Увы, но лазеры не доставят нас на Марс за три дня

9 798 просмотров
Об авторе

Лазеры

Всякий раз, когда разрабатывается мощная новая технология, имеет смысл пересмотреть наши традиционные подходы к выполнению сложных задач. Когда дело доходит до путешествия в космос и исследования Вселенной за пределами Земли, любые прорывы в производстве, хранении или передаче энергии принимаются очень и очень серьезно. Но космос весьма большой, и расстояния от Земли до других планет — не говоря уж о других звездах — буквально астрономические. Сейчас 2016 год, и мы по-прежнему используем ракеты на химическом топливе, чтобы запускать и управлять нашими космическими аппаратами. Эти же технологии мы использовали в 50-х и 60-х, когда космические полеты только начались.

Не так давно группа ученых и инженеров под руководством Филиппа Любина из Калифорнийского университета объявила, что считает возможным использовать лазерную тягу, не только чтобы превратить миссии на Марс в трехдневные прогулки, но и отправиться к звездам с немыслимой доселе скоростью.

Подобные обещания периодически появляются — ракеты на термоядерном синтезе, двигатели на антиматерии и невозможные двигатели обещают превзойти современные технологии и разогнать материю до… в общем, обещают. Проблема этих обещаний в том, что они непрактичны:

  • Ядерный синтез не является управляемой, поддерживаемой реакцией и, следовательно, не может испускать большие объемы энергии в течение длительных периодов времени.
  • Антиматерия не только дорога в производстве, но и не может быть произведена в хоть немного значимых количествах. Если суммировать все количество антиматерии, произведенной людьми на Земле, она будет весить меньше одного микрограмма. Если преобразовать ее в чистую энергию по уравнению Эйнштейна (E = mc2), она будет равна энергии, которую может произвести небольшой ящичек с динамитом.
  • Любые «невозможные» двигатели вроде EM Drive не только не дают воспроизводимых, надежных результатов, но и не выдают достаточных объемов тяги или энергии даже в самых плодотворных условиях испытания.

Но мы поговорим о другом, поскольку ключевая технология для движения на основе лазера уже существует сегодня.

Лазеры

Достижения в лазерных технологиях были весьма продуктивными за последние 15 лет. Проекты ученых в самых разных агентствах, включая DARPA, преуспели в наращивании лазерной мощи за счет новаторского подхода: не увеличивая энергию каждого лазера, а делая масштабируемые лазерные массивы. Другими словами, теперь вы можете построить крупный массив лазеров, который точно и слаженно стреляет в определенную цель, не только передавая киловатты энергии через отдельный лазер, но и относительно крупный объем энергии, ограниченный лишь масштабом вашего лазерного массива. Вот «простое» испытание 19-элементного массива лазеров, стреляющего по базальтовой мишени.

Идея двигательной установки на основе лазера относительно проста по своей сути и требует выполнения лишь нескольких шагов:

  • Создать массив синфазных лазеров на орбите Земли, устроенных таким образом, чтобы их можно было точно направить на любую определенную цель. В идеале этот массив будет достигать гигаваттных уровней энергии.
  • Создать «целевой» космический аппарат, который изначально стартует на низкой околоземной орбите, с большой парусообразной поверхностью на нем, на которую можно направить лазерный массив.
  • Последовательно направлять достаточно мощный лазер на целевой космический аппарат и ускорить его до необходимой скорости, вывести на траекторию и смотреть, любоваться.

Парус

На самом деле, есть масса причин радоваться такому положению дел. Лазерная технология уже существует и становится все лучше и лучше. С малого начать проще: поскольку массив масштабируется, можно влить небольшие инвестиции и разогнать малую (граммовую) массу до высоких скоростей, для начала чтобы доказать работоспособность концепции. Парус может быть крохотным — с квадратный метр — и по-прежнему будет эффективен. Отражательная способность или прочность лазерного паруса вообще не проблема, поскольку частота лазера очень узкая и можно эффективно отражать 99,99% света или даже больше. Моделирование показало, что даже лазерный массив скромных размеров (272 киловатта на видео ниже) может разогнать и отправить однограммовую тестовую массу в межпланетное пространство.

Имеются, однако, причины и для скептицизма. Хотя физика позволяет, инженерная задача всего вышеописанного оказывается сложнейшей вещью. Вот ряд важных препятствий, которые мы пока не знаем, как преодолеть:

  • Как успешно сколлимировать лазер на такое огромное расстояние. К примеру, зеркала, которые астронавты «Аполлона» установили на Луне, эффективно отражают и возвращают лишь один из 1017 фотонов обратно в назначенный пункт.
  • Насколько полезен будет ускоренный объект? Сейчас любая масса, ускоренная до значительных скоростей, должна быть настолько малой, что не сможет передать ничего полезного с таким уровнем энергии, чтобы можно было получить это на Земле.
  • Может ли объект столь малой массы и размеров, как предложенный однограммовый зонд, противостоять мощи этих лазеров, или же окажется бессильным, даже со своей высокой (но не идеальной) отражательной способностью?
  • Объект, ускоренный таким образом, может быть неуправляемым или неспособным к замедлению по прибытии.
  • Парусообразный объект, особенно тонкий, придется стабилизировать, чтобы компенсировать крошечные градиенты сил, иначе он начнет вращаться и качаться, сделав невозможным дальнейшее ускорение.
  • Наконец, лазерный массив, необходимый для запуска крупных масс, может оказаться чрезвычайно большим и дорогим.

Лазеры

Идея лазерного паруса может быть прекрасной для разгона крошечных масс до крупных скоростей, но полномасштабные модели, достигающие желанных гигаватт энергии, потребуют лазерный массив в 100 квадратных километров площадью. Полномасштабный массив вроде такого сможет разогнать крошечный компьютеризованный чип диаметром 10 сантиметров и массой в один грамм до 0,3% скорости света всего за 10 минут. Он мог бы разогнать 100 кг груза (примерно с массу марсохода «Оппортьюнити») до такой же скорости, будь парус побольше, или даже 10 000 кг — до скорости 1000 км/ч, в 100 раз быстрее, чем летели астронавты «Аполлона» на Луну.

Ракеты

Инициатива, известная как DEEP-IN, по которой направленная энергия используется для разгона зондов до межзвездных скоростей, интересна по-своему, и стоит отдать должное Филиппу Любину. Но паковать чемоданы пока рановато. Сложность развертывания такой системы и решение ее проблем может занять десятки или сотни лет.

Но пробовать, конечно, стоит. Возможно, лазерное движение станет будущим космических полетов или технологией, которая приведет нас к звездам. Но пока что у него есть куча непреодолимых препятствий. Нам определенно стоит попробовать пройти этот путь. Пройти, оставаясь реалистами.

Увы, но лазеры не доставят нас на Марс за три дня

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

13 комментариев

  1. badi

    А за 4? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  2. erl

    Баян. «Форбс» написал об этом ещё 23 февраля, когда все повторяли, что доставит, доставит. http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/02/23/sorry-but-lasers-arent-taking-you-to-mars-anytime-soon/
    Поздно вы спохватились.

  3. Аноним

    Это пока что самый реальный метод из всех существующих, ведь поддержка придаче ускорения за счёт безмассового элемента на борту большой плюс в совокупности со стандартными модэлями ускорения. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  4. Khius

    лазер был изобретён в СССР (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • СтранНик

      а СССР был изобретен на Земле!

    • Froren

      Вранье и миф.

      In 1957, Charles Hard Townes and Arthur Leonard Schawlow, then at Bell Labs, began a serious study of the infrared laser. As ideas developed, they abandoned infrared radiation to instead concentrate upon visible light. The concept originally was called an "optical maser". In 1958, Bell Labs filed a patent application for their proposed optical maser; and Schawlow and Townes submitted a manuscript of their theoretical calculations to the Physical Review, published that year in Volume 112, Issue No. 6.

      • Repo

        Одновременно и независимо друг от друга Таунс и Басов с Прохоровым выдвинули и теоретически обосновали принципы усиления и генерации электромагнитных волн квантовыми системами с инверсной заселенностью. Эта теория позволила создать в 1955 г. принципиально новые источники электромагнитных волн микроволнового диапазона — квантовые генераторы, так называемые мазеры, и малошумящие квантовые усилители радиоволн диапазона СВЧ.

        Это было одним из важнейших открытий XX века. В 1958 г. Прохоров предложил применять в квантовой электронике рубины и выдвинул идею открытых резонаторов. Эти идеи были использованы при создании источников когерентного света — лазеров. За открытие нового принципа генерации излучения и создание квантового генератора на пучке молекул аммиака в 1959 г. Басову и Прохорову была присуждена Ленинская премия. А исследования по полупроводниковым лазерам и вовсе предопределили интенсивное развитие физики и техники.

        Значимость новой науки стала неоспоримой. Сегодня объем производства полупроводниковых лазеров различных типов составляет сотни миллионов штук в год, а стоимость излучателя зачастую не превышает одного доллара. За разработки в квантовой электронике, приведшие к созданию мазеров и лазеров, Прохоров, Басов и Таунс были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.

  5. Negr

    "10 000 кг — до скорости 1000 км/ч, в 100 раз быстрее, чем летели астронавты «Аполлона» на Луну."
    Астронавты летели на Луну со скоростью 10 километров в час?)

  6. UFO

    Во всех этаких Прожэктахъ я с удивлением всегда нахожу только про "Разогнаться",а вот про Педаль, которой "Тормозить" -ни словечка... вот где смысл переть на всей дури в Мировое Пространство не имея возможности для Питстопа? Кстати ,тормознуть потребует таких же ресурсов,что и разогнаться... так что умножаем Всё по крайней мере на Два... физика,туды её в качелю...

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.