Вселенная + Техника

Для того, чтобы разрешить загадку марсианской жизни, необходимо, чтобы роботы собрали образцы и вернулись на Землю – это безумно дорогая миссия, стоимость которой по предварительным оценкам должна составить от 5 до 10 миллиардов долларов. Однако некоторые учёные считают, что стоимость этого путешествия можно заметно сократить, если использовать электрические двигательные установки.

Миссия Mars sample return (MSR) потребует мощных микроракетных двигателей и эффективных солнечных панелей, которые в настоящее время разрабатываются по всему миру или даже уже существуют. Такие технологии позволили бы снизить вес перевозимого химического ракетного топлива, находящегося в баках традиционных ракет и космических кораблей – и сделали бы возможной миссию по сбору и возвращению на Землю марсианских образцов грунта уже в течение ближайшего десятилетия. О некоторых предложениях мы уже писали в новостях космоса за прошлые периоды.

«У нас есть весьма неплохие шансы заполучить надёжную технологию для MSR после 2020 г.», – говорит Вольфганг Себолдт (Wolfgang Seboldt), физик из Германского авиакосмического центра (DLR).

Обуздать энергию Солнца

Большая часть космических миссий сжигает химическое горючее, чтобы совершить разгон, который длится при этом лишь до тех пор, пока осуществляется подвод топлива. Марсианская миссия может переключиться на использование электрической двигательной системы по достижении земной орбиты, перед началом путешествия к Марсу, говорит Себолдт.

На старте она будет двигаться достаточно медленно, превращая ксенон в потоки заряженных частиц, но со временем наберёт приличную скорость при практически неограниченном питании от электрических солнечных панелей.

Такой марсианский орбитальный аппарат может дать возможность совершить путешествие до Красной планеты и обратно, которое будет дешевле и по крайней мере не дольше, чем традиционные миссии на химическом горючем, даже с учётом того, что к массе аппарата добавится масса тяжёлых солнечных батарей. «Увеличение массы за счёт солнечных панелей с лихвой компенсируется экономией на массе горючего», – объясняет Себолдт.

Спланировать марсианское путешествие

Стандартный сценарий экспедиции предполагает два аппарата, запускаемых с Земли отдельно друг от друга, – орбитальный и посадочный модули. Посадочный модуль опускается на поверхность Красной планеты для сбора образцов. Затем устройство для выведения на орбиту при помощи традиционных химических двигателей поднимает собравший образцы зонд, чтобы вернуть его на орбитальный аппарат для совершения обратного путешествия на Землю.

Гибридная версия этого стандартного сценария включала бы орбитальный модуль, использующий электрические двигатели. В альтернативном сценарии посадочный модуль мог бы даже «залезть на плечи» орбитального аппарата для достижения на нём Красной планеты.

И отправить туда людей

Технологии, связанные с электрическими двигательными системами, получили значительный толчок к развитию в последние годы. Авиакосмический гигант США «Боинг» планирует использовать такие двигатели в большинстве своих спутников, находящихся на геостационарных орбитах – как для вывода спутников на эти орбиты, так и для контроля положения аппаратов при дальнейшем функционировании.

И если этот оптимизм не угаснет, двигательные установки на солнечной энергии могут сделать в будущем возможными не только роботизированные, но и человеческие миссии на Марс.

Сатурн, шестая по счёту планета от Солнца, является одним из наиболее легко наблюдаемых объектов для астрономов, во многом благодаря его обширной и весьма специфической системе колец. Кольца Сатурна восхищали астрономов-любителей на протяжении столетий, начиная с того времени, когда люди впервые начали вглядываться в небо через окуляр телескопа.

Когда Галилео Галилей впервые наблюдал Сатурн в 1610 г., он подумал, что эти кольца представляли собой гигантские спутники планеты, находившиеся по разные стороны от неё. Однако дальнейшие наблюдения, проводившиеся учёным в течение нескольких последующих лет, показали, что эти кольца меняли свою форму и даже исчезали полностью, по мере того как менялся их наклон по отношению к Земле.

В настоящее время мы знаем, что Галилео наблюдал «пересечение плоскости колец». Экватор Сатурна наклонён по отношению к орбите этой планеты вокруг Солнца под углом примерно в 27 градусов (аналогичный угол наклона для Земли составляет 23 градуса). Когда Сатурн обращается вокруг Солнца, то сначала одно, а затем и второе полушария по очереди освещаются Солнцем. Этот наклон отвечает за смену сезонов, так же как и в случае с Землёй, и когда на Сатурне наступает осеннее или весеннее равноденствие, то Солнце попадает в плоскость системы колец, в которой лежит также и экватор планеты. Солнечные лучи освещают кольца «с ребра», и тонкую полоску колец становится трудно различить при помощи телескопов. Кольца Сатурна очень широкие – они достигают 273600 километров в поперечнике – но толщина их составляет не более 10 метров.

В 1655 г. астроном Кристиан Гюйгенс предположил, что эти странные тела были твёрдыми, наклонёнными кольцами, и в 1660 г. другой астроном предположил, что эти кольца состояли из небольших спутников – догадка, которая не могла получить подтверждения в течение почти 200 последующих лет.

