Pildosi didžioji fantastų svajonė: kosminių kelionių technologija, su kuria vos du mėnesiai iki Marso, tačiau galima pasiekti net ir kitas žvaigždes (1)

2019-07-22

Šių metų birželio 25 sėkmingai pakilo Planetary Society privatus burinis palydovas — „LightSail-2“. Į kitas planetas siunčiamiems zondams šviesos burės gali tapti idealia įprastinio reaktyvinio variklio pamaina. Tačiau lig šiol „šviesos burlaivių“ technologijos bandymai dažnai būdavo nesėkmingi.

Kad šviesa gali spausti objektus, parodė J. Maxvellas 1873 metais. Slėgis atsiranda, nes fotonai, nors ir neturi rimties masės, tačiau turi impulsą. Susidurdami su objektais, fotonai šį impulsą perduoda — tai ir yra šviesos burių veikimo pagrindas.

Šio efekto ilgai nepavyko užfiksuoti tiesioginiais eksperimentais. Yra klasikinis bandymas, kuriame šviesa sukelia apelių, pakabintų ant lengvo stiebelio, sukimąsi. Tačiau šiuo atveju sukimasis demonstruoja ne šviesos slėgio, o tik dėl oro įšilimo atsirandančių konvekcinių srovių poveikį. Pirmą kartą „tikrą“ šviesos slėgį išmatuoti pavyko P. Lebedevas 1899 metais. Tam jis panaudojo vakuuminiame inde ant sidabrinių gijų pakabintas torsionines svarstykles. Be to, siekdamas išvengti bandymo rezultatus galinčio iškreipti netolygaus įšilimo, mokslininkas pakaitomis apšviesdavo skirtingas svarstyklės puses. Išmatuotas dydis buvo itin mažas ir, savaime suprantama, priklausė nuo šviesos intensyvumo. Pavyzdžiui, Žemės orbitoje Saulės šviesos slėgis yra vos 4,54 mikroniutonai kvadratiniam metrui — tai 22 milijardus kartų mažesnis slėgis už atmosferos (kurio atvirame kosmose, aišku, nėra). Svarbu pažymėti, kas šis dydis taikytinas tik tada, kai visi šviesos kvantai sugeriami. Jei šviesa krenta į idealiai atspindintį paviršių, slėgio jėga padvigubėja ir siekia 9,08 µN/m².

Žemėje toks slėgis nepastebimas, tačiau esant nesvarumui ir veikiant ilgai – kosmose atstumai dideli – toks slėgis daro ženklią įtaką. Pavyzdžiui, netgi paprastas palydovas, skriejantis iš Žemė į Marsą, dėl šviesos slėgio pasislenka kelis tūkstančius kilometrų. Itin didelio ploto plėvelę – saulės bures – naudojantis aparatas galės įgyti didesnį greitį, nenaudodamas kuro, tad, bus lengvesnis ir tą greitį pasieks greičiau. Antra vertus, tolstant nuo Saulės, šviesos slėgis mažėja. Pavyzdžiui, Marso orbitoje jis jau 2,25 kartus mažesnis. Tačiau, nepaisant to, pakankamo dydžio burę turintis zondas gali pasiekti dešimtadalį šviesos greičio.

Kelionių su šviesos burėmis idėja fantastinių romanų puslapiuose pasirodo dar XIX amžiaus gale – pirmąja kregžde tapo prancūzo dramaturgo Georges le Faure ir talentingo inžinieriaus Henry de Graffigny knyga „Aventures Extraordinaires d'un Savant Russe“ (1889 m.). Joje herojai skrido į Aventures Extraordinaires d'un Savant Russeenerą, panaudodami milžinišką parabolinį veidrodį, atspindintį Saulės šviesą.

— Leiskite, išsireikšiu aiškiau. Šviesa – ne kas kita, kaip eterio bangavimas. Taip? Nuostabu. Tarkime, kad daug tokių bangavimų atspindima didžiuliu veidrodžiu tiesia Veneros kryptimi, kas tada nutiks? Žinoma, šviesos bangos baisiu greičiu pasileis erdve ir pasieks Venerą. Mėnulio gyventojai taip perduoda savo balso garsą, o mes pasinaudosime savo pačių perkėlimui.

