Новаторская технология позволяет быстро ускорить полет на Марс с помощью лазерных двигателей

НАСА и Китай планируют в следующем десятилетии осуществить полет на Марс в составе экипажа. Хотя это представляет собой огромный скачок в освоении космоса, он также создает значительные логистические и технологические проблемы.

Для начала, миссии могут стартовать к Марсу только раз в 26 месяцев, когда наши планеты находятся в самых близких точках орбиты друг к другу (во время "противостояния"). При использовании нынешних технологий для транзита с Земли на Марс потребуется от шести до девяти месяцев.

Даже при использовании ядерно-термической или ядерно-электрической двигательной установки (ЯТП/ЯЭУ), чтобы добраться до Марса в один конец, может потребоваться 100 дней.

Однако группа исследователей из Монреальского университета Макгилла оценила потенциал лазерно-тепловой двигательной установки. Согласно их исследованию, космический корабль, использующий новую двигательную установку, в которой лазеры используются для нагрева водородного топлива, может сократить время полета к Марсу всего до 45 дней!

Исследование возглавил Эммануэль Дюплей, выпускник Макгилла и нынешний студент магистратуры аэрокосмической техники в ТУ Делфт. К нему присоединились доцент Эндрю Хиггинс и несколько исследователей с факультета машиностроения Университета Макгилла.

Их исследование под названием "Дизайн миссии быстрого транзита к Марсу с использованием лазерно-тепловой тяги" было недавно представлено в журнале Astronomy & Astronomy.

В последние годы двигательная установка направленной энергии (УЭ) стала предметом значительных исследований и интереса. В качестве примера можно привести программу Starlight, также известную как программы Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN) и Directed Energy Interstellar Studies (DEIS), разработанную профессором Филиппом Любиным и экспериментальной космологической группой (ECG) UCSB.

В рамках исследований, финансируемых НАСА, которые начались в 2009 году, эти программы направлены на адаптацию крупномасштабных приложений DE для межзвездных миссий.

Существуют также проекты Breakthrough Starshot и Project Dragonfly, оба из которых возникли в результате проектного исследования, проведенного Инициативой межзвездных исследований (i4iS) в 2013 году. Эти концепции предусматривают использование лазерного массива гигаваттной мощности для ускорения светового паруса и небольшого космического корабля до части скорости света (релятивистских скоростей), чтобы достичь близлежащих звездных систем за десятилетия, а не за столетия или тысячелетия.

Но в то время как эти концепции являются межзвездными, Дюплей и его коллеги исследовали возможность межпланетной концепции.

Как объяснил Дюплей изданию Universe Today по электронной почте:

"Окончательное применение направленной энергии могло бы привести в движение световой парус к звездам для настоящего межзвездного путешествия, и эта возможность побудила нашу команду, которая провела это исследование. Нас интересовало, как та же лазерная технология может быть использована для быстрого перемещения в Солнечной системе, что, надеюсь, станет более близкой ступенькой, на которой можно будет продемонстрировать эту технологию".

Помимо лазерной парусной тяги, DE исследуется для нескольких других применений в освоении космоса. К ним относятся передача энергии на космические аппараты и постоянно затененные места обитания (например, программа "Артемида"), связь, защита от астероидов и поиск возможных техносигнатур.

Существует также концепция лазерно-электрического космического корабля, которая изучается НАСА и является частью совместного исследования ЭКГ UCSB и Массачусетского технологического института.

В этом случае лазеры используются для подачи энергии на фотоэлектрические решетки космического корабля, которая преобразуется в электричество для питания двигателя Холла (ионного двигателя). Эта идея похожа на ядерно-электрическую двигательную установку (ЯЭУ), где лазерная установка заменяет ядерный реактор. Как объяснил Дюплей, их концепция является родственной, но иной:

"Наш подход дополняет эти концепции в том смысле, что он использует ту же концепцию лазерной фазированной решетки, но использует гораздо более интенсивный лазерный поток на космическом корабле для прямого нагрева топлива, подобно гигантскому паровому чайнику. Это позволяет космическому кораблю быстро ускоряться, пока он еще находится вблизи Земли, поэтому лазеру не нужно фокусироваться так далеко в космос.

