napoleon_6 (napoleon_6) wrote,
napoleon_6
napoleon_6

Category:

Солнечная бабочка

Оригинал взят у alex_anpilogov в Солнечная бабочка


Моё увлечение солнечными парусами началось с известного отрывка из романа «Мошка в зенице господней», который в военной манере рассказывал о приближении исследовательского звездолёта мошкитов к заселённой людьми звёздной системе:

«ВЫ ДОЛЖНЫ СО ВСЕЙ ВОЗМОЖНОЙ СКОРОСТЬЮ ПОВТОРЯЮ СО ВСЕЙ ВОЗМОЖНОЙ СКОРОСТЬЮ ДВИГАТЬСЯ К БРИГИТ ДЛЯ ДОЗАПРАВКИ С ОЧЕРЕДНОСТЬЮ 2А1 ТОЧКА ДОЗАПРАВКУ ПРОВЕСТИ В КРАТЧАЙШИЙ СРОК АБЗАЦ

ЗАТЕМ ВАМ НАДЛЕЖИТ ПЕРЕХВАТИТЬ И ИЗУЧИТЬ ТАИНСТВЕННЫЙ ОБЪЕКТ ВТОРГШИЙСЯ В СИСТЕМУ НОВОЙ КАЛЕДОНИИ ИЗ ОБЫЧНОГО КОСМОСА ПОВТОРЯЮ ИЗ ОБЫЧНОГО КОСМОСА СО СКОРОСТЬЮ ОКОЛО СЕМИ ПРОЦЕНТОВ СКОРОСТИ СВЕТА ТОЧКА
ОБЪЕКТ СПОСОБЕН РЕЗКО МЕНЯТЬ СКОРОСТЬ ТОЧКА АСТРОНОМЫ ИМПЕРСКОГО УНИВЕРСИТЕТА УТВЕРЖДАЮТ ЧТО СПЕКТР ОБЪЕКТА ЯВЛЯЕТСЯ СПЕКТРОМ СОЛНЦА НОВОЙ КАЛЕДОНИИ ТОЧКА НАПРАШИВАЕТСЯ ОЧЕВИДНЫЙ ВЫВОД ЧТО ОБЪЕКТ ДВИЖЕТСЯ С СОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМ ТОЧКА АБЗАЦ

СОБЛЮДАТЬ ОСТОРОЖНОСТЬ ТОЧКА ВЫ ДОЛЖНЫ ОТНОСИТЬСЯ К ПРИШЕЛЬЦУ КАК К ВРАГУ ТОЧКА ПРИКАЗЫВАЮ ПРИМЕНИТЬ СРЕДСТВА ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ НО НЕ НАЧИНАТЬ ВОЕННЫХ ДЕЙСТВИЙ ПОВТОРЯЮ НЕ НАЧИНАТЬ ВОЕННЫЕ ДЕЙСТВИЯ ТОЧКА»

Как оказалось потом — предосторожности людей оказались не лишними и скромный кораблик с солнечным парусом таки смог доставить массу проблем человечеству, расселившимуся по космосу с помощью гипотетических сверхсветовых двигателей.

Однако тогда меня увлекла именно идея путешествия со скоростью, сравнимой со скоростью света, но лишь при условии использования старой, доброй классической и релятивистской физики.
О ней я вам и расскажу.


Если межпланетные и межзвёздные корабли, основанные на реакции сгорания гелия-3, можно сравнить с земными пароходами, то корабли с солнечным парусом вполне являются аналогами классических парусников.

Их отличие от межпланетников-атомоходов с термоядерным двигателем состоит в том, что они используют внешний источник энергии для наращивания или сброса своей скорости, а именно — лучистую энергию центрального светила или же лучевую энергию рукотворных лазерных установок, которые могут сконцентрировать достаточно слабый поток солнечного света в гораздо более мощный шнур когерентного света.
Именно вокруг использования такого распределённого источника энергии и была выстроена одна из сюжетных линий «Розы и Червя», которая, кстати, очень неожиданно «выстреливает» в финале повествования.

Использование внешнего источника энергии позволяет таким кораблям с солнечным или лазерным парусом обойти ограничения формулы Циолковского, связанные с реактивной массой, которую тоже приходится вести с собой и дополнительно разгонять по ходу ускорения звездолёта и, одновременно, снимают ограничения на потребную энергию для обеспечения разгона — подобно земному паруснику, корабль с солнечным парусом не везёт с собой никакого высокоэнергетического топлива, сгорание или аннигиляция которого позволяет любому кораблю с «бортовым двигателем» продолжать разгон или тормозить.


Солнечный парусник из детского мультфильма «Планета Сокровищ». Держите в уме эту аналогию, но именно, как аналогию.