Pirmasis realią aparato su saulės burėmis konstrukciją pasiūlė Rygoje gimęs sovietų inžinierius Friedrich Zander. 1924 metais jis Išradimų komitetui pateikė kosminio lėktuvo paraišką — iš pradžių, per tankiuosius atmosferos sluoksnius, aparatas turėjo kilti, naudodamas aukšto slėgio variklį, paskui, retesnėje aplinkoje – raketiniu varikliu, kuris kurui naudotų „nereikalingas dalis. Taip į orbitą būtų iškeliamas nedielis sparnuotas įrenginys, judėjimui naudojantis saulės būrę ir galintis grįžti į Žemę. Tačiau Komitetui projektas pasirodė pernelyg fantastinių, tad, jis taip ir liko tik projektu.

Iš praktinės pusės, saulės šviesos slėgis kosmonautikos istorijoje pasižymėjo dėl aparato Echo-1 kritimo. Tai buvo maždaug 60 metrų skersmens balionas veidrodiniu paviršiumi, pripildytas dujiniu acetaldehidu. 1960 metais, kai „Echo-1“ buvo iškeltas į orbitą, NASA inžinieriai naudojo jį pasyviam radiosignalo atspindėjimui, kuriant tarpkontinentinę televizijos ir radijo ryšio liniją. Tačiau aparatas numatyto laiko orbitoje neišsilaikė — būtent dėl šviesos slėgio, į kurio poveikį inžinieriai neatsižvelgė. Dėl to, o taip pat dėl Žemės atmosferos tankio fluktuacijų, palydovas buvo pamažu stabdomas ir žemėjo – praėjus 8 metams nuo paleidimo, jis sudegė atmosferoje. Šviesos slėgį pažaboti pavyko jau 1974 metais, aparatu „Mariner-10“. Nors jis nebuvo kurtas specialiai „šviesaburiavimui“, kaip burės veikė tam tikru į Saulę pakreipti jo fotovoltiniai elementai. Tai buvo atlikta, koreguojant aparato padėtį, baigiantis manevravimo variklių kurui. Tai buvo pirmasis šviesos slėgio panaudojimo kosminio aparato valdymui pavyzdys.

Pirmą kartą tikros šviesos burės kosmose atsirado projekte „Znamya-2“. Šiaip jau jo tikslas buvo ne skrydis link tolimų planetų, o kaip bebūtų keista, dirbtino šviesos šaltino kūrimas, — tikriausiai neįprasčiausio iš visų lig šiol egzistavusių. Sėkmingai įvykdžius projektą, būtų atsiradusi galimybę tiesiog iš kosmoso apšviesti stichinių nelaimių vietas, o taip pat stambius miestus poliarinės nakties metu — bent jau tokios idėjos įkvėpė projekto autorius. 1993 metais, vykdant projektą „Znamya-2“ , pavyko išskleisti „Progress M–15“ erdvėlaivyje įrengtą saulės burę. Veidrodžio skersnmuo buvo 20 metrų, o atspindėtos šviesos intensyvumas prilygo Mėnulio pilnačiai (dėl debesuotumo jos stebėti taip ir nepavyko). Kitu žingsniu turėjo tapti gerokai didesnis „Znamya-2.5“ veidrodis. Juo Žemės paviršiuje buvo galima sukurti septynių kilometrų skersmens „saulės zuikutį“, kuriame šviesos intensyvumas prilygo 5-10 Mėnulio pilnatims. Kaip tai galėjo atrodyti iš Žemės, mes, deja, taip ir nesužinosim — skleidžiama metalizuota plėvelė užkliuvo už antenos ir neišsiskleidė. 1999 metais kosminio apšvietimo projektas buvo nutrauktas. Tais pačiais metais Lavočkino vardo mokslinis pramoninis susivienijimas gavo JAV „Planetinės draugijos“ užsakymą suprojektuoti šviesaburlaivį „Cosmos-1“. Jis turėjo būti varomas 30 metrų veidrodine plėvele, sudaryta iš 8 atskirų segmentų. Bures inžinieriai kūrė iš plonu aliuminio sluoksniu padengto polietilentereftalato (PETE), kuris naudojamas plastikinių butelių gamybai. Bendras burės plotas – daugiau nei 600 kvadratinių metrų. Iškėlimo platforma pasirinktas atominis povandeninis laivas „Борисоглебск“, palydovas iškeltas raketa nešėja „Volna“, sukurta kovinės raketos RSM-50 pagrindu.

„Planetinė draugija“ — privati nekomercinė organizacija, įgyvendinanti įvairius astronomijos ir kosmoso tyrimo projektus. Ją 1980 metais įkūrė Carl Sagan, Louis Friedman, Bruce C. Murray. Vienas iš tokių projektų buvo mikroorganizmų išgyvenimo kosmose tyrimas. Pirmoji jo dalis atlikta paskutinio „Endeavour“ skrydžio metu 2011 metais, o paskutinioji buvo įtraukta į „Fobos-Grunt“ programą, tačiau neįvyko dėl avarijos. Nuo 2010 metų organizacijos generalinio direktioriaus postą užima Bill Nye

Pirmasis bandomojo aparato paleidimas (su dviem burės lapeliais) įvyko 2001 metų liepos 20 dieną, tačiau buvo nesėkmingas. Inžinieriai ištisus metus bandė išsiaiškinti, kokia problema kilo raketai. Kitas paleidimas, jau su parengtu palydovu, buvo planuotas 2005 metų birželį. Deja, jis irgi žlugo: po 83-ią skrydžio sekundę netikėtai nutrūko pirmosios pakopos veikimas, dėl to raketa nepakilo į reikiamą aukštį. Palydovas paskendo vandenyne.

Aparatų iškėlimo problemos trukdė saulės burees vystyti ir JAV. 2008 m. kompanija SpaceX turėjo raketa „Falcon 1“ į orbitą iškelti aparatą „NanoSail-D“. Jo burė buvo pagaminta iš metalizuoto polimero ir buvo ~10 kvadratinių metrų pločio. Deja, šis bandymas irgi nepavyko: iškėlimo metu neatsiskyrė Falcon pirmoji pakopa.

Pirmuoju išties sėkmingu saulės burių eksperimentu tapo japonų palydovo „IKAROS“ startas. Dar 2004 metais japonams pavyko 122 ir 169 kilometrų aukštyje išskleisti dvi eksperimentines plonos plėvelės bures. O 2010 metų gegužės 21 dieną iš Tanegasima kosminio centro raketa nešėja „HII-A“ iškeltas pats „IKAROS“. Kaip atspindintis paviršius jame naudojama iš poliamidinės plėvelės (DuPont pagaminto kaptono) kvadratas, sudarytas iš keturių trapecinių elementų. Burės storis – vos 7,5 mikrono, tačiau joje papildomai dar įmontuoti elektrą gaminantys ploni fotovoltiniai elementai. Aparatui sukantis, prie plėvelės kampų pritvirtintus svarelius išcentrinė jėga nustumia tolyn, tuo pačiu išskleisdami burę į 14 metrų kraštinės kvadratą. Visas procesas užtruko 7 dienas, po to „IKAROS“ nuskriejo link Veneros. Įdomu, kad inžinieriams pavyko aparatui suteikti galimybę nufotografuoti save iš šono – aparatas atitinkamu metu išmetė cilindrą su jame esančia kamera. Ji spėjo padaryti nuotraukų seriją ir perdavė jas atgal į palydovą. Susigrąžinti kameros numatyta nebuvo. Gruodžio 8 dieną palydovas praskriejo 80 tūkstančių atstumu nuo Veneros ir pateikė jos atvaizdus. Paskutinis signalas iš palydovo buvo gautas 2014 metų gegužės 22 d., ir nuo to laiko jis dėl energijos trūkumo (ne)veikia hibernacijos režimu.

Įkandin IKAROS’o, saulės burių reikalai pasitaisė ir NASA. Praėjus vos pusmečiui nuo japonų palydovo paleidimo, 2010 metų lapkričio 19 dieną raketa „Minotaur IV“ eksperimentinį palydovą „FASTSAT“ iškėlė į 653 kilometrų aukščio orbitą. Ankstesnio projekto dubleris, aparatas „NanoSail-D2“ buvo kaip naudingas „FASTSAT“ krovinys. Vos paklus į orbitą, jis turėjo atsiskirti, tačiau to neįvyko nei lapkritį, nei gruodį. Tik 2011 metų sausio 19 d. operatoriai gavo signalą apie aparato atsiskyrimo mechanizmo suveikimą. Po trijų dienų „NanoSail-D2“ išskleidė bures — kitaip nei japonų palydovas, jis plėvelę išskleidė per kelias sekundes. Tai buvo atlikta metalinėmis juostelėmis, kurios iš aparato išlindo panašiai, kaip matavimo ruletės juosta.

„NanoSail-D2“ atspindintis paviršius buvo labai didelis, todėl per orbitoje praleistus 8 mėnesius jis ne kartą iš Žemės buvo stebimas kaip ryškus taškas, skriejantis per naktinį dangų. Lygiai taip pat, dėl fotovoltinių baterijų atspindimos šviesos, galime stebėti praskriejančius palydovus Iridium ir TKS. Šių objektų ryškumas žvaigždėtame danguje prilygsta ryškiausioms planetoms, ir netgi jas lenkia.

