Сонячні, магнітні та лазерні світлові вітрила розглядають як один із найреалістичніших шляхів до міжзоряних подорожей. Вони використовують тиск випромінювання та електромагнітні поля замість хімічного палива, що різко зменшує масу апарата й теоретично дозволяє досягати найближчих зірок протягом одного людського життя. Про ці концепції детально розповідає матеріал на Universe Today.
Як з’явилася ідея світлових вітрил
Теоретичну основу для вітрил дав шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл, який у 1860-х роках показав, що світло має імпульс і може чинити тиск на поверхні. Наприкінці XIX століття російський фізик Пйотр Лебедєв експериментально виміряв цей тиск, а згодом подібні результати отримали Ернест Ніколс і Гордон Галл.
У 1921 році Костянтин Ціолковський запропонував використовувати сонячне світло для розгону космічних апаратів за допомогою «величезних дзеркал із дуже тонких листів», здатних розганятися до космічних швидкостей. Латвійський фізик Фрідріх Цандер у 1925 році проаналізував сонячне вітрило в технічній роботі, а пізніше ідею популяризували Дж. Б. С. Голдейн та Карл Саган, який описував можливість польоту до комети Галлея на сонячному вітрилі.
Від сонячних до магнітних вітрил
Сонячне вітрило — це велика легка відбивна поверхня, яка отримує тягу від тиску сонячного світла. На відміну від ракет, де більшу частину маси становить паливо, вітрило не потребує жодного пропеленту.
У 1988 році Дейна Ендрюс (Dana Andrews) та Роберт Зубрін (Robert Zubrin) запропонували магнітне вітрило (magsail): надпровідний контур радіусом 50–100 км і масою близько 100 тонн мав би взаємодіяти з іоносферою чи магнітосферою Землі або з сонячним вітром, створюючи тягу. Подальші проєкти намагалися зменшити масу системи й отримувати основну тягу саме від сонячного вітру.
У 2000 році команда під керівництвом Роберта Вінглі (Robert M. Winglee) запропонувала концепцію Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2): плазму впорскують у меншу й легшу котушку, що знижує енергоспоживання. З 2003 року фахівці Японського агентства аерокосмічних досліджень (JAXA) та університетів Японії розвивали ідею Magneto-Plasma Sail (MPS). Їхні роботи показали, що найкращі результати дає плазма з нижчою густиною та швидкістю, ніж у ранніх моделях.
У 2012 році Девід Кіртлі (David Kirtley) та Джон Слоу (John Slough) запропонували «плазмову магнітну оболонку» (Plasma Magnetoshell), яка мала б використовувати іоносфери планет як гальмівний механізм. Моделювання місій до Марса, Юпітера, Нептуна й Урана показало, що багатовиткова котушка перспективніша за плазмовий магніт.
У 2021 році дослідники з Інституту аерокосмічної тяги в Сіані описали «електромагнітне вітрило», що поєднує магнітне та електричне вітрило. Надпровідна котушка з електронною гарматою в центрі створює електричне поле, яке відхиляє позитивні іони сонячної плазми, додаючи тягу до магнітної взаємодії.
Лазерні світлові вітрила та міжзоряні місії
Першу формальну міжзоряну концепцію світлового вітрила запропонував у 1984 році фізик Роберт Форвард (Robert Forward). У роботі «Roundtrip interstellar travel using laser-pushed lightsails» він описав, як потужні лазери можуть розганяти вітрило до релятивістських швидкостей. Двигуни залишаються в Сонячній системі, а апарат отримує енергію на відстані, причому той самий лазерний комплекс теоретично може й гальмувати вітрило в цільовій системі.
У 1989 році Джеффрі Лендіс (Geoffrey Landis) розглянув матеріали та оптику для лазерного вітрила й запропонував систему, де лазерний промінь поєднується з фотоелектричним іонним двигуном. У 2000 році Роберт Фрісбі (Robert Frisbee) оцінив, що вітрило діаметром близько 965 км можна розігнати до половини швидкості світла менш ніж за десять років і долетіти до Проксими Центавра приблизно за дев’ять років. Менше вітрило, 320 км у діаметрі, дісталося б туди трохи більш ніж за 12 років, але для цього потрібен безперервний потік потужності близько 17 000 терават протягом майже десятиліття та надміцні композити, щоб вітрило не розплавилося.
Перші випробування сонячних вітрил
Перший серйозний проєкт сонячного вітрила в NASA стартував у 1976 році в Лабораторії реактивного руху: планували політ до комети Галлея. Однак до реальних розгортань у космосі дійшли лише на початку XXI століття.
Місія NanoSail-D, розроблена в Центрі Маршалла та Центрі Еймса NASA, мала продемонструвати вітрило в низькій навколоземній орбіті. Перший апарат було втрачено під час аварії ракети у 2008 році, але резервний зразок запустили у 2010-му разом із супутником FASTSat. Це стало першим успішним розгортанням сонячного вітрила NASA в орбіті. Конструкція з алюмінію та пластику мала площу близько 9,3 м² і масу менше 4,5 кг.
У 2009 році Планетарне товариство започаткувало краудфандингову програму LightSail для демонстрації сонячного вітрила на кубсатах. LightSail-1, запущений у 2015 році, перевірив системи апарата, а LightSail-2 у 2019 році вийшов на вищу орбіту й уперше чітко продемонстрував зміну орбіти лише завдяки тиску сонячного світла.
У 2010 році JAXA запустило апарат IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) до Венери — перше міжпланетне сонячне вітрило й перший успішний політ, де тягу забезпечувало саме вітрило. Квадратне обертове вітрило 14×14 м було виготовлене з надтонкої поліімідної плівки товщиною 7,5 мікрометра й масою лише 10 г на квадратний метр. У нього вбудували тонкоплівкові сонячні батареї та вісім рідкокристалічних панелей для керування відбивною здатністю й орієнтацією. IKAROS шість місяців летів до Венери, а потім три роки рухався до протилежного боку Сонця.
У 2015 році NASA обрало місію Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) для польоту разом із Artemis 1. Кубсат мав чотири 7-метрові стріли з алюмінізованим поліімідним вітрилом площею 83 м² для дослідження навколоземних астероїдів, але зв’язок із ним було втрачено після розгортання.
У квітні 2024 року стартував демонстратор Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). 12U-кубсат розгорнув квадратне вітрило площею 80 м² за допомогою чотирьох 7-метрових композитних стріл із вуглепластика. Плівка з поліетиленнафталату мала металізоване покриття з алюмінію та хрому. Місія працювала до жовтня 2025 року, коли через деформацію опорної балки апарат втратив керування.
Мініатюрні апарати та спрямована енергія
Наприкінці XX століття розвиток електроніки та мініатюризації привів до появи кубсатів, а разом із ними — ідеї надлегких автономних апаратів, які можна розганяти до частки швидкості світла. Паралельно розвивалася концепція рушіїв на спрямованій енергії (Directed Energy Propulsion, DEP).
Професор Філіп Любін (Philip Lubin) та Експериментальна космологічна група Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі запустили у 2009 році програму Starlight (DEEP-IN) за підтримки NASA. Разом із програмою Directed Energy Interstellar Studies (DEIS) вони вивчали можливість створення великих лазерних систем для розгону малих апаратів до релятивістських швидкостей. У 2015–2016 роках ці роботи отримали фінансування в межах програми NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Той самий колектив започаткував програму Wafer Scale Spacecraft Development (WSSD), мета якої — грамові «ваферкрафти» з датчиками й камерами, що в парі з вітрилами могли б досліджувати найближчі екзопланети. NASA також підтримало ці дослідження через NIAC.
У 2014 році ініціатива Initiative for Interstellar Studies (i4is) провела дослідження Project Dragonfly: учасники мали спроєктувати вітрильні апарати, здатні досягти цільової зоряної системи менш ніж за століття. Два найкращі концепти переросли в проєкти Lyra та Breakthrough Starshot.
Project Lyra передбачає вітрила, що можуть розганятися до швидкостей до 26 км/с, аби наздоганяти міжзоряні об’єкти на кшталт ʻОумуамуа, 2I/Борисова та 3I/ATLAS. Breakthrough Starshot, своєю чергою, пропонує поєднати лазерні вітрила з грамовими «ваферкрафтами» (Starchips) і масивом лазерів потужністю 100 гігават. За оцінками, такі апарати могли б досягати близько 60 000 км/с, тобто 20 % швидкості світла, і долітати до Альфи чи Проксими Центавра приблизно за 20 років.
У 2022 році було опубліковано концепцію Swarming Proxima Centauri — «рою» дископодібних апаратів зі штучним «роєвим інтелектом», здатних дістатися Проксими Центавра протягом життя однієї людини. Ініціативу розробляли i4is та головний науковець Space Initiative Inc. Маршалл Юбенкс (Marshall Eubanks). Вони пропонують масив лазерів потужністю 100 гігават, який по черзі розганятиме тисячі грамових зондiв до 10–20 % швидкості світла, а також наземні «світлові відра» площею близько 1 км² для прийому слабких сигналів від апаратів. За оцінками авторів, технологія може бути готовою близько 2050 року, а перші зонди могли б досягти Проксими Центавра й почати дослідження планети Проксима b приблизно до 2075 року чи пізніше.
Переваги та обмеження вітрил
Головна перевага сонячних, магнітних і лазерних вітрил — відсутність палива, яке зазвичай становить більшу частину маси космічного апарата. Це відкриває шлях до значно вищих швидкостей і триваліших місій.
Однак сонячні та магнітні вітрила не здатні забезпечити достатнє прискорення для виходу за межі Сонячної системи, тому їхні можливості обмежуються міжпланетними польотами. Для міжзоряних подорожей реалістичним варіантом залишаються лише лазерні світлові вітрила, але вони мають серйозний недолік — потребу в колосальних масивах лазерів.
За різними оцінками, система спрямованої енергії для розгону апарата до релятивістських швидкостей потребуватиме від приблизно 100 гігават до 17 000 терават потужності. Це співмірно з виробітком десятків великих атомних електростанцій або сотень разів перевищує річне енергоспоживання всієї планети. Тож, хоча лазерні вітрила нині виглядають єдиним практичним шляхом до зірок, для їхньої реалізації потрібен величезний технологічний і енергетичний прорив.