вторник, 7 февраля 2012 г.

Проект «Икар»: как удержать на связи межзвёздный корабль

Проект «Икар»: как удержать на связи межзвёздный корабль«Икар» — амбициозный пятилетний проект, инициированный фондом Tau Zero совместно c Британским межпланетным обществом и осуществляемый Icarus Interstellar Inc. Задача его проста — отправить космический корабль к одной из ближайших звёзд (см. видео).

Очевидно, что рано или поздно человечеству придётся запускать зонд для исследования с близкой дистанции одной из многочисленных планет, открываемых сегодня земными астрономами. Но помимо массы вопросов, которые вызывает разработка двигателей и систем жизнеобеспечения такого корабля, весьма существенной представляется ещё одна, не менее сложная проблема: автоматический зонд, запущенный к ближайшим звёздам, должен поставлять информацию — иначе его полёт не имеет смысла. И решение такой задачи крайне нетривиально.

Радио

Мы привыкли решать вопросы связи с помощью радиоволн. В земных условиях это приемлемо, но вот в космосе с его дистанциями и приёмная, и предающая антенны должны быть огромными. Разработчики, занимавшиеся в 1970-х проектом «Дедал» (исследовал ту же проблему), предложила оригинальный ход: сделать куполом антенны заднюю часть разгонной ступени межпланетного автоматического зонда, выполнив его в форме гиперболоида. Их расчётный диаметр получился 40-метровым, а требуемая для связи с Землёй мощность корабельного передатчика была заявлена на уровне одного мегаватта.

Исследователи «Икара», однако, полагают эти цифры крайне оптимистичными. И даже если бы они были верны, то несложные расчёты показывают, что скорость такого соединения не превысит 800 килобит в секунду. Для цифрового видеосигнала этого мало: информация будет просачиваться через узенькую щёлочку. Применение алгоритмов сжатия лишь частично решит проблему. Кроме того, приёмная антенна потребуется невероятных размеров. При её строительстве в космосе она будет дорогой; на Земле же многочисленные огромные «тарелки» придётся возводить по всей планете.

Лазер

Что же делать? Если мы хотим перейти от ненадёжного dial-up`а к широкополосному соединению, понадобится лазерная связь, в которой быстро включающийся-выключающийся лазер будет играть роль радиопередатчика. Когерентность его огромна, и даже на расстоянии в несколько световых лет лучшие современные лазеры уже могут дать различимый сигнал.

Кроме того, в качестве промежуточных станций связи в этом случае могут использоваться отработанные топливные баки межзвёздного зонда. Например, так:

Однако каждое достоинство скрывает внутри себя недостаток. Способность лазера концентрировать пучок излучения в определённой точке ведёт к необходимости очень точного расположения приёмной станции. Всего несколько метров в сторону от оси пучка — и сигнала не будет вовсе. Но Земля движется вокруг Солнца, оно — вокруг центра Галактики, и всё это происходит на скоростях, в десятки раз превышающих скорости полёта пули. Да и все эти орбиты подвержены флуктуациям, влиянию гравитации соседних звёзд, которые не важны, когда вы используете радиосвязь с Луной, но колоссально значимы уже для связи с Альфой Центавра. Хуже того, пучок света от лазера при приближении зонда к другой солнечной системе будет искажаться и её гравитацией тоже.

Гравитация

Ну а каждый недостаток, при внимательном рассмотрении, может скрывать в себе достоинство!

Гравитационное искажение электромагнитных волн ведёт к возможности использования гравитационной линзы, усиления электромагнитных колебаний (в данном случае — светового пучка) от тела со значительной гравитацией. В нашей Солнечной системе одно такое как раз есть. Действительно, расположив на одной линии с Солнцем и лазерным лучом от зонда космический корабль-приёмник, мы можем в несколько раз усилить сигнал, а значит — «в разы» снизить количество энергии, необходимое лазерному передатчику зонда. И это значимо, та как даже атомный реактор не сможет снабжать зонд мегаваттами энергии сотни лет подряд без сбоев. По крайней мере на Земле такое не удаётся даже нациям-перфекционистам, вроде японцев.