"Наш космический корабль похож на драгстер, который очень быстро разгоняется, оставаясь рядом с Землей. Мы считаем, что можем даже использовать тот же ракетный двигатель, работающий на лазере, для возвращения бустера на околоземную орбиту после того, как он выбросит основной аппарат на Марс, что позволит быстро утилизировать его для следующего запуска".

В этом отношении концепция, предложенная Дюплеем и его коллегами, напоминает ядерно-тепловую двигательную установку (ЯТП), где лазер занял место ядерного реактора.

Помимо ОЭ и водородного топлива, архитектура миссии для лазерно-термического космического аппарата включает несколько технологий из других архитектур. Как указал Дюплей, они включают:

"лучи волоконно-оптических лазеров, которые действуют как единый оптический элемент, надувные космические конструкции, которые могут быть использованы для фокусировки лазерного луча, когда он прибывает на космический корабль в нагревательную камеру, и разработка высокотемпературных материалов, которые позволят космическому кораблю разбиться о марсианскую атмосферу по прибытии".

Последний элемент очень важен, учитывая, что на Марсе нет лазерного массива для замедления космического аппарата, когда он достигнет Марса.

"Надувной отражатель — это ключ к отличию от других архитектур направленной энергии: разработанный с учетом высокой отражательной способности, он может выдерживать большую мощность лазера на единицу площади, чем фотоэлектрическая панель, что делает эту миссию осуществимой при скромных размерах лазерной установки по сравнению с лазерно-электрическими двигателями", — добавил Дюплей.

Комбинируя эти элементы, лазерно-тепловая ракета может обеспечить очень быстрые перелеты на Марс, которые будут длиться всего шесть недель — то, что раньше считалось возможным только с ракетными двигателями на ядерном топливе.

Самым непосредственным преимуществом является то, что она представляет собой решение проблем, связанных с опасностями, возникающими при полетах в дальний космос, такими как длительное воздействие радиации и микрогравитации.

В то же время, говорит Дюплей, миссия сопряжена с некоторыми трудностями, поскольку многие из задействованных технологий являются передовыми и еще не были испытаны:

"Лазерная нагревательная камера, вероятно, является самой серьезной проблемой: Сможем ли мы удержать водородный газ, наше топливо, когда он нагревается лазерным лучом до температуры более 10 000 К, и в то же время сохранить стенки камеры холодными? Наши модели говорят, что это осуществимо, но экспериментальные испытания в полном масштабе пока невозможны, потому что мы еще не построили необходимые лазеры мощностью 100 МВт".

Хотя большая часть технологий в этой предлагаемой архитектуре миссии — и других подобных предложениях — все еще находится на стадии теории и разработки, их потенциал не вызывает сомнений.

Сокращение времени, необходимого для того, чтобы добраться до Марса, до нескольких недель, а не месяцев, решит две самые большие проблемы для марсианских миссий — логистическую и медицинскую.

Кроме того, создание системы быстрого транзита между Землей и Марсом ускорит создание инфраструктуры между Землей и Марсом. Это может включать в себя космическую станцию типа Gateway на орбите Марса, подобно Mars Base Camp, предложенному Lockheed Martin, а также лазерный массив для замедления приближающихся космических аппаратов.

Наличие этих объектов также ускорит реализацию планов по созданию постоянного присутствия человека на поверхности Марса.

В заключение профессор Хиггинс сказал:

"Исследование проекта "Марс за 45 дней", которым руководил Эммануэль, было мотивировано изучением других, ближайших применений технологии лазера с фазированной решеткой, которую разрабатывает группа Филипа Любина. Возможность доставки энергии в глубокий космос с помощью лазера стала бы революционной технологией для двигательной установки и энергетики. В нашем исследовании рассматривался лазерный тепловой подход, который выглядит обнадеживающе, но сама лазерная технология — это настоящая перемена в игре".