В чем же разница между солнечным парусником и обычным земным парусным судном?
Основная проблема солнечного парусника в том, что давление солнечного света по сравнению с напором воздуха из земного ветра просто мизерно — даже на орбите Земли оно составляет около 9·10−6 Н/м2 и в дальнейшем уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца.

Таким образом, для того, чтобы создать тягу всего лишь в десяток ньютонов (около 1 килограмма) солнечный парус должен иметь размер около квадратного километра.
Если вспомнить «Султана Демонов Азатота» с его двигателем на реакции синтеза реакция D+3He и крейсерской тягой в 150-200 килограмм, то становится понятным и проблема звездолётов с солнечным парусом: для обеспечения ускорений и времени разгона, сравнимых с кораблями с термоядерным двигателем, им необходимо иметь размеры солнечных парусов, исчисляемых сотнями квадратных километров.
При этом, как и всегда, требования к площади поверхности никак не отменяют ограничений по весу и не снижают требований к прочности: солнечный парус должен по-прежнему быть и лёгким, и прочным.

На сегодняшний день такие сверхлёгкие и высокопрочные материалы для солнечного паруса пока ещё не созданы — человечество оперирует пока что солнечными парусами размерами всего в десятки квадратных метров, которые делают из тонкой металлизированной полимерной мембраны.



sail2.jpg
Современное состояние дел с солнечными парусами: линейные размеры в метрах, а не в километрах, а толщина в долях миллиметра, а не в нанометрах.

Нынешняя ситуация с материалами для солнечного паруса похожа на ту, которая сложилась бы с вами, решив вы создать парусник, используя старые ворсистые ковры из своей спальни для парусов вашего судна: получилось бы неудобно, неэффективно и просто никому не нужно.

Такие паруса, что может создавать человечество сегодня, уже вполне подходят для системы орбитальной стабилизации или коррекции орбиты — или же могут использоваться для повышения освещённости ночной стороны Земли, как это произошло с российским проектом «Знамя», однако никак не подходят в качестве мощных маршевых двигателей будущих межпланетных или, тем более, межзвёздных зондов.


Первый солнечный парус, развёрнутый в космосе — российский. Корабль «Прогресс» с солнечным парусом «Знамя».

Как же выйти из противоречия, задаваемого малым удельным давлением солнечного света и нашим несовершенством в части используемых и доступных нам материалов?

Первым вариантом, безусловно, является разработка новых материалов для паруса. Различные варианты углеродных нанотрубок или же монокристаллов графена, которые уже достигли размеров в десятки сантиметров и даже метров, дают некую надежду на создание прочной подложки для солнечного паруса и будущего «такелажа» космического парусника, однако я в своей статье рассмотрю скорее другой путь — путь увеличения плотности солнечного ветра, за счёт установки лазерных установок на орбитах, близких к центральному светилу материнской системы.

Идеей утилизации энергии центрального светила занимался Фримен Дайсон, который предложил вначале идею широкоизвестной сферы Дайсона.
Однако, по чисто механическим причинам цельная сфера Дайсона невозможна: её основной идеей является динамическое равновесие, когда центробежная сила её собственного вращения уравновешивает силу притяжения центрального светила. Однако, так как центробежная сила достигает максимума на экваторе цельной сферы, и равна нулю на полюсах вращающегося тела, то на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате такая единая сфера, построенная вокруг центрального светила, будет неизбежно разрушена.


Цельная, единая сфера Дайсона невозможна — о чём Фримен Дайсон прекрасно знал с самого начала.
Но удачная метафора осталась — и сегодня все такие конструкции называют «сферами».


Критику изначальной концепции Фримен Дайсон учёл и создал новый проект, гораздо более реальный и достижимый, получивший название спутников Дайсона-Харропа.

Основным элементом спутника Дайсона-Харропа является длинное кольцо из металлической проволоки, направленное к центральному светилу. Проволока является заряженной и порождает цилиндрическое магнитное поле, захватывающее электроны и заряженные ионы, входящие в состав солнечного ветра. Заряженные частицы направляются в сферический металлический приёмник, порождая ток, который, в свою очередь, порождает магнитное поле проволоки, делая систему самоподдерживающейся.
Избыточный ток, не требующийся для поддержания магнитного поля самого спутника Дайсона-Харропа, питает инфракрасный лазер, энергию которого уже можно использовать как для снабжения электроэнергией Земли, так и для разгона солнечных парусников.
Инфракрасный диапазон лазера выбран в оригинальном дизайне спутника Дайсона-Харропа в силу того, что атмосфера Земли не поглощает инфракрасный свет, а вот для транспортных задач лучше подойдёт коротковолновой, ультрафиолетовый лазер — чем меньше длина волны лазера, тем меньшие эффекты рассеивания мы должны будем устранять на больших расстояниях от него: коротковолновой пучёк когерентного света меньше расходится с увеличением расстояния, нежели длинноволновой.


