12 апреля 2016 года, ровно через 55 лет после первого полета человека в космос, российский предприниматель Юрий Мильнер и знаменитый физик и научный популяризатор Стивен Хокинг объявили о запуске нового проекта, Breakthrough Starshot.
Это уже вторая совместная инициатива двух романтиков прогресса после представленного этим летом Breakthrough Listen, и обе они направлены на одно – попытку обнаружить разумную жизнь за пределами земного шара. Но если проект Breakthrough Listen предполагает делать это не покидая Землю, с помощью поиска аномалий в поступающих из космоса радиосигналах, то задача Starshot более амбициозна: команда, собранная Мильнером и Хокингом, должна отправить искусственные зонды туда, куда еще никогда не добирался ни один рукотворный объект, – к ближайшей к Солнцу звездной системе Альфа Центавра. На первый этап проекта Starshot Юрий Мильнер выделяет столько же, сколько и на Breakthrough Listen, – 100 миллионов долларов.
Чтобы преодолеть разделяющее нас пространство, лучу света требуется 4,4 года, а у любых современных космических аппаратов на это ушли бы десятки тысяч лет. Однако энтузиасты проекта Starshot обещают, что это можно сделать намного быстрее, примерно за 20 лет, если оборудовать зонд не двигателем, а парусом. Раздувать его, конечно, будет не обычный ветер, а “ветер”, состоящий из фотонов, – лазерный луч. В описании проекта утверждается, что с помощью лазерного луча мощностью приблизительно 100 гигаватт, крошечный, весом в несколько граммов зонд с четырехметровым парусом сможет развить скорость примерно в одну пятую от световой, а значит, на достижение Альфы Центавра у него уйдет всего в пять раз больше времени, чем у луча света. Добравшись до соседней звездной системы, зонд не сможет остановиться или выйти на какую-то удобную орбиту, для этого у него не будет ни двигателя, ни систем управления. Но в те несколько минут, которые он будет пролетать Альфу Центавра насквозь, аппарат теоретически сможет сфотографировать имеющиеся в системе планеты и отправить изображения на Землю.
Возможно, эти снимки расскажут нам о существовании внеземной жизни – разумной или нет. Амбициозный проект Starshot пока напоминает сценарий к фантастическому фильму, в котором все неувязки легко решаются с помощью фантазии автора. Например, нет никакой уверенности, что в системе Альфа Центавра в принципе есть хотя бы одна планета – одну такую, как казалось, открыли в 2012 году, но в 2015-м ученым пришлось признать, что указывающие на ее существование особенности в данных были лишь следствием ошибки в математических вычислениях. Фотографировать же эти пока только гипотетически существующие экзопланеты неуправляемый, летящий со скоростью в 20 процентов световой, зонд должен с помощью 2-мегапиксельной камеры.
***
Одна из конструкций солнечного паруса
Сама по себе идея использования лазерного или солнечного паруса для достижения других звездных систем на сегодняшний день практически безальтернативна. Александр Шаенко, руководитель программы "Современная космонавтика" в Московском университете машиностроения и основатель проекта "Маяк", рассказывает, что подобные паруса достаточно активно испытывают в последние десятилетия. Впрочем, задачи пока ставили менее амбициозные, чем у Starshot. “Были тестовые запуски – российские, американские, японские, но пока ни до какого ускорения объекта с солнечным парусом дело не доходило, это были просто попытки развернуть в космосе большую пленку и как-то ее удерживать”, – говорит Шаенко. Фактически парусная технология – хороший концепт, теоретически позволяющий разгонять искусственные аппараты до очень высоких, даже околосветовых скоростей, но практическая реализация требует решения большого количества технических вопросов. Шаенко сравнивает это с орбитальными лифтами – в теории они должны прекрасно работать, но пока никто не знает, из чего сделать “трос” лифта – нить длиной в 1000 километров, которая выдержала бы собственный вес. Проблема светового паруса лежит в этой же области – в материале.
В проекте планируется использовать парус 4-метровой ширины, который будет разгоняться пучком мощностью в 100 гигаватт. Это значит, что на каждый квадратный сантиметр паруса придется колоссальный поток излучения, который мгновенно испарит любой из современных материалов. О нужной для Starshot парусной “ткани” пока приходится только мечтать. “Разработчики обозначили свои требования к материалу паруса – он должен отражать 99,999 процентов потока излучения, то есть почти все излучение должно идти на создание тяги, – объясняет Шаенко. – Но лучшие материалы, которые сейчас выпускаются промышленностью, отражают от силы 95-97 процентов излучения. Говорятся слова об использовании метаматериалов, но метаматериалы состоят из многих слоев, которые как-то совместно работают. Пока сложно представить, что такие материалы будут достаточно тонкими и легкими”.
