За останнє десятиліття було виявлено тисячі планет поза нашою Сонячною системою. Це призвело до поновлення інтересу до космічних досліджень, що включає можливість направлення космічних апаратів для вивчення екзопланет. Враховуючи виклики, що зараз пов'язані з цим, зараз вивчається низка вдосконалених концепцій, як, наприклад, концепція легкого вітрила (як на прикладі Прорив Starshot та подібні пропозиції).
Однак в останні роки вчені запропонували потенційно більш ефективну концепцію, відому як електричне вітрило, де вітрило, що складається з дротяної сітки, генерує електричні заряди для відхилення частинок сонячного вітру, створюючи таким чином імпульс. У недавньому дослідженні два вчені з Гарвардського університету порівняли та протиставили ці методи, щоб визначити, що було б вигідніше для різних видів місій.
Дослідження, яке нещодавно з’явилось в Інтернеті і переглядається для публікації Acta Astronautica, проводили Манасаві Лінгам та Абрахам Лоб - доцент кафедри Флоридського технологічного інституту (FIT) та Франк Б. Берд-молодший, професор наук Гарвардського університету та директор Інституту теорії та обчислень (ITC), відповідно.
Концепція легкого вітрила - це час, коли космічний апарат, оснащений великим аркушем світловідбиваючого матеріалу, використовує тиск випромінювання зірки (ака. Сонячний вітер) для прискорення з часом. Головною перевагою цієї технології є те, що їй не потрібен космічний корабель для транспортування власного запасу палива, що, як правило, складає більшість маси космічного корабля.
Це особливо важливо, коли справа стосується міжзоряного руху, оскільки кількість реакційної маси, необхідної для досягнення навіть частки швидкості світла (c) було б приголомшливо. І на відміну від таких понять, як антиматеріальна установка або поняття, що покладаються на фізику, яка все ще є неперевіреною (або навіть гіпотетичною), сонячні / світлові вітрила використовують технології та фізику, які цілком доведені на даний момент.
Ще одна перевага полягає в тому, що легке вітрило можна прискорити, використовуючи засоби, відмінні від сонячного випромінювання. Як Lingam пояснив Space Magazine електронною поштою:
"Легкі вітрила можна" натискати "лазерними масивами або сонячним / зоряним випромінюванням. У будь-якому випадку головна перевага легких вітрил полягає в тому, що не потрібно носити пальне на борту на відміну від хімічних ракет. Це значно зменшує масу космічного корабля, оскільки більшість маси хімічних ракет пояснюється паливом. Ця ж перевага стосується і електричних вітрил. "
Однак в останні роки були розроблені варіанти цього поняття, як магнітне вітрило (ака. «Магейли»), запропоноване Робертом Зубріном та Даною Ендрюсом у 1988 році, і електричне вітрило, запропоноване Пеккою Янхунен у 2006 році. перший, надпровідний контур генерував би електричне поле, а другий випромінював магнітне поле через вітрило невеликих проводів - обидва вони відштовхували б сонячний вітер.
Ці поняття мають деякі помітні відмінності від звичайних сонячних або світлих вітрил. Як пояснив Лінгам:
«Електричні вітрила покладаються на передачу імпульсу від заряджених сонячних / зоряних частинок вітру (протони в нашому прикладі), відхиляючи їх через електричні поля, тоді як легкі вітрила покладаються на передачу імпульсу від фотонів, випромінюваних зіркою. Таким чином, вітер зірки приводить в рух електричні вітрила, тоді як електромагнітне випромінювання, яке випромінює зірка, рухає легкі вітрила. "
Цікаво, що деякі дослідники магнітні вітрила розглядали як можливий засіб уповільнення легкого вітрила, оскільки воно наближається до місця призначення. Одним з таких осіб є професор Клавдій Грос з Інституту теоретичної фізики Університету Гете у Франкфурті та Андреас Хайн та Кельвін Ф. Лонг - головні дослідники проекту «Стрекоза» (концепція схожа на Прорив Starshot).
Усі три концепції здатні перетворювати випромінювання, яке випромінюють зірки, в імпульс, але також мають свою частку недоліків. Для початківців електричні вітрила дуже сильно залежать від властивостей зірок їх господарів. З іншого боку, легкі вітрила виявляються малоефективними, якщо мова йде про зірки типу М (червоні карлики), оскільки тиск випромінювання недостатньо високий, щоб генерувати достатню швидкість для виходу із зіркової системи.
Це досить обмежуючий вигляд: бачити, як низькомасштабні ультраохолодні гноми типу М припадають на переважну більшість зірок у Всесвіті - 75% зірок у Чумацькому Шляху. Червоні карлики також неймовірно довговічні порівняно з іншими класами зірок і можуть залишатися в їх основній послідовності до 10 трлн років. Тому система руху, яка може використовувати червоні карликові системи, буде кращою протягом більш тривалих часових значень.
