Pagauti vėją kosmose: šviesos burės

Šviečianti Saulė, atsispindinti jūros paviršiuje, laivo korpusą švelniai sūpuojančios bangos, burėse plazdenantis vėjas… Turbūt kiekvienas, nors kartą buvęs burlaivyje, žino tą nuostabų jausmą. Plaukimas pažabojus vėjo jėgą – ne tik malonus, bet ir naudingas: pirmosios burės išrastos bent prieš 8000 metų ir iki pat Pramonės perversmo XIX a. pradžioje buvo pagrindinis būdas keliauti jūromis ir vandenynais.

Įdomu, kad pagauti Saulės šviesą ir vėją galima ne tik Žemėje, bet ir kosmose. Nors vandens ten nėra ir plaukų vėjyje plaikstyti neišeis, šviesos burės gali būti vienas iš patogiausių būdų skraidyti kosmose. Šiuo principu varomi erdvėlaiviai gali netgi tapti pirmaisiais Žemės pasiuntiniais kitose planetinėse sistemose.

Kosminis burlaivis „Spelljammer“ iš to paties pavadinimo RPG žaidimo. Labai norėčiau, kad galėtų egzistuoti tokie kosminių skrydžių metodai, bet, deja, mūsų pasaulio fizikos dėsniai to neleidžia. Šaltinis: TSR

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Patreon platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito euro per mėnesį, paremkite mane ir jūs.

Idėja apie bures kosmose mus pasiekia dar iš tų laikų, kai burės buvo pagrindinis kelionių būdas Žemės vandenyse. XVII a. pradžioje Johanesas Kepleris laiške Galilėjui užsiminė apie bures, kurias suteikus tinkamiems laivams, būtų galima skraidyti ir kosmose. Nežinia, kiek tai buvo rimtas svarstymas, o kiek – poetiškas palyginimas, bet tas pats Kepleris panašiu metu atkreipė dėmesį, kad kometų uodegos visada nukreiptos nuo Saulės ir iškėlė hipotezę, kad Saulės šviesa nustumia dalį kometos medžiagos, tarsi vėjas. Po pustrečio šimto metų Jamesas Clerkas Maxwellas išvedė elektromagnetizmo lygtis ir įrodė, kad šviesa turi energiją bei judesio kiekį, tad atspindima ar sugeriama šviesa stumia tą daiktą, į kurį šviečia.

Būtent tai yra šviesos burių esmė. Saulės šviesą sudaro daugybė fotonų, kurie, atsispindėdami nuo paviršiaus, jam perduoda savo judesio kiekį. Vieno fotono judesio kiekis yra mažytis: p_\gamma = h/\lambda \simeq 1.2\times10^{-27} {\rm \, kg \, m \, s}^{-1}; čia h yra Planko konstanta, o \lambda – fotono bangos ilgis; Saulė daugiausiai spinduliuoja 550 nanometrų ilgio fotonų. Tačiau fotonų yra gausybė, tad paprasčiau stūmos jėgą suskaičiuoti, sudėjus jų energiją, tenkančią paviršiaus ploto vienetui. Ties Žemės orbita Saulės skleidžiamos energijos tankis siekia 1370 vatų į kvadratinį metrą, kitaip tariant, per sekundę pro vieną kvadratinį metrą pralekia 1370 džaulių energijos. Kad iš galios gautume jėgą, turime galią padalinti iš šviesos greičio: F_\gamma = P/c \simeq 4.5\times10^{-6} {\rm \, N \, m}^{-2}. Vis dar nedaug, bet palyginama su žmogiškais dydžiais. Be to, šie skaičiai tinka, jei visa šviesa yra sugeriama; jei ji atspindima, kiekvienas fotonas išlekia atgal tuo pačiu greičiu, taigi perduodamas judesio kiekis – o kartu ir stūmos jėga – padvigubėja. Jėgos ir galios santykis yra apie 8 mikroniutonus vienam kilovatui.

Saulės burės LightSail 2 vizualizacija. Apšviesta Saulės, didžiulė burė jaučia stūmos jėgą ir tempia palydovą (centre) su savimi. Šaltinis: Josh Spradling / The Planetary Society

Ar tokia stūmos jėga yra didelė? Deja, ne. Palyginimui, šiuo metu tarpplanetiniai zondai kartais naudoja jonų variklius, kurių stūmos jėga apie dešimtadalį niutono, o galia – keletą kilovatų, kitaip tariant, yra 10 tūkstančių kartų efektyvesni už šviesos bures. Maža to, šviesos burės gaunama galia apribota burės plotu ir atstumu nuo Saulės, taigi norėdamas apsukų nepadidinsi. Visgi tai nereiškia, kad šviesos burės visiškai neprasmingos. Jos turi vieną milžinišką privalumą prieš daugumą kitų variklių: erdvėlaiviui, varomam šviesos bure, nereikia gabentis kuro su savimi. Įprastai kuras sudaro didžiąją erdvėlaivių masės dalį (apie tai plačiau rašiau prieš kelis mėnesius), taigi jo atsisakymas gali gerokai palengvinti misijos planavimą.

