Dziś wiele przestrzeni agencje badają najnowocześniejsze koncepcje napędu, które pozwolą na szybkie tranzyty do innych ciał w Układzie Słonecznym. Należą do nich koncepcje NASA Nuclear-Thermal lub Nuclear-Electric Propulsion (NTP/NEP), które mogłyby zapewnić czas tranzytu na Marsa w ciągu 100 dni (a nawet 45) oraz chiński statek kosmiczny o napędzie atomowym, który mógłby badać Neptuna i jego największy księżyc, Tryton. Podczas gdy te i inne pomysły mogą pozwolić na eksplorację międzyplanetarną, wydostanie się poza Układ Słoneczny stanowi pewne poważne wyzwanie.

Statek kosmiczny wykorzystujący konwencjonalny napęd potrzebowałby od 19 000 do 81 000 lat, aby dotrzeć nawet do najbliższej gwiazdy, Proxima Centauri (4,25 lat świetlnych od Ziemi). W tym celu inżynierowie badali propozycje statków kosmicznych bez załogi, które opierają się na wiązkach ukierunkowanej energii (lasery) w celu przyspieszenia lekkich żagli do ułamka prędkości światła.

Nowy pomysł zaproponowany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) przewiduje zwrot w stosunku do idei żagla-promieni: koncepcja wiązki-peletu, która mogłaby przyspieszyć 1-tonowy statek kosmiczny do krawędzi Układu Słonecznego w czasie krótszym niż 20 lat.

Koncepcję zatytułowaną „Pellet-Beam Propulsion for Breakthrough Space Exploration” zaproponował Artur Davoyan, adiunkt inżynierii mechanicznej i lotniczej na UCLA. Propozycja była jedną z 14 propozycji wybranych przez program NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) w ramach wyborów w 2023 r., w ramach których przyznano łącznie 175 000 USD dotacji na dalszy rozwój technologii. Propozycja Davoyana opiera się na niedawnych pracach nad napędem ukierunkowanym (DEP) i technologią lekkich żagli w celu stworzenia słonecznej soczewki grawitacyjnej.

Jak powiedział Davoyan Wszechświat dzisiaj przez e-mail, problem ze statkami kosmicznymi polega na tym, że nadal są one związane z równaniem rakietowym: „Wszystkie obecne statki kosmiczne i rakiety latają, zużywając paliwo. Im szybciej paliwo jest wyrzucane, tym wydajniejsza jest rakieta. Istnieje jednak ograniczona ilość paliwa, które można przewieźć na pokładzie. W rezultacie prędkość, do której statek kosmiczny może zostać przyspieszony, jest ograniczona. Ta podstawowa granica jest podyktowana równaniem rakiety. Ograniczenia równania rakietowego przekładają się na stosunkowo powolną i kosztowną eksplorację kosmosu. Takie misje, jak soczewka grawitacyjna Słońca, nie są wykonalne przy użyciu obecnych statków kosmicznych”.

Solar Gravitational Lens (SGL) to rewolucyjna propozycja, która byłaby najpotężniejszym teleskopem, jaki kiedykolwiek powstał. Przykłady obejmują soczewkę Solar Gravity, która została wybrana w 2020 r. do fazy III rozwoju NIAC. Koncepcja opiera się na zjawisku przewidzianym przez ogólną teorię względności Einsteina, znanym jako soczewkowanie grawitacyjne, w którym masywne obiekty zmieniają krzywiznę czasoprzestrzeni, wzmacniając światło obiektów w tle. Ta technika pozwala astronomom badać odległe obiekty z większą rozdzielczością i precyzją.

Umieszczając statek kosmiczny w heliopauzie (~ 500 jednostek astronomicznych od Słońca), astronomowie mogli badać egzoplanety i odległe obiekty z rozdzielczością zwierciadła głównego o średnicy około 100 kilometrów (62 mil). Wyzwaniem jest opracowanie układu napędowego, który mógłby przenieść statek kosmiczny na taką odległość w rozsądnym czasie. Jak dotąd jedynymi statkami kosmicznymi, które dotarły do ​​przestrzeni międzygwiezdnej, były sondy Voyager 1 i 2, które wystrzelono w 1977 roku i znajdują się obecnie odpowiednio około 159 i 132 jednostek astronomicznych od Słońca.

Kiedy opuścił Układ Słoneczny, Sonda Voyager 1 poruszała się z rekordową prędkością około 17 kilometrów na sekundę (38 028 mil na godzinę), czyli 3,6 AU rocznie. Niemniej jednak sondzie nadal zajęło 35 lat, aby dotrzeć do granicy między wiatrem słonecznym a ośrodkiem międzygwiazdowym (heliopauza). Przy obecnej prędkości Voyager 1 zajmie ponad 40 000 lat, aby przelecieć obok innego układu gwiezdnego — AC+79 3888, mało znanej gwiazdy w gwiazdozbiorze Małej Niedźwiedzicy. Z tego powodu naukowcy badają napęd energii skierowanej (DE), aby przyspieszyć lekkie żagle, które mogłyby dotrzeć do innego układu gwiezdnego w ciągu kilku dziesięcioleci.