100 гигаватт – это примерно 100 обычных промышленных ядерных реакторов. Такие мощности на земле существуют, но вы хотя бы представьте, что нужно построить кучу ЛЭП, подводящих энергию к лазерной установке. Одни вышки с проводами, на мой взгляд, будут стоить сотни миллионов долларов
Нынешние материалы попросту сгорят в лазерном луче такой мощности, которая необходима, чтобы хорошенько разогнать даже совсем крохотный зонд. Но и создание самого луча – проблема пусть и решаемая для современного уровня развития технологий, но колоссально дорогая и трудоемкая. “Для сравнения, 100 гигаватт – это примерно 100 обычных промышленных ядерных реакторов, – объясняет Шаенко. – В принципе, такие мощности на земле существуют, но вы хотя бы представьте, что нужно построить кучу ЛЭП, подводящих энергию к вашей лазерной установке. Одни вышки с проводами, на мой взгляд, будут стоить сотни миллионов долларов”.
Один ватт лазерной мощности сегодня оценивается примерно в 10 долларов, так что стоимость коммуникаций все равно несравнимо мала на фоне стоимости самих лазеров – на это может уйти около триллиона долларов. С другой стороны, лазеры широко используются в телекоммуникациях и поэтому быстро дешевеют – в два раза каждые восемнадцать месяцев, так что через десяток лет на строительство суперлазера Starshot хватит и 10 миллиардов долларов.
Сложностей с лазером хватает, даже если отвлечься от его стоимости. Луч будет искажаться в атмосфере и очень сильно нагревать воздух, так что принципиально важно, где его разместить. В интервью журналу The Atlantic Юрий Мильнер сказал, что подходящим местом могла бы стать пустыня Атаками – плато, расположенное на 2500-метровой высоте в Чили. По словам Мильнера, установка будет снабжаться энергией со специально построенной гигантской электростанции, возможно, с помощью десятков километров панелей солнечных батарей.
***
Предполагается, что обычный космический корабль доставит на орбиту несколько тысяч нанозондов. Каждый день один из зондов будет покидать материнский аппарат, расправлять свой световой парус и получать мощный импульс от работающего на земле лазера. На разгон до ⅕ скорости света потребуется несколько минут, после чего лазер отключится и станет накапливать энергию для следующего сеанса работы, а очередной зонд отправится в 20-летнее путешествие к Альфе Центавра.
Массив антенн Murchison Widefield Array в Австралии
Для того чтобы полет был не напрасным, аппарат должен нести минимальный набор оборудования – например, фотокамеру и передатчик, с помощью которого сделанные снимки отправятся в обратный 4-летний путь на Землю. В принципе, электроника перспективного зонда – одна из наиболее легко решаемых проблем: уже сейчас человек умеет создавать компоненты подходящего размера и массы. Конечно, им придется проработать пару десятков лет в условиях жесткой космической радиации, но Александр Шаенко отмечает, что опыт создания таких решений у нас уже есть: "например, на геостационарных спутниках связи – они работают по 15 лет и вполне успешно”. А вот передача данных на Землю – проблема, по мнению Шаенко, сравнимая по сложности с разработкой материала для паруса и строительством лазера. “Коллеги пишут, что предполагается использовать лазерный диод мощностью 1 ватт. У них есть расчет, что приемный диод, который мигает в видимом свете, приемный телескоп, который нужно делать, должен иметь диаметр в сотню километров. Это тоже не очень понятно, как делать. У самых больших строящихся сейчас телескопов диаметр всего в несколько сотен метров. В принципе, можно поставить много таких телескопов рядом, но чтобы они работали как один большой телескоп, нужно добиться очень точной синхронизации, а это пока тоже задача на перспективу”, – объясняет Шаенко.
Юрий Мильнер не спорит, что потенциальных сложностей много. В интервью The Atlantic он упомянул “20 вызовов” для инженеров, каждый из которых может оказаться критическим для воплощения идеи. “Но, похоже, мы видим разумный подход к решению каждой из проблем”, – подчеркнул он. Именно на исследования пойдут инвестируемые российским предпринимателем 100 миллионов долларов, тогда как практическая реализация будет на много порядков дороже. Мильнер осторожно называет сумму в 10 миллиардов долларов, но пока и это выглядит чересчур оптимистично.