В эпоху освоения космоса зонд «Пионер-11» прошёл сквозь плоскость колец Сатурна в 1979 г. В 1980-е гг. космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили взглянуть на систему колец гигантской планеты.

В 2004 г. миссия НАСА «Кассини-Гюйгенс» впервые в мире вышла на орбиту вокруг Сатурна и произвела подробные наблюдения не только самой планеты, но и её системы колец.

Состав и структура

Кольца Сатурна состоят из миллиардов частиц, размеры которых колеблются от нескольких миллиметров до десятка километров. Состоящие преимущественно из водяного льда, эти кольца также втягивают в свою систему каменистые метеороиды, движущиеся сквозь космическое пространство.

Хотя начинающему астроному-любителю может показаться, что Сатурн опоясан единым, твёрдым кольцом, но на самом деле система колец разделена на несколько частей. Эти кольца получили свои названия по алфавиту в соответствии с датами их открытия. Таким образом, главные кольца, если двигаться от периферии системы к центру, называются соответственно A, B и С. Щель шириной в 4700 километров, известная как Щель Кассини, разделяет между собой кольца A и B.

Другие, более тусклые кольца открывались по мере того, как совершенствовались технологии изготовления телескопов. «Вояджер-1» обнаружил самое близкое к центру системы кольцо D в 1980 г. Рядом с кольцом А, охватывая его снаружи, находится кольцо F, которое, в свою очередь, охватывается кольцами G и E, лежащими на значительном удалении от остальных колец системы.

Сами кольца содержат значительное число щелей и структур. Некоторые из них созданы многочисленными небольшими спутниками Сатурна, в то время как природа других из них до сих пор продолжает ставить в тупик астрономов.

Сатурн не единственная планета Солнечной системы, имеющая кольца – Юпитер, Уран и Нептун также располагают тусклыми системами колец – но со своими спутниками, система которых простирается на три четверти расстояния от Земли до Луны (282000 километров), он, без сомнения, формирует наиболее впечатляющую и доступную для наблюдения систему колец в Солнечной системе.

Новости космоса становятся всё жарче: НАСА собирается использовать антиматерию в космических кораблях будущего.

Реакции слияния ядер, инициированные пучками частиц антиматерии, могут начать приводить в движение сверхвысокоскоростные космические корабли, отправляемые в длительные путешествия, уже к середине этого века, говорят исследователи.

Чтобы сделать эту технологию доступной, учёным придётся преодолеть немало препятствий - в частности связанных с получением и хранением антиматерии, - но некоторые эксперты полагают, что она может быть готова уже к середине столетия.

Сила ядерного синтеза потрясает воображение

Топливо для такого корабля с термоядерными двигателями будет, вероятно, состоять из маленьких гранул, содержащих дейтерий и тритий, - тяжёлые изотопы водорода, которые содержат один или два нейтрона соответственно в своих ядрах. (В ядре обычного атома водорода нет ни одного нейтрона.)

Внутри каждой гранулы это топливо будет окружено другим веществом, возможно, ураном. Поток антипротонов - эквивалентов протона в антиматерии, обладающих электрическим зарядом, равным -1, а не +1, - будет направлен на эти гранулы.

Когда антипротоны будут соприкасаться с урановыми ядрами, они будут аннигилировать, создавая продукты высокоэнергетического распада, которые запустят реакции ядерного синтеза в топливе.

Такие реакции - к примеру слияние ядер дейтерия и трития, ведущее к образованию одного атома гелия-4 и одного нейтрона, - высвобождают огромное количество энергии, которую можно использовать для того, чтобы заставить космический корабль двигаться в нескольких разных направлениях.

"Энергия, выделяющаяся в ходе таких реакций, может быть использована для нагрева горючего или создания импульса при помощи магнитного удержания плазмы и магнитного сопла", - говорится в отчёте за 2010 г., озаглавленном "Пределы современных технологий: Революционные прорывы в исследовании космоса", который НАСА выпустило при поддержке The Tauri Group и ряда экспертов.

Основная идея заключается в следующем: в ходе проекта "Дедал", исследования, проводившегося Британским межпланетным обществом в 1970-е гг., было предложено использование термоядерного ракетного двигателя для межзвёздных космических кораблей. Однако тогда предполагалось, что слияние ядер, рассматриваемое в проекте "Дедал", должно быть инициировано пучками электронов, а не антипротонов.

И всё же что-то нам ещё мешает

Хотя ядерный синтез, запущенный при помощи пучков антипротонов, представляет собой весьма заманчивую технологию, всё же учёным предстоит ещё немало работы до претворения этих замыслов в жизнь.

Возможно, самым сложным станет получение антипротонов - которые могут быть созданы в ускорителях частиц - в достаточных количествах и хранение их достаточно долгое время, необходимое для совершения продолжительного путешествия.

Согласно отчёту "Пределы современных технологий", на полёт до Юпитера может потребоваться около 1,16 г антипротонов. Это, конечно, не очень пугающая цифра, но нужно принять во внимание, что в настоящее время производственные мощности позволяют получать лишь миллиардные доли грамма этого вещества.

Но всё же объёмы производимых антипротонов стремительно возрастают, и поэтому можно надеяться, что следующий крупный научный прорыв, связанный с космическими двигательными установками, случится ещё до наступления 2060 г.