У этого решения, как читатель уже догадался, тоже есть недостаток. Гравитационная линза Солнца слишком велика, она начинает работать на расстоянии, в 550 раз превышающем дистанцию от Земли до Солнца. Самый далеко зашедший космический аппарат землян — «Вояджер» — пока отлетел всего на 120 а. е., то есть не прошёл и четверти пути. Команда «Икара» склонна, однако, предполагать, что это решаемая проблема. И в самом деле, уже сейчас есть технологии, способные разгонять космические корабли до скоростей, на порядок больших, чем у «Вояджера», то есть в обозримой перспективе вывести корабль на расстояние в 550 а. е. от Солнца можно.

Проблемы? Куда же без них. Такой корабль, для того чтобы оставаться в одной и той же точке (а иначе сеанс связи не состоится), должен всё время слегка маневрировать двигателями. Оставим вопросы о том, откуда он возьмёт для этого энергию. Атомный реактор, периодическая смена кораблей — все эти дорогостоящие мероприятия неизбежны, но выполнимы. Однако для качественной навигационной привязки к «точке связи» с межпланетным зондом такую машину придётся обеспечить навигационной системой GPS-типа, только в масштабах Солнечной системы. Радует одно: по расчётам, такая группировка навигационных кораблей должна находиться «почти совсем недалеко» от Солнца — всего лишь на удалении Сатурна.

Соответственно, корабль-приёмник тоже будет слать лазерный луч на межзвёздный зонд или его промежуточные станции связи, чтобы тот «знал», куда отправлять ответ с собранной информацией.

Любой специалист по современной космонавтике скажет, что масштаб затрат, необходимый для реализации такого проекта, превосходит нынешние космические расходы как пирамида Хеопса превосходит гробницу Ленина. И это с учётом того, что массовые запуски космических кораблей могут несколько снизить стоимость элементной базы. Разумеется, на сегодняшних химических ракетах это невозможно, иначе затраты запросто могут превысить суммарный ВВП всех государств Земли. Но ничто, кроме политической воли, не мешает уже сегодня разрабатывать космические корабли с ядерными реакторами и соответствующие им по мощности ионные двигатели. А с такими средствами передвижения полёты внутри Солнечной системы должны стать радикально дешевле.

То же относится и к остальном элементам проекта. Верным остаётся основная идея, высказанная ещё группой «Дедал» в 1970-х: все нужные технологии уже существуют, не хватает лишь решения конкретных инженерных задач. От себя добавим: и гонки престижа между парой каких-нибудь сверхдержав.

Подготовлено по материалам Discovery News.

Оригинальная статья

Поделитесь этой новостью с Вашими друзьями!

Ранее в рубрике "Космос":

На экспериментальном дроне X-56A испытают особо тонкие и гибкие крылья для БПЛА будущего
Беспилотный самолёт Lockheed Martin X-56A — экспериментальная машина, построенная по модульному принципу. Её основной чертой является огромное удлинение крыла, нетипичное для современных самолётов. Разработка ведётся по Многоцелевой демонстрационной программе аэроэластичности (МДПА). Целью экспериментов с этим БПЛА является преодоление замкнутого круга современного классического самолёта. Напомн...
  (читать дальше)

Ученый: астрономическую программу надо разработать до вступления в ESO
Приоритеты развития российских исследований в области в астрономии необходимо разработать до вступления РФ в международный астрономический консорциум - Европейскую южную обсерваторию (ESO), это позволит избежать неэффективной траты средств, считает директор национального исследовательского центра "Курчатовский институт" Михаил Ковальчук. "У нас есть обширное астрономическое сообщество, есть астр...
  (читать дальше)