Спутник Дайсона-Харропа в представлении художника.

Отдав энергию лазеру, электроны попадают на солнечный парус самого спутника, сделанный в форме кольца, где они создают давление на парус, достаточное для того, чтобы спутник оставался на околосолнечной орбите.

Довольно небольшой спутник Дайсона-Харропа, использующий медный провод толщиной 1 сантиметр и длиной в 300 метров, приёмник диаметром 2 метра и солнечный парус диаметром 10 метров, находящийся на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, может генерировать... 1,7 МВт энергии.
Спутники бо́льших размеров могут производить большее количество энергии. Спутники могут размещаться в любом месте Солнечной системы и объединяться в сети, генерирующие тераватты энергии.
В общем, если вы спрашивали меня о солнечной энергетике и о новом производственном укладе — то он там, в космосе, где с небольшой в общем-то системы можно легко снять почти что 2 мегаватта электрической энергии.

Такую, практически дармовую солнечную энергию можно использовать как на Земле, так и в космосе для любых целей.
Так, например, немного модифицировав существующие системы вывода полезной нагрузки, можно обеспечить гораздо более эффективный вывод полезной нагрузки в космос.
Конечно, пока эти эксперименты и попытки вывода полезной нагрузки в космос на микроволнах выглядят достаточно по детски, а потребная для вывода мощность излучателей в 800 МВт и размер антенны в 200 метров выглядят пугающими, но — лиха беда начало:



Конечно, сама по себе система компании Escape Dynamics не является солнечным парусом (с Земли не так и просто «убежать» в силу глубины её гравитационного колодца), но сам по себе принцип разделения источника энергии и космического корабля, который его использует, присутствует и в ней.

Хорошо, скажет внимательный читатель, мы решили проблемы с материлами для солнечного паруса и такелажа солнечного паруса, мы построили миллионны спутников Дайсона-Харропа внутри орбиты Меркурия и собрали петаватты энергии для запуска межзвёздных зондов.
Более того, имея километровые паруса и такую «петаваттную пращу», мы можем практически гарантированно разогнать достаточно тяжёлые межпланетные зонды до скоростей, составляющих десятые доли скорости света, причём сможем сделать это за весьма скромный промежуток времени, исчисляемый всего лишь годами.
В такой ситуации мы и в самом деле можем долететь до Альфы Центавра или Тау Кита на протяжении двух-трёх десятилетий, то есть даже при жизни одного поколения колонистов!

Однако, как мы будем тормозить у цели? И как мы вернёмся назад, если вдруг что-то пойдет не так? Ведь в нашем распоряжении, кроме слабеющих лазеров нашей собственной системы, будет только рассеянный и маломощный свет звезды назначения.

Ну что ж. Всё продумано до нас.
По ссылке представлен вариант возможного полёта на солнечном парусе к системе Эпсилон Эридана, расположенной от нас на расстоянии 5,22 светового года.
В 1988 году вокруг системы Эпсилон Эридана был обнаружен осколочный пылевой диск, расположенный на расстоянии, превышающем 35 астрономических единиц от центральной звезды. Это расстояние приблизительно соответствует положению пояса Койпера в нашей собственной Солнечной системе, что прямо согласуется с принятой в настоящее время моделью формирования планетных систем и косвенно свидетельствует о возможном наличии планет земной группы в системе Эпсилон Эридана.
В 2008 году ближе к звезде, на расстоянии в 3 а.е. и в 20 а.е. в системе было обнаружено ещё два астероидных пояса, что дополнительно подняло вероятность будущего обнаружения планет земной группы, а в 2000-2002 годах в планетной системе обнаружены признаки местного «Юпитера» (Эпсилон Эридана b) на расстоянии в 3,39 а.е. и «Нептуна» (Эпсилон Эридана с) на расстоянии в 40 а.е.
В общем, вполне вероятно, что вскорости мы найдём там и аналоги солнечных Земли, Марса и Венеры, что сделает систему Эпсилон Эридана одной из наиболее перспективных целей будущей межзвёздной экспедиции.


Сравнение внутренних и внешних частей Солнечной системы и системы Эпсилон Эридана по состоянию открытий на сегодняшний день. 

Как же лететь к Эпсилон Эридана на солнечном парусе?
Допустим, что мы хотим спроектировать звездолет, который может доставить команду людей в течении одной человеческой жизни к Эпсилон Эридана и обратно. Либо же, если кому-то ближе к сердцу посылка автоматов и возврат на Землю образцов минералов, флоры и фауны — то звездолёт, который доставит такого рода образцы до того момента, когда умрут его конструкторы и проектанты.

