Известный планетолог Дэвид Киппинг просчитал мощность лазера, необходимого для запуска "парусника" к Альфе Центавра, и раскрыл новые проблемы с его работой, связанные с теорией относительности Эйнштейна и перегревом паруса.
"Классическая формула для определения скорости паруса завышает скорость на 10% из-за игнорирования релятивистских эффектов. Супер-яркий свет, необходимый для разгона для околосветовых скоростей, будет сильно нагревать парус. Его создание потребует подбора очень легкого и прочного материала, способного сохранять стабильность при нагреве до сотен градусов Кельвина", — пишет Киппинг в своей статье, размещенной в электронной библиотеке arXiv.org.
В апреле 2016 года известный британский космолог Стивен Хокинг и российский миллиардер Юрий Мильнер рассказали о своей очередной "космической" инициативе в рамках серии проектов Breakthrough Initiatives — Breakthrough Starshot. В его рамках олигарх выделил 100 миллионов долларов на создание космического корабля на базе идеи, изложенной калифорнийскими физиками под руководством Филипа Лубина (Philip Lubin) в 2015 году.
Ее суть заключается в том, чтобы отправлять к далеким планетам не классические космические корабли, а чрезвычайно легкие и плоские структуры из светоотражающего материала, которые будут разгоняться до околосветовых скоростей при помощи мощного орбитального лазера.
Подобный межзвездный "парусник", по расчетам американских физиков, сможет достигнуть Альфы Центавра за 20 лет, и будет совершать перелеты между Марсом и Землей всего за трое суток без полезной нагрузки, и за месяц при нагрузке в 10 тонн. Главной проблемой и в том и в другом случае будет торможение зонда – пока у придумавшей его команды нет идей, как сделать остановку лазерного "парусника" безопасной.
Киппинг, планетолог из университета Колумбии в Нью-Йорке, раскрыл еще один комплекс проблем, который может помешать или значительно усложнить отправку флотилии космических "парусников" к Альфе Центавра в 2030 годах, всесторонне изучив то, как луч лазера будет взаимодействовать с разгоняемым им парусом.
Американский исследователь обратил внимание на то, что свойства материи и света меняются при переходе к околосветовым скоростям – на них начинают влиять эффекты, предсказываемые специальной теорией относительности Эйнштейна. В частности, длины объектов начинают сокращаться, а их масса – расти, что может влиять на работу парусников Breakthrough Starshot.
Руководствуясь этой идеей, Киппинг просчитал последствия столкновения одной частицы света с парусом на "нормальных" и околосветовых скоростях, а затем использовал эти расчеты для оценки изменений в работе всего лазера.
Как оказалось, сила этих эффектов недооценивалась. По расчетам Киппинга, релятивистские эффекты понизят мощность лазера на 10% даже при ускорении на относительно скромные 20% скорости света, заложенные в планы проекта Breakthrough Starshot. В результате этого нужно будет или повысить мощность "двигателя", или заставить его работать дольше, что усугубит вторую проблему – нагрев паруса.
Нагрев опасен для Breakthrough Starshot по двум причинам – он может привести к выходу электронной начинки паруса из строя и он понижает эффективность его работы, так как часть энергии лазера тратится из-за этого впустую, на обогрев окружающей среды. Поэтому участникам проекта нужно будет или создать новый материал, отражающий почти весь падающий на него свет, или придумать, как защитить электронику от разрушения.
С другой стороны, как отмечает Киппинг, современные материалы в принципе позволяют достичь таких показателей. К примеру, тонкие пленки из солей цинка, титана и ряда других металлов отражают до 99,99% света, что позволит разгонять парусник Breakthrough Starshot на протяжении четырех часов без уничтожения его электронной начинки, используя фазированный лазер мощностью в примерно 700 мегаватт, который вполне можно создать уже сегодня.
За это время зонд разгонится до 20% от скорости света и успеет пролететь до орбиты Сатурна, что, как признает ученый, создаст проблемы со стабилизацией луча и его корректным нацеливанием на зонд. Все эти проблемы, как подчеркивает Киппинг, не делают полет Breakthrough Starshot невозможным, но заметно усложняют реализацию проекта.