Через ці міркування Лінгам і Лоб намагалися визначити, який спосіб міжзоряного подорожі буде кращим (легкі вітрила або електронні вітрила) стосовно різних класів зірок - типу F (білий), типу G (жовтий), K- типу (помаранчевий) та зірки типу М. Враховуючи радіаційні властивості кожного класу, вони враховували ймовірну масу космічного корабля - виходячи з параметрів, встановлених Прорив Starshot.
Вони виявили, що космічний корабель у парі з електричним вітрилом являє собою кращий засіб руху в безпосередній близькості від більшості типів зірок, а не лише для грампластичних космічних кораблів (наприклад, для чого потрібен Зірка). Однак підрахунки Лінгама та Льоб також виявили, що космічний корабель з електричним вітрилом знадобиться значно більше часу, щоб досягти швидкості, яка зробить міжзоряну подорож практичною.
"Натомість, якщо розглядати легкі вітрила, що живляться за допомогою лазерних масивів (наприклад, Breakthrough Starshot), тоді можна безпосередньо досягти релятивістських швидкостей (наприклад, 10% швидкості світла) через легкі вітрила; навпаки, електричні вітрила, що живляться від зоряного вітру, досягають швидкості лише 0,1% від швидкості світла », - сказав Лінгам.
Тоді як електричне вітрило може досягти 0,1 c зрештою, неодноразово досягаючи близькості із зірками, вони підрахували, що це займе 10 000 зустрічей протягом одного мільйона років. Як сказав Лінгам:
"[E] лектричні вітрила є життєздатним засобом здійснення міжзоряних подорожей. Однак будь-який технологічний вид, який бажає застосувати цей метод, повинен був бути тривалим, оскільки весь цей процес досягнення релятивістських швидкостей потребує приблизно 1 мільйона років. Якщо такі довгоживучі види існують, електричні вітрила є досить зручним та енергоефективним засобом дослідження Чумацького Шляху протягом тривалих часових масштабів (мільйони років).
Хоча 1 мільйон років - це трохи більше, ніж моргання очей в космічному плані, він неймовірно довгий з точки зору життя цивілізацій - принаймні наші стандарти. Як вид, людство існувало близько 200 000 років і лише зафіксувало свою історію близько 6000. Більше того, ми були цивілізацією, котрою є космос протягом останніх 60 років.
Ерго, вітрило, яке здатне прискорити лазерами, залишається найбільш практичним засобом вивчення екзопланет у нашому житті. Ще одне значення для цього дослідження полягає в тому, як воно могло б повідомити про пошук позаземного інтелекту (SETI). Під час пошуку у Всесвіті ознак технологічної активності (ака. Техносигнатури) вчені змушені шукати ознаки, які вони розпізнають.
З огляду на переваги електричного вітрила, можливо, що позаземна цивілізація може віддавати перевагу цій технології над подібними. Як пояснив професор Лоб для Space Magazine електронною поштою:
"Наші розрахунки означають, що передові цивілізації, ймовірно, віддають перевагу використанню електричних вітрил над легкими вітрилами для руху, що базується на природному виході зірок у вигляді вітру або випромінювання. Однак, якщо технологічна цивілізація бажає досягти швидкості або запустити великі вантажі, для яких не може бути приведена в дію сила, вироблена їх зіркою-господарем, то, швидше за все, буде перевагу легке вітрило, яке штовхає їх штучно вироблений світловий пучок, наприклад потужний лазер. Ситуація схожа на різницю між вітрильними човнами, які користуються вітром, наданим безкоштовно природою, порівняно з більшими чи швидшими човнами, які приводяться в рух штучними засобами, такими як двигун ".
На жаль, як додав Льоб, електричні вітрила не легко виявити на великих відстанях, оскільки вони складаються з електрифікованих дротяних сіток і не випромінюють явних технологічних підписів. «Тому, - підсумовує він, - SETI повинен перш за все зосередитися на пошуку легких вітрил, які видно через витік їхніх світлових променів за межі вітрила біля місць спуску або через те, що вони відбивають сонячне світло при проходженні близько до Сонце, як і астероїди чи комети подібного розміру ».
Однак Лінгам і Льоб також підкреслюють, що електричні вітрила можуть бути привабливим варіантом для позаземної цивілізації з точно тієї ж причини. Окрім енергоефективності, електричні вітрила не піддаються переливанню, тому можуть переходити від однієї зіркової системи до іншої, не помічаючись. Можлива резолюція до парадокса Фермі? Можливо!
У будь-якому випадку, це дослідження вказує на те, що в наших нинішніх планах щодо вивчення сусідніх зіркових систем слід зосередитись на концепціях, що підкреслюють швидкість над довголіттям. Це означає, що розгортання електричних або магнітних вітрил (які могли б продовжувати дослідження Всесвіту протягом еонів) - погана ідея, але місія, яка може потрапити в іншу зоряну систему протягом нашого життя, зараз здається кращим варіантом.