001_FBPPS_02.gif

Имеется внутренний парус полезной нагрузки в 100 километров в диаметре. Он окружен внешним парусом в виде кольца диаметром в 230 километров и с 100 километровым отверстием посередине. Тот же в свою очередь окружен третьим, тоже кольцеобразным парусом 1000 километров в диаметре с внутренним отверстием в 230 километров.
Таким образом, звездолёт у нас похож на матрёшку, в которой каждый следующий парус охватывает меньший, заключенный внутри его.

Общая масса всей конструкции звездолёта в таком варианте просчитана, как 80 000 тонн, включая 3000 тонн полезной нагрузки из команды, отсеков для их обитания, запасов и модулей для высадки на планеты и около 73 000 тонн парусных конструкций.
Конструкции 1000-километрового паруса, понятное дело, изготовлены с использованием тех самых уникальных материалов, которых у нас пока ещё нет.

Вся эта конструкция может разгоняться с ускорением в 0,3g до скоростей, сравнимых со скоростью света в том случае, если мы сможем передавать на неё 43 000 ТВт (43 x 1015 Ватт) лазерной мощности.
Сегодня вся планета Земля производит около 1 тераватта электрической энергии. Нарастить производство энергии от текущего уровня до требуемого для межзвёздного полёта на Земле достаточно затруднительно, а вот в космосе это не составляет такого труда: если речь идт о тех же спутниках Дайсона-Хароппа, то нам их потребуется «всего лишь» около миллиарда таких спутников. Как мы понимаем, проблема состоит именно в их количестве — одиночный спутник, в общем-то, возможен к постройке даже на сегодняшнем уровне технологий.


К Эридану!

Интересно, что при таком ускорении и при такой массе звездолёта наш световой парус достиг бы половины от скорости света всего лишь в течении 1,6 лет.
Экспедиция достигла бы Эпсилон Эридан за 20 лет земного времени и 17 лет времени команды — из-за релятивистского эффекта, который уже достаточно заметен при скорости в 0,5с.
На расстоянии в 0,4 световых года от цели путешествия наступит момент начала торможения. В этот момент внешний кольцевой парус должен быть отделен от двух внутренних частей. Внутренним частям позволили бы, пока большая внешняя часть удаляется, несколько отклонится от курса. Лазерный свет, который придет из Солнечной системы отразится от внешнего кольцевого паруса, который будет работать теперь как переотражающее зеркало. Отраженный свет замедляет две внутренние части и тормозит их до приемлемой скорости для входа в систему Эпсилон Эридана.
Понятное дело, 1000-километровый парус таким оразом затормозить не получится — он неизбежно будет потерян и улетит на скорости в 0,5с дальше во Вселенную.
Что, однако, не мешает разместить на нём уже автоматический невозвратный зонд для исследования других, более далёких звёздных систем

После того как команда исследует систему Эпсилон Эридана в течении нескольких лет, используя свои световые паруса как маломощный манёвренный солнечный парус и утилизируя свет самого Эпсилона, наступит время возвращаться назад.
Чтобы это сделать, малый кольцевой парус отделяется от паруса полезной нагрузки и нужным образом ориентируется по отношению к оставшейся внутренней части. Чтобы вернуться назад, звездолёту снова нужна поддержка Солнечной системы.
Кто-то не должен забыть включить лазерное излучение пятью годами раньше. Лазерный луч с орбиты Солнца отражается от кольцевого паруса на орбите чужой звезды и концентрируется на парус полезной нагрузки. Эта световая энергия разгоняет внутренний круглый парус в направлении Солнечной системы. Малый же кольцевой парус, понятное дело, повторяет участь своего большего 1000-километрового собрата — и улетает с автоматическим оборудованием для исследования далёких миров.

Как только парус с полезной нагрузкой приблизится к Солнечной системе 20-ю астрономическими годами позже, лазерный двигатель экспедиции включится снова, чтобы на этот раз затормозить корабль окончательно в родной системе с помощью последнего, самого маленького паруса.
Члены экипажа пробудут вдалеке от дома 51 год, включая 5 лет исследований. Для них пройдет 46 лет.

Первая кругосветная экспедиция Магеллана отсутствовала дома 3 года и проделала путь вокруг крошечного земного шара.
Эпсилон Эридана в 12 000 раз более удалён от нас, нежели далёкий Плутон.
46 лет не такая и большая плата за столь далёкое путешествие, неправда ли?




Tags: Интересное и занимательное
Subscribe

promo napoleon_6 november 3, 2017 16:19 10
Buy for 10 tokens
«Дверь в Лето» — это прекрасная книга, полная самых светлых и добрых чувств. В центре сюжета Дэн Дэвис — талантливый инженер, настоящий изобретатель. Носитель идей прогресса. Он оказывается бессилен перед лицом предательства: обманом заполучив его компанию и его изобретения, когда-то любимая…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment