Дифракційні сонячні вітрила здатні зупинити астероїд на 100 км/с

Чому «лобовий» удар такий ефективний

Кінетичний відхилювач працює завдяки енергії, яку він передає астероїду. А енергія зіткнення зростає пропорційно квадрату швидкості: що швидше вдарити, то сильніше зміниться траєкторія космічної скелі.

Місія DART влучила в астероїд Діморфос зі швидкістю близько 6 км/с, рухаючись у тому ж напрямку, що й ціль, і заходячи «ззаду». Це спрацювало, але така геометрія сильно обмежує швидкість зближення.

У новій роботі розглядають протилежний підхід: апарат, розігнаний сонячним вітрилом, летить проти руху астероїда, наче автомобіль, що мчить смугою зустрічного руху. Тоді відносна швидкість може зрости до ≈100 км/с, що, за розрахунками, дає приблизно 230 разів більше енергії на кілограм маси апарата, ніж в експерименті DART.

Як розвернутися проти потоку в Сонячній системі

Практична проблема полягає в тому, що майже всі об’єкти Сонячної системи обертаються навколо Сонця проти годинникової стрілки. Земля — не виняток. Усе, що стартує з нашої планети, уже має цей «правильний» напрямок орбіти.

Щоб перейти на зворотну (ретроградну) орбіту, потрібно докорінно змінити орбітальний рух. Для хімічних ракет це недосяжно: за рівнянням Ціолковського їм довелося б везти нереалістичну кількість палива.

Сонячні вітрила пропонують інше рішення. Вони не залежать від запасів палива і використовують тиск сонячного випромінювання — невелику, але постійну силу, яку надають фотони, відбиваючись або взаємодіючи з поверхнею вітрила.

Ще в 1990-х італійський інженер Джанкарло Вульпетті (Giancarlo Vulpetti) показав, що за певної траєкторії сонячне вітрило можна вивести на так звану H-reversal-орбіту, де апарат після складного маневру починає обертатися навколо Сонця у зворотному напрямку.

Суть такої траєкторії: спочатку вітрило працює як «гальмо», поступово зменшуючи кутовий момент космічного апарата. Коли орбітальний рух майже зникає, гравітація Сонця тягне апарат у глибокий «пікіруючий» проліт до світила. Під час найближчого наближення (перигелію) вітрило знову активно використовують — цього разу для різкого «розвороту» і виведення апарата вже на ретроградну орбіту.

Чому звичайні сонячні вітрила недостатні

Теоретична траєкторія Вульпетті виглядає привабливо, але традиційні сонячні вітрила виявляються надто незграбними для її реалізації. Місії IKAROS агентства JAXA та LightSail 2 Планетарного товариства продемонстрували роботу класичних вітрил, які діють як гігантські дзеркала: світло відбивається під тим самим кутом, під яким падає, а тяга завжди спрямована перпендикулярно площині вітрила.

Щоб отримати потрібне прискорення для H-reversal, таке вітрило доводиться повертати під дуже великим кутом до Сонця. У результаті ефективна площа, що ловить світло, різко зменшується, а разом із нею падає й тяга. Це робить маневр надто довгим і неефективним.

Дифракційні сонячні вітрила: ключова відмінність

Запропоновані в новій роботі дифракційні сонячні вітрила працюють інакше. Замість звичайної дзеркальної плівки вони використовують мікроструктуровані оптичні решітки, що спрямовують світло вбік завдяки дифракції, при цьому саме вітрило може залишатися повернутим прямо до Сонця.

Це означає, що:

• повна площа вітрила постійно освітлена, навіть поблизу перигелію;
• напрям тяги можна «повертати» за рахунок дифракції, а не механічного повороту полотнища;
• система керування орієнтацією значно спрощується, а доступна тяга зростає.

У чисельних моделях дослідники перевірили різні конфігурації таких вітрил для H-reversal-траєкторії й виявили, що найкраще працюють відбивально-дифракційні (reflection-type diffractive) вітрила. Лише вони в розрахунках не падали в Сонце і не «вилітали» назовсім із Сонячної системи.

Перевірка на прикладі астероїда Апофіс

Знайти придатний тип вітрила — лише половина завдання. Автори також змоделювали, як така система могла б працювати для реального об’єкта — астероїда Апофіс, діаметром близько 340 м.

Апофіс стане відомим «космічним гостем» 13 квітня 2029 року, коли пролетить на відстані приблизно 38 000 км від Землі. Нинішні оцінки не вимагають його відхилення, але це добре вивчений астероїд, тож він став зручним полігоном для моделювання.

Дослідники розглянули два варіанти відбивально-дифракційного вітрила:

• з фіксованим кутом дифракції протягом усієї траєкторії;
• з можливістю змінювати кут: помірний при зануренні до Сонця і до ~90° поблизу перигелію.

В обох сценаріях моделі показали, що можна доставити апарат-імпактор до Апофіса з відносною швидкістю близько 100 км/с за 200–300 діб від моменту запуску. Це приблизно на рік швидше, ніж подібна місія на базі стандартного відбивального сонячного вітрила. Для планетарної оборони така різниця в часі може стати межою між успішним відхиленням і зіткненням.

Ще один інструмент планетарної безпеки

Автори наголошують, що людству, ймовірно, колись таки доведеться мати справу з реально небезпечним астероїдом, навіть якщо наразі жоден із відомих об’єктів не загрожує прямим ударом по Землі.

Демонстрація DART довела ефективність «звичайного» кінетичного удару по супутнику астероїда. Нова концепція показує, що дифракційні сонячні вітрила потенційно здатні доставити набагато енергійніший удар у значно стисліші терміни, не спираючись на величезні запаси палива.

Навіть якщо людству пощастить і нам ніколи не доведеться застосувати такий спосіб на практиці, розробка й відпрацювання подібних технологій додає впевненості: у нашому арсеналі з’являється ще один реалістичний інструмент, щоб протистояти загрозі «вбивчих» астероїдів.

Дифракційні сонячні вітрила здатні зупинити астероїд на 100 км/с з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com