Dar vienas klausimas, galintis kilti išgirdus apie Saulės burių idėją – erdvėlaivio krypties valdymas. Atrodytų, kad norint tolti nuo Saulės, viskas paprasta: išskleidi burę, sugeri fotonus ir skrendi, kad ir lėtai. O kaip sugrįžti? Arba priartėti prie žvaigždės? Bet tą padaryti, pasirodo, yra tiek pat sudėtinga, kaip ir nutolti. Mat kosmose paprasčiau greitėti ir lėtėti ne tiesiai tikslo link, o į šoną.

Kodėl? Pagalvokime apie erdvėlaivį, kuris ką tik pakilo nuo Žemės, pabėgo iš jos gravitacinio lauko ir išskleidė burę. Šiuo metu jis skrieja aplink Saulę orbita, labai panašia į Žemės orbitą – apskritimu, 30 km/s greičiu. Jei laivui suteiksime pagreitį, nukreiptą tolyn nuo Saulės, greičio pokytis pasireikš „kvadratiškai“, t. y. v' = \sqrt{v^2 + \left(at\right)^2}, kur v' yra naujas greitis, v – pradinis greitis, a – pagreitis, o t – greitinimo laikas. Galbūt atpažįstate čia Pitagoro formulę – kvadratinę šaknį iš kvadratų sumos – nes taip susideda vektoriai, kai jų kryptys statmenos viena kitai. Tuo tarpu jei pagreitį nukreipiame ta pačia kryptimi, kaip pradinis greitis, greičio pokytis gaunamas daug didesnis: v'' = v + at. Didesnis greitis – didesnė ir kinetinė energija, o būtent energija didžiąja dalimi apsprendžia orbitos savybes. Pagreitėjęs erdvėlaivis nutolsta nuo Saulės, sulėtėjęs – priartėja. Tad norint priartėti prie žvaigždės, užtenka nukreipti pagreitį priešinga kryptimi, nei dabartinis greitis. Su Saulės bure tiksliai priešinga kryptimi nukreipto pagreičio sukurti nepavyks, bet pasukus ją kampu, efektas irgi gaunamas. Jei burė yra ideali – atspindi visus ją pasiekiančius fotonus ir yra visiškai lygi – stipriausią efektą duoda pasukimas maždaug 45 laipsnių kampu.

Kosminės burės konfigūracija orbitos pakėlimui – nutolimui nuo Saulės (viršuje) – ir pažeminimui – priartėjimui (apačioje). Šaltinis: Bu et al. (2016), Progress in Aerospace Sciences

Taigi iš principo Saulės burė gali būti naudinga kosminiams skrydžiams – tiek tolstant nuo Saulės, tiek prie jos artėjant. Patį terminą „Saulės burė“, atrodo, sugalvojo rašytojas fantastas ir mokslo populiarintojas Arthuras C. Clarke`as; daugelis autorių (kaip ir aš šiame straipsnyje) jį naudoja sinonimiškai su terminu „šviesos burė“, nes burės gali veikti ne tik apšviečiamos Saulės, bet ir veikiamos kitų šviesos šaltinių. Turėdami pakankamai didelių ir lengvų burių, galėtume gabenti krovinius į visas vidines Saulės sistemos planetas. Taip pat būtų galima pasiekti įvairias orbitas aplink Saulę, net ir esančias toli nuo ekliptikos plokštumos – tą padaryti naudojant įprastus variklius sudėtinga dėl didelio kuro poreikio, o su Saulės bure tiesiog reikėtų palaukti. Galiausiai, tinkamai išskleista burė leistų palydovui kyboti, išlaikant balansą tarp gravitacijos ir spinduliuotės slėgio jėgų, viename taške planetos ar tos pačios Saulės atžvilgiu. Tokie palydovai vadinami statitais ir būtų labai naudingi, pavyzdžiui, Žemės, kitos planetos ar Saulės ašigalinių regionų stebėjimui. Neseniai pasiūlyta statitus panaudoti tarpžvaigždinių objektų „gaudymui“ – palydovas, kybantis Saulės sistemoje, galėtų palyginus lengvai prisiderinti trajektoriją prie naujai atrasto tarpžvaigždinio objekto, nepriklausomai nuo to, iš kur pastarasis atlekia. Tinkamai parinkus erdvėlaivio trajektoriją, jis galėtų priartėti prie Saulės, pakeisti burės kryptį, sparčiai įgreitėti ir palyginus greitai – per keletą metų – pasiekti ir didžiąsias Saulės sistemos planetas. Tiesa, nusileisti jose ar įeiti į orbitą jau nepavyktų, mat norint minimizuoti skrydžio trukmę, erdvėlaivis turėtų judėti didžiuliu greičiu, greitesniu net ir už pabėgimo greitį iš Saulės sistemos. Iš kitos pusės, tai leistų panaudoti Saulės bures zondams, skirtiems išlėkti už Saulės sistemos ribų.