США выходят из европейского проекта "ЭкзоМарс", уступая место России
Американское космическое агентство НАСА готовится окончательно выйти из совместного с европейскими коллегами проекта марсианской миссии "ЭкзоМарс", полностью "расчистив поле" для участия России, сообщает Би-би-си. В свою очередь, источник в ракетно-космической отрасли сообщил РИА Новости, что переговоры Роскосмоса и Европейского космического агентства по проекту идут успешно, и стороны уже подго...
  (читать дальше)

НАСА, похоже, выходит из проекта ExoMars
Проект ExoMars был инициирован Европой в 2005 году. В 2009-м Европейское космическое агентство (ЕКА) заявило о намерении выполнить его вместе с НАСА. До недавнего времени сообщалось, что в 2018 году к Марсу отправится европейский марсоход, значительная часть элементной базы которого будет американской. Предполагаемые РН для миссии — «Атлас-5» — также звёздно-полосатого производства. Но, как это ...
  (читать дальше)

Китайские ученые опубликовали детальную карту Луны
Китайские специалисты в понедельник опубликовали полную карту Луны с лучшим в мире пространственным разрешением, созданную на базе снимков, полученных зондом "Чанъэ-2", сообщает агентство Синьхуа. По словам заместителя руководителя китайской лунной программы Лю Дункуя, новые китайские карты обладают "самым высоким разрешением из всех когда-либо публиковавшихся снимков спутника Земли". Для сравн...
  (читать дальше)

Опубликованы фотографии марсианской области Большой Сирт
Европейский космический аппарат Mars Express прислал новые фотографии марсианской области Syrtis Major. Большой Сирт можно наблюдать с Земли даже в относительно небольшие телескопы — это почти круглая тёмная область 1300×1500 км. В 1659 году её обнаружил Христиан Гюйгенс. Именно с её помощью он оценил продолжительность суток на Марсе. Поначалу астрономы считали, что это океан, ибо уровень воды...
  (читать дальше)

«Хаббл» сфотографировал спиральную галактику NGC 1073
Космический телескоп «Хаббл» сфотографировал спиральную галактику NGC 1073, расположенную в направлении созвездия Кит. Млечный Путь представляет собой такую же спираль с перемычкой, поэтому изучение подобных объектов особенно полезно для понимания нашего собственного местожительства. Большинство спиральных галактик имеют подобную перемычку, и в данном случае её можно рассмотреть особенно детал...
  (читать дальше)

Полярные сияния Юпитера вызываются извержениями вулканов на его спутнике Ио
Полярное сияние можно наблюдать в тех случаях, когда заряженные частицы сталкиваются с магнитным полем планеты. На Земле это происходит лишь время от времени и из-за того, что Солнце испускает длинный язык плазмы. Юпитер же имеет постоянные кольца полярного сияния, окружающие оба полюса. Учёные давно подозревают, что виной тому — крошечная, но гиперактивная Ио, отрыгивающая около тонны серы каждую...
  (читать дальше)

Оборудование погибшего спутника "Экспресс" используют для нового
Оборудование Hughes Network System, работающее в Ka-диапазоне, приобретенное ФГУП "Космическая связь" (ГПКС) к запуску спутника "Экспресс АМ4", будет использовано для работы с новым космическим аппаратом "Экспересс АМ6", рассказал РИА Новости в понедельник начальник отдела по связям с общественностью ГПКС Денис Сухоруков. По словам главы представительства Hughes в России Константина Ланина, в 20...
  (читать дальше)
НАСА и ЕКА будут осваивать Марс в четыре этапа
Группа учёных из Европы, Канады и США, включая специалистов НАСА и ЕКА, выделила четыре главных требования к будущим проектам, посвящённым доставке образцов марсианского грунта на Землю. Во главу угла поставлены поиск следов прошлой или нынешней жизни. Отправка человека — на последнем месте. Хотя выполнение первоочередной задачи — всё равно что поиск иголки в стоге сена, учёные полагают, что и...
  (читать дальше)

