НАСА и Китай планируют запустить пилотируемые миссии на Марс в следующем десятилетии. Хотя эта задача представляет собой огромный скачок с точки зрения освоения космоса, она также создаёт серьёзные логистические и технологические проблемы. Во-первых, миссии на Марс можно запускать только каждые 26 месяцев, когда две наши планеты находятся в ближайших друг к другу точках своей орбиты (во время противостояния). При использовании современных технологий для путешествия с Земли на Марс потребуется от шести до девяти месяцев.
Даже с ядерно-тепловым или ядерно-электрическим двигателем дорога в одну сторону до Марса займёт около 100 дней. Однако группа исследователей из Университета Макгилла в Монреале оценила потенциал лазерно-тепловой двигательной установки. Согласно их исследованию, космический корабль, использующий новую двигательную установку, в которой лазеры осуществляют нагрев водородного топлива, может сократить время полёта к Марсу всего до 45 дней!
Исследованием руководил Эммануэль Дюплэй, выпускник университета Макгилла и нынешний студент магистратуры аэрокосмической инженерии Делфтского технического университета. К нему присоединились доцент Эндрю Хиггинс и несколько исследователей с факультета машиностроения Университета Макгилла. Их исследование под названием “Проектирование миссии быстрого перехода на Марс с использованием лазерно-тепловой тяги” недавно было опубликовано в журнале Astronomy & Astronomy.
В последние годы двигательная установка с направленной энергией стала предметом значительных исследований и интереса. Примеры включают программы Starlight, Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN) и Directed Energy Interstellar Studies (DEIS), разработанные профессором Филиппом Любином и Группой экспериментальной космологии (ECG). В рамках исследований, финансируемых НАСА, которые начались в 2009 году, эти программы направлены на адаптацию двигательных установок с направленной энергией для межзвёздных миссий.
Есть также миссии Breakthrough Starshot и Project Dragonfly, обе из которых появились в результате исследования, организованного Инициативой межзвёздных исследований (i4iS) в 2013 году. Задачей исследования является возможность достичь близлежащих звёздных систем за десятилетия, а не за столетия или тысячелетия.
Но в то время как эти концепции имеют межзвёздную направленность, Дюплэй и его коллеги исследовали возможность межпланетной концепции.
“Конечным применением использования направленной энергии было бы движение светового паруса к звёздам для настоящих межзвёздных путешествий, возможность, которая мотивировала нашу команду, проводившую это исследование. Нас интересовало, как та же лазерная технология может быть использована для быстрого перемещения в Солнечной системе, что, мы надеемся, станет в ближайшем будущем трамплином для демонстрации технологии”, – сказал Дюплэй.
Помимо использования паруса, та же технология рассматривается в рамках нескольких других возможностей для исследования космоса. Например, для передачи энергии на космический корабль и обратно, для связи в космосе, для защиты от астероидов и для поиска возможных техносигнатур. Существует также концепция лазерно-электрического космического корабля, который является частью совместного исследования UCSB ECG и Массачусетского технологического института.
В данном варианте лазеры используются для подачи энергии на фотоэлектрические батареи космического корабля. Энергия, в свою очередь, преобразуется в электричество для питания двигателя, использующего в своей работе эффект Холла (ионный двигатель). Эта идея похожа на ядерно-электрическую двигательную установку, где вместо ядерного реактора используется лазерная установка.
“Наш подход дополняет эти концепции, поскольку он использует ту же концепцию лазера с фазированной решёткой, но будет применять гораздо более интенсивный лазерный поток для прямого нагрева топлива на космическом корабле. Это позволяет космическому кораблю быстро ускоряться, пока он всё ещё находится рядом с Землёй, поэтому лазеру не нужно фокусироваться очень далеко в космосе”, – объяснил Дюплэй.
В этом отношении концепция, предложенная Дюплэем и его коллегами, сродни ядерно-тепловой двигательной установке, где место ядерного реактора занял лазер. Помимо тепловой энергии и водородного топлива, архитектура миссии для лазерно-теплового космического корабля включает в себя несколько технологий из других архитектур.
К ним относятся: массивы волоконно-оптических лазеров, которые действуют как единый оптический элемент, надувные космические конструкции, которые можно использовать для фокусировки лазерного луча, когда он достигает космического корабля в нагревательной камере, и использование высокотемпературных материалов, которые не позволят космическому кораблю сгореть в марсианской атмосфере по прибытии.
Этот последний элемент очень важен, учитывая, что на Марсе нет лазерной установки для замедления космического корабля.
Объединив эти элементы, лазерно-тепловая ракета может обеспечить очень быстрый перелёт на Марс, который займёт всего шесть недель, что раньше считалось возможным только с ядерными ракетными двигателями. Самым важным преимуществом является то, что такой быстрый перелёт представляет собой решение проблем, связанных с путешествиями в дальний космос, таких как длительное воздействие радиации и микрогравитации.
В то же время, по словам Дюплэя, миссия сопряжена с некоторыми трудностями, поскольку многие задействованные технологии являются передовыми и ещё не протестированы.
Камера лазерного нагрева, вероятно, представляет собой наиболее серьёзную проблему: сможем ли мы удержать газообразный водород, наше топливо, когда он нагреется лазерным лучом до температур более 10 000 К, в то же время сохраняя стенки камеры холодными? Наши модели говорят, что это возможно, но полномасштабные экспериментальные испытания в настоящее время невозможны, потому что мы ещё не построили необходимые лазеры мощностью 100 МВт.
Хотя большая часть технологий в этой работе всё ещё находится в стадии теории и разработки, нет никаких сомнений в их потенциале. Сокращение времени, необходимого для того, чтобы добраться до Марса, до нескольких недель вместо месяцев позволит решить две самые большие проблемы для марсианских миссий – логистические и медицинские.
Кроме того, создание системы скоростного транспорта между Землёй и Марсом ускорит создание инфраструктуры между этими планетами. Это может включать в себя космическую станцию типа Gateway на орбите Марса, такую как Mars Base Camp, предложенную Lockheed Martin, а также лазерную решётку для замедления приближающихся космических кораблей. Наличие этих объектов также ускорит планы по созданию постоянного человеческого присутствия на Красной планете.