„NanoSail-D2“ pagrindas – nanopalydovas CubeSat. Tai modulis, iš kurio, kaip iš konstruktoriaus, galima surinkti didelius įrenginius. Pavyzdžiui, šiuo atveju naudojami trys CubeSat, sujungti į vieną prietaisą, kuriame yra burių išskleidimo ir radiosignalų perdavimo į Žemę mechanizmai, o taip pat saulės baterijos. Vėliau turėjo būti paleistas palydovas, pagal Arthuro Clarco apsakymą, kuriame aprašomos saulės burių lenktynės, pavadintas „Sunjammer“. Paleisti jį planuota dar šių metų sausį, tačiau dėl nepasitikėjimo „Falcon 9“ raketa, kol kas tai neįvyko. „Sunjammer“ burės yra didžiausios iš kada nors sukurtų. Jų plotas – daugiau nei 1200 kvadratinių metrų, o pats palydovas sveria ne daugiau nei 32 kg. Įrenginys bus 38 metrų kraštinės kvadratas iš metalizuotos 5 µm storio kaptono (nepainiokite su kapronu) plėvelės.

Nauja kosminių burių vystymosi atšaka tapo aparatas „LightSail-1“, – antrasis „Planetinės draugijos“ bandymas iškelti bures.

Aparatą irgi sudarė trys sujungti CubeSatai, todėl bandomasis aparatas nedidelis — 30×10×10 centimetrų, kūrėjai lygino jį su duonos kepalu. Du iš trijų modulių rūpinosi 32 kvadratinių metrų burės išskleidimu, trečiasis – elektronika. Pati kvadratinė burė pagaminta iš metalizuoto 4,5 µm storio polimero, mylaro.

Kadangi bandomasis aparatas buvo iškeltas neaukštai, jo patiriamas oro pasipriešinimas viršijo šviesos slėgio sukeliamą jėgą ir naudojamas jis buvo neilgai. Iš Kanaveralo kyšulio pakilęs 2015 gegužės 20 dieną, jis birželio 14 dieną sudegė tankiuosiuose atmosferos sluoksniuose. Nors misija vyko ne taip sklandžiai, kaip norėta, tačiau parsiuntus visas padarytas nuotraukas, buvo paskelbta sėkminga.

2016 metais Planetinė Draugija paskelbė vadinsianti palydovus pagal programos pavadinimą, ir pridedant eilės numerį; bandomasis skrydis arba LightSail-A, tapo LightSail 1, o antrasis, didesnis erdvėlaivis, dabar vadinamas LightSail 2.

2019 birželio 25 dieną į daug aukštesnę orbitą iškeltas „LightSail-2“. Kontroliuodama išskleistos burės orientaciją Saulės atžvilgiu, skrydžio komanda pabandys pakelti aparato orbitos apogėjų ir padidinti orbitinę energiją.

Kosminis burlaivis Lightsail-2 atsiuntė pirmas fotografijas iš orbitos

LightSail-2 palydovas yra antrasis Planetinės draugijos sukurtas apratas su išskleidžiama 32 kvadratinių metrų saulės bure iš mylaro. 2015 metais saulės burių išskleidimas kosmose buvo sėkmingai išbandytas LightSail-1 palydove, ta2iau aparatas skriejo žemoje orbitoje, kurioje išretėjusios atmosferos poveikis viršijo šviesos slėgį.

LightSail-2 buvo iškeltas kaip STP-2 misijos dalis, raketa nešėja Falcon Heavy ir 2019 metų liepos 2 dieną atsiskyrė nuo mikropalydovo Prox 1. Tikimasi, kad aparatas išsilaikys šešias savaites, per tą laiką jis turi spėti išskleisti visas keturias burių sekcijas ir pabandyti jomis pakelti savo orbitrą. Aparato kūrėjų vertinimu, visiškai išskleista burė turėtų būti matoma plika akimi iš Žemės.

Nepaisant aparatų paleidimą persekiojančių sunkumų, pati technologija tolimojo kosmoso entuziastams yra itin patraukli. Tai nėra keista, turint omenyje šviesos burių efektyvumą, siunčiant zondus į kitas planetas. Pavyzdžiui, dviejų tonų masės aparatas su 800 metrų diametro burėmis į Marsą gali būti pristatytas vos per porą mėnesių. O jei yra manevriniai varikliai, galėtų ir grįžti atgal. Trumpiausias laikas per kurį būtų galima pasiekti Jupiterį – vos du metai. Teoriniai skaičiavimai rodo, kad Saulės stumiamu aparatu Centauro α būtų galima pasiekti mažiau nei per 100 metų.


Aut. teisės: www.technologijos.lt

(46)
(6)
(40)

Komentarai (1)