Jak wyjaśnił Davoyan, ta metoda ma pewne wyraźne zalety, ale ma też swoje wady: „Żeglarstwo laserowe, w przeciwieństwie do konwencjonalnych statków kosmicznych i rakiet, nie wymaga paliwa na pokładzie do przyspieszenia. Tutaj przyspieszenie pochodzi od lasera popychającego statek kosmiczny przez ciśnienie promieniowania. W zasadzie tą metodą można osiągnąć prędkości bliskie prędkości światła. Jednak wiązki laserowe rozchodzą się na duże odległości, co oznacza, że ​​istnieje tylko ograniczony zakres odległości, w którym statek kosmiczny może być przyspieszany. To ograniczenie żeglugi laserowej prowadzi do konieczności posiadania niezwykle wysokich mocy lasera, gigawatów, a w niektórych propozycjach terawatów lub nakłada ograniczenia na masę statku kosmicznego.

Przykłady koncepcji wiązki laserowej obejmują Project Dragonfly, studium wykonalności przeprowadzone przez Institute for Interstellar Studies (I4IS) dla misji, która mogłaby dotrzeć do pobliskiego układu gwiezdnego w ciągu stulecia. Następnie jest Breakthrough Starshot, który proponuje układ laserowy o mocy 100 gigawatów (Gw), który przyspieszyłby nanostatki w skali grama (statek kosmiczny). Przy maksymalnej prędkości 161 milionów kilometrów (100 milionów mil) lub 20 procent prędkości światła, Starshot będzie w stanie dotrzeć do Alpha Centauri za około 20 lat. Zainspirowany tymi koncepcjami, Davoyan i jego współpracownicy proponują nowatorskie podejście do tego pomysłu: koncepcję wiązki peletów.

Ta koncepcja misji mogłaby służyć jako międzygwiezdna misja prekursorowa z szybkim tranzytem, ​​taka jak Starshot i Dragonfly. Ale dla swoich celów Davoyan i jego zespół badają system wiązki śrutu, który mógłby napędzać ładunek o wadze około 900 kilogramów (1 tona amerykańska) na odległość 500 jednostek astronomicznych w mniej niż 20 lat.

Powiedział Davoyan: „W naszym przypadku wiązka popychająca statek kosmiczny jest wykonana z maleńkich granulek [we call it] promień pelletu. Każda kulka jest przyspieszana do bardzo dużych prędkości za pomocą ablacji laserowej, a następnie kulki przenoszą swój pęd, pchając statek kosmiczny. W przeciwieństwie do wiązki laserowej, śrut nie rozchodzi się tak szybko, co pozwala nam przyspieszyć cięższy statek kosmiczny. Granulki, będąc znacznie cięższe od fotonów, mają większy pęd i mogą przenosić większą siłę na statek kosmiczny”.

Ponadto niewielkie rozmiary i niewielka masa śrutu oznaczają, że mogą być one napędzane wiązkami laserowymi o stosunkowo małej mocy. Ogólnie rzecz biorąc, Davoyan i jego współpracownicy szacują, że 1-tonowy statek kosmiczny można rozpędzić do prędkości około 30 jednostek astronomicznych rocznie za pomocą wiązki laserowej o mocy 10 megawatów (Mw). W fazie I wykażą wykonalność koncepcji wiązki peletów poprzez szczegółowe modelowanie różnych podsystemów i eksperymenty potwierdzające słuszność koncepcji. Zbadają również przydatność systemu wiązek granulek w misjach międzygwiezdnych, które mogłyby badać sąsiednie gwiazdy za naszego życia.

„Promień pelletu ma na celu zmianę sposobu eksploracji głębokiego kosmosu poprzez umożliwienie szybkich misji tranzytowych do odległych miejsc” – powiedział Davoyan. „Dzięki wiązce pelletu można dotrzeć do planet zewnętrznych w mniej niż rok, 100 AU w około trzy lata, a soczewkę grawitacyjną Słońca na 500 AU w około 15 lat. Co ważne, w przeciwieństwie do innych koncepcji, śrut-wiązka może napędzać ciężkie statki kosmiczne (~1 tona), co znacznie zwiększa zakres możliwych misji.

Jeśli zostanie zrealizowany, statek kosmiczny SGL umożliwi astronomom bezpośrednie obrazowanie sąsiednich egzoplanet (takich jak Proxima b) z rozdzielczością wielopikselową i uzyskiwanie widm z ich atmosfer. Obserwacje te dostarczyłyby bezpośrednich dowodów na istnienie atmosfer, biosygnatur, a być może nawet technosygnatur. W ten sposób ta sama technologia, która pozwala astronomom bezpośrednio obrazować egzoplanety i szczegółowo je badać, umożliwiłaby również misjom międzygwiezdnym ich bezpośrednie badanie.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany na Wszechświat dzisiaj przez Matta Williamsa. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.