Dar viena, retrofuturistinė, Saulės burių vizualizacija. Šaltinis: Karolis Strautniekas, University of Toronto Magazine

Teorija ir idėjos gražu, o kaip su praktika? Čia jau sunkiau. Aukščiau minėta „didelė ir lengva burė“ turėtų būti tikrai didelė ir tikrai lengva. Įprastai koncepcinėse studijose nagrinėjamos dešimčių metrų skersmens burės, kurių masė siekia penkis gramus kvadratiniam metrui arba mažiau. Palyginimui, vienas kvadratinis metras ploniausios buitinės aliuminio folijos sveria apie 20 gramų. Taigi burė turėtų būti pagaminta iš ypatingai plonos, bet kartu ir labai tvirtos medžiagos, kuri nesubyrėtų nuo kosminių dulkių smūgių. Taip pat medžiaga turi atspindėti praktiškai visą į ją pataikančią spinduliuotę – priešingu atveju ji įkais ir išsilydys. Praktinis burių taikymas susiduria ir su problema, kaip išlaikyti tikslią burių kryptį bei formą, naudojant kuo mažiau lynų ar kitokių valdymo įrenginių, kurie visi prisideda prie sistemos svorio.

Praktiniai iššūkiai lėmė, kad Saulės burės kol kas nėra plačiai naudojamos. Visgi bandymų atlikta ne vienas. Pirmoji sėkmingai kosmose išskleista Saulės burė buvo 2010 metais Japonijos kosmoso agentūros įvykdytas projektas Ikaros. 14 metrų kraštinės ilgio kvadratinė burė, gaudydama fotonus, juto 1,12 miliniutonų jėgą – tik truputį mažiau, nei teoriškai apskaičiuojama maksimali 1,56 miliniutonų vertė. 2011-2014 metais NASA vystė projektą „Sunjammer“; deja, burė taip ir nepakilo į kosmosą. Kuriam laikui sustoję, darbai tęsiasi toliau – prie vieno NASA vystomo Saulės burių projekto prisideda ir lietuvių įkurta mikropalydovų kompanija NanoAvionics.

NanoAvionics kuriamo NASA Saulės burės bandomojo modelio vizualizacija; vyksta burės skleidimas. Šaltinis: NanoAvionics

Kol kas geriausius rezultatus pademonstravo ne pelno siekianti organizacija The Planetary Society. 2015 metais jie iškėlė į orbitą palydovą-kubiuką su Saulės bure; burė išskleista sėkmingai, bet palydovo orbita buvo per žema, kad Saulės šviesa galėtų įveikti atmosferos pasipriešinimą. Po ketverių metų LightSail 2 misija pavyko daug geriau – burė ne tik išskleista, bet ir pademonstruotas orbitos pokytis. Beje, orbitos pakeitimą, naudodamasis Saulės šviesa, dar 2008 metais sėkmingai įvykdė NASA zondas MESSENGER, tyrinėjęs Merkurijų; tiesa, jis neturėjo burės, o tiesiog tinkama kryptimi nukreipė Saulės baterijų plokštes.

LightSail 2 virš Indijos. Nebe vizualizacija, o nuotrauka, padaryta iš pačios burės tempiamo palydovo-kubiuko 2020 metų sausį. Šaltinis: The Planetary Society

Vystomi ir kitokie bandymai pažaboti Saulės galią kosminiams skrydžiams. Saulė ne tik šviečia; nuo jos pučia ir plazmos srautas, vadinamas Saulės vėju. Vėjo slėgis apie tūkstantį kartų mažesnis, nei spinduliuotės, todėl tokiomis burėmis, kaip aprašyta aukščiau, varomiems laivams jis įtakos neturi. Tačiau plazmą gaudyti galima ne tik fiziniu atspindinčiu paviršiumi, bet ir elektromagnetiniais laukais. Pavyzdžiui, išskleidus ilgus įkrautus siūlus nuo zondo, jie ims atspindėti artėjančius elektronus ir taip sukurs stūmos jėgą. Vienas vystomas modelis – HERTS sistema – turėtų naudoti daugybę maždaug 20 km ilgio milimetro storio laidų, išskleistų nuo besisukančio zondo. Jei iš siūlų suformuotume uždaras kilpas ir paleistume per jas tekėti elektros srovę, gautume magnetinę burę, kuri taip pat atspindėtų Saulės vėją. Magnetinis laukas, suformuotų dirbtinę magnetosferą aplink erdvėlaivį, kuri išsiplėstų tolstant nuo Saulės, tad generuojama stūmos jėga, judant tolyn nuo žvaigždės, sumažėtų ne tiek smarkiai, kiek šviesos arba elektrinės burės atžvilgiu. Kol kas magnetinės burės išvystytos dar mažiau, nei elektrinės.

Elektrinės burės koncepcijos vizualizacija. Šiuo atveju lynai įkrauti teigiamai, todėl atspindi Saulės vėjo protonus. Šaltinis: Aurora Propulsion Technologies Oy, Alexandre Szames

Dar vienas būdas gerokai pagreitinti erdvinius burlaivius bei pagerinti jų manevringumą būtų šviesti į juos galingais lazeriais. Bene pirmasis tokią idėją prieš daugiau nei pusšimtį metų iškėