли зазначений вище кут складає від 168 до 180 градусів, але тут усе і так зрозуміло: вітер дме туди, куди нам треба.
По-друге, чим далі від Сонця розташовне вітрило, тим меншою є інтенсивність світла, яке на нього падає. При цьому інтенсивність ця знижується пропорційно до квадрата відстані до світила. Тобто на відстані у дві астрономічні одиниці від Сонця імпульс, який буде отримувати сонячне вітрило, щосекунди, буде меншим за той, що воно отримує на орбіті Землі не у два, а в чотири рази.
Але працює це й у зворотний бік. Чим ближче до нашого світила розташоване вітрило, тим більший імпульс воно отримує. Наприклад, на відстані 37 млн км, тобто трохи ближче до Сонця, ніж Меркурій, він буде вже у 16 разів вищим, ніж на орбіті Землі, а на відстані у 9 млн км, що порівнювано з відстанню до Сонця зонда Паркер, він зросте у 256 разів.
Це призводить до цікавого рішення. Для того, щоб відлетіти на великій швидкості від Сонця, корабель із сонячним вітрилом може спочатку наблизитися до нього, розкрити вітрило та почати інтенсивно набирати швидкість.
По-третє, для того, аби ефективно прискорювати вантажі, маса яких вимірюється тоннами, площа вітрил має вимірюватися гектарами. Існують навіть проєкти сонячних вітрил для міжзоряних подорожей, площа яких вимірюється квадратними кілометрами. Звичайно, що такі проєкти є досить малореалістичними, але про придатність сонячних вітрил для прискорення великих вантажів говорять наступні цифри, отримані з розрахунків.
Підраховано, що квадратне сонячне вітрило зі стороною 800 м зможе доправити вантаж вагою 9 тонн від Землі до Меркурія за 600 днів, а вантаж у 19 тонн — за 900 днів. На Венеру це саме вітрило зможе доправити одну тону вантажу за 200 днів або 5 тонн за 270 днів. Подорож до Марса з таким вітрилом займе 400 днів для вантажу у 2 тони або 500 — для п’яти тонн.
Для зовнішніх планет теж зроблені підрахунки. Якщо вітрило зможе забезпечити вантажу прискорення всього у 1 мм/с, то до Юпітера цей вантаж долетить за 2 роки, до Сатурна — за 3,3, до Урана — за 5,8 і до Нептуна — за 8,5 років. Таким чином, сонячне вітрило — це повільний, але надзвичайно економічний спосіб доставити кудись відносно невеликий вантаж. І цілком можливо, що у майбутньому саме такі вітрильники складатимуть основу вантажних перевезень у Сонячній системі.
Ви можете дізнатися більше про навколоземний простір, зазирнувши у наш розділ «Знання про космос».
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine
