Физики обнаружили слабое место лазерных парусов для межзвездных полетов
Световые паруса, приводимые в движение лазером, — это один из самых перспективных кандидатов на роль движителя для межзвездных аппаратов. Ученые часто обсуждают эту технологию, но использовать ее на практике планируют лишь в далеком будущем. У этого есть ряд причин. Одну из них обнаружили физики из Харбинского политехнического института. Они выяснили, что свет, который толкает такие паруса, на околосветовых скоростях начинает их тормозить. Статью уже опубликовали на сервере препринтов arXiv. Авторы исследования — Чао Шэнь и Цзяцзэ Ли.
Световой (лазерный) парус — это огромный по площади отражатель из тонкой пленки субмикронной толщины, который приводит космический аппарат в движение за счет давления света. В отличие от обычного солнечного паруса, использующего излучение Солнца, межзвездный аппарат разгоняют мощным лазерным лучом. Принцип работы этой конструкции прост: фотоны (частицы света) передают парусу свой импульс, как ветер давит на обычный парус корабля. После выключения лазера аппарат продолжает полет к цели по инерции, испытывая лишь крайне слабое световое давление звезд.
Химические ракетные двигатели для межзвездных перелетов не подходят: чтобы долететь до ближайшей звезды за десятки, а не сотни лет, аппарат надо разогнать до значительной доли скорости света. Согласно формуле Циолковского, масса ракетного топлива для такого разгона понадобилась бы невообразимо большой. Например, недавно американский профессор Кай Джеймс подсчитал, что ракете на химическом топливе для подобного рывка потребовалось бы больше массы, чем содержит вся наблюдаемая Вселенная. Световой парус позволяет обойти это ограничение: аппарат может вообще не нести на себе запас массы для создания тяги — источник импульса для разгона остается в точке старта, а после выключения лазера аппарат продолжает путь по инерции.
Световое давление на парус складывается из трех оптических процессов. Меньше всего энергии передает поглощение фотонов, при котором материалу достается лишь одинарный импульс частицы. Наибольшую толкающую силу обеспечивает зеркальное отражение: когда фотон отскакивает от поверхности как от зеркала, он передает ей двойной импульс. Третий компонент — диффузное рассеяние, при котором парус поглощает фотон, а затем переизлучает его в случайном направлении. Именно в этой третьей составляющей и кроется проблема.
Когда парус разгоняется до заметной доли скорости света, включается эффект Доплера — тот самый, из-за которого свист приближающегося поезда выше, чем удаляющегося. Лазерный луч с точки зрения удаляющегося аппарата становится все «краснее» (его частота и энергия фотонов падают). Поскольку уменьшается импульс каждой световой частицы, общая толкающая сила лазерного луча резко снижается для всех трех оптических процессов.
На отметке 75% скорости света ситуация усугубляется. Срабатывает релятивистская аберрация света — явление, при котором направление, откуда приходит свет, меняется из-за движения наблюдателя. Вспомните, когда вы в последний раз бежали куда-то под дождем: наверняка капли били вам в лицо не сверху, а спереди. С парусом происходит нечто похожее: диффузно рассеянный свет начинает переизлучаться с преобладанием в сторону движения аппарата. Согласно третьему закону Ньютона — на каждое действие есть равное противодействие — это означает, что диффузное рассеяние перестает толкать парус и начинает его тормозить. Суммарная толкающая сила лазерного луча остается положительной, но заметно падает.
Физики из Харбинского политеха Чао Шэнь и Цзяцзэ Ли признаются, что их модель намеренно упрощена: они учитывали только взаимодействие света с парусом и не рассматривали торможение о межзвездный газ и пыль, нагрев и возможное плавление материала от мощного лазера, а также эффекты общей теории относительности. Парус в модели — идеализированное зеркало, тогда как на практике инженеры изучают метаматериалы и фотонные кристаллы, настроенные на конкретную длину волны лазера. Они теоретически могут использовать ту самую аберрацию, чтобы за счет встречного давления фотонов автоматически выравнивать аппарат и удерживать его в центре лазерного луча.
Иными словами, разогнаться с помощью лазерного луча выше 75% от скорости света не удастся — аберрация ставит здесь жесткий физический предел. Однако на таких скоростях этот же эффект превращается в автоматический стабилизатор курса, удерживающий аппарат в луче без использования бортовых систем управления. До реального строительства таких систем еще далеко, но понимание этих тонких законов оптики позволит инженерам будущего спроектировать работоспособный межзвездный движитель.
На обложке генерация ProКосмос
Самое популярное