***
Итак, перспективный зонд будет иметь непонятно из чего изготовленный парус, будет разгоняться непонятно где и как построенным лазером, использующим непонятно откуда взятую энергию. Фотографии неизвестно чего, сделанные непонятно какой камерой, будут отправлены на Землю, чтобы быть принятыми непонятно какой установкой. И это еще не все: пока не очевидно, что Starshot – наиболее разумный путь решения заявленной задачи: изучения планет в соседней звездной системе.
“Очевидно, что инициаторы проекта не выбирали специально звезду с интересными планетами – ведь в системе Альфа Центавра пока вообще нет открытых экзопланет. В сущности, была выбрана самая близкая и самая известная цель, наверное, пиар-эффект здесь тоже играет роль. Важнее всего – хоть куда-то долететь”, – говорит астроном, сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга Сергей Попов.
Реконструкция одной из известных экзопланет, Kepler-62f
Пока мы открываем и изучаем экзопланеты – то есть планеты в других звездных системах – с Земли. Имеющиеся методы дают нам не так уж много информации. По словам Попова, максимум, что мы можем выяснить про новую экзопланету, – ее массу, радиус, расстояние до Звезды. На этом основании уже можно отсечь многих претендентов на существование жизни земного типа, но все же этого очень мало. “В очень редких случаях мы можем получить какие-то данные о верхних слоях атмосферы, но это касается очень больших планет, скорее, похожих на Юпитер, чем на Землю, то есть рассчитывать на обнаружение там жизни земного типа все равно не приходится, – рассказывает Сергей Попов. – С другой стороны, все развивается очень быстро и есть надежда, что в течение ближайших 20 лет мы научимся определять больше параметров – хотя бы наличие атмосферы у планет вроде Земли, оценивать какие-то усредненные характеристики поверхности, например наличие воды. Тогда мы сможем более осмысленно выбирать цели и отправлять к ним какие-то зонды”.
Возможно, тут нам и пригодятся парусные зонды – потомки тех, что планирует построить проект Starshot. Но Попов подчеркивает, что, по его мнению, в обозримом будущем развитие дистанционных методов изучения экзопланет будет опережать возможности автоматических зондов. “Я думаю, такие проекты, как Starshot, мотивируются, во-первых, желанием разработать какую-то технологию, а во-вторых, чем-то очень романтическим. Потенциальные научные достижения этой программы не кажутся мне существенными, но где-то это может открыть для нас новые двери”, – говорит он.
***
Заявленная цель Breakthrough Starshot, поиск внеземной жизни с помощью крохотных парусных зондов, выглядит скорее красивой медийной оболочкой, чем реальным планом. “Давайте возьмем пример, когда вообще никуда не нужно летать, – предлагает Сергей Попов. – Люди, мягко говоря, не любят процедуру колоноскопии. Но никто пока не научился отправлять маленькое устройство, которому даже никаких лазеров не нужно, в кишечник, чтобы оно собрало там всю нужную информацию и передало врачу. Мы пока не можем с помощью микроустройств исследовать даже самих себя, хотя в это инвестируется куда больше денег, мозгов и всего прочего, чем любое частное лицо способно проинвестировать в космонавтику”.
Но это не означает, что проект Starshot – бесполезное чудачество 32-го номера в списке Форбс и самого известного физика планеты. Специалисты предъявляли к инициативе Breakthrough Listen те же претензии: яркая цель с минимальными шансами на ее достижение. Но тогда все сошлись на том, что сопутствующую пользу от проекта не стоит недооценивать, она связана и с возможными побочными научными открытиями, и с технологическими прорывами, и – что немаловажно – с популяризацией науки. Все это так же применимо и сейчас.
“Это поиск, фундаментальное исследование, а фундаментальные исследования часто приводят к каким-то совершенно неожиданным результатам, – убежден Шаенко. – Может быть, мы будем стараться найти следы внеземных цивилизаций, а вместо этого узнаем что-то новое о Вселенной. Пусть мы так и не запустим в космос эти межзвездные зонды, зато, может быть, придумаем материал, который будет лучше подходить для светового паруса”.
Сегодня мы принимаем на себя обязательство сделать следующий великий скачок в космос. Потому что мы люди, и летать – наша природа
В ситуации, когда финансирование науки снижается во всем мире, когда люди слишком погружены в сиюминутные проблемы, проекты, подобные Starshot, позволяют поднять голову, посмотреть на звезды и вспомнить, что 55 лет назад казалось, что человек готов вот-вот дотянуться до них. “Сегодня мы принимаем на себя обязательство сделать следующий великий скачок в космос, – сказал Стивен Хокинг накануне. – Потому что мы люди, и летать – наша природа”.