Как природа осуществляет наноразмерный контроль за солнечной энергией
Начало природного процесса захвата солнечной энергии происходит в абсорбирующих свет протеиновых комплексах, называемых фотосинтетическими реакционными центрами (РЦ). Даже после миллиардов лет эволюции Природа и не думает отказываться от находящегося в центре РЦ абсорбирующего свет гексамерного кофактора, нужного для проведения самой первой химической реакции фотосинтеза — индуцированного светом э...
  (читать дальше)

Почему секс и красный цвет взаимосвязаны
Исследователи пришли к выводу, что красные женские гениталии не возбуждают мужчин — следовательно, для сексуальной символики красного цвета нужно искать иное, менее наглядное объяснение. Обычно поведенческие эксперименты такого рода проводят на млекопитающих. Поэтому то, что в исследовании участвовали не самцы обезьян, а обычные мужчины, добавляет результатам ещё и солидную долю пикантности. С...
  (читать дальше)

Как мысли о смерти нам жить помогают
Размышления о смерти делают нас добрее и внимательнее, а вид на кладбище способен помочь с пошатнувшимся здоровьем. Общество обычно табуирует тему смерти. Считается (и тому есть подтверждения в работах психологов), что мысли о смерти негативно влияют на психику, способствуют асоциальному и даже антисоциальному поведению, и что нормальной жизни «размышления о вечном» следует держать в узде. С пси...
  (читать дальше)

Королевство кривых лучей
Обычно свет распространяется по прямой. Конечно, при помощи сред с различными коэффициентами преломления его можно отклонить. Однако новые исследования двух независимых научных групп показывают, что и сам по себе пучок света может изгибаться до 360˚. Часто новое — это хорошо забытое, но не обязательно старое. В конце 1970-х физики Майкл Берри из Бристольского университета (Великобритания) и Нанд...
  (читать дальше)

Объявлены победители конкурса подводной фотографии
Подведены итоги ежегодного конкурса подводной фотографии, который проходит под эгидой Школы морских и атмосферных наук Университета Майами (США). До участия допускаются только любители, которые зарабатывают на фотографии не более 20% своего дохода. Второе место в категории «Макросъёмка»: «фарфоровый» краб из семейства Porcellanidae, зацепившийся за полип морское перо в национальном парк...
  (читать дальше)

Заболевания дёсен, оказывается, не имеют отношения ни к инфарктам, ни к инсультам
Вот уже два десятка лет учёные твердят о связи между заболеваниями дёсен, инфарктами и инсультами. И вдруг новый анализ данных показывает, что эти заявления ошибочны. Американская кардиологическая ассоциация опубликовала в AHA journal Circulation «научный рапорт», заключающий, что периодонтит не повышает риска возникновения сердечно-сосудистых хворей и не является их причиной. Более того, нет ни м...
  (читать дальше)

Аспирин, возможно, помогает против ожирения
Салициловая кислота, образующаяся в результате расщепления аспирина, активирует расщепление жиров в клетке. Кажется, человечество вот уже более полутораста лет живёт с лекарством от всех болезней, не догадываясь о его чудодейственном всемогуществе. Не так давно проходило сообщение о том, что аспирин можно пить для профилактики рака; полным ходом исследуется его благотворное влияние при сердечно-...
  (читать дальше)

Как звучит симметрия субатомного мира?
Хотите услышать песнь позитрона? Итальянский инженер Доменико Вичинанца, кажется, готов воплотить вашу мечту. Этот человек уже экспериментировал с вулканической активностью и даже играл древнегреческую музыку с «Оркестром забытых звуков». Теперь его влечёт субатомный мир туманных и пузырьковых камер — предшественников современных детекторов частиц. Туманную камеру изобрёл в 1895 году шотландск...
  (читать дальше)

Нам бы расписания взять и отменить
Исследователи из Технологического института Джорджии (США) обнаружили, что отмена управления наземным общественным транспортом при помощи расписания и использование децентрализованной самоуправляющейся схемы позволяет сделать движение более эффективным. В работе, опубликованной в журнале Transportation Research, описан алгоритм, позволяющий минимизировать интервалы между появлениями автобусов на о...
  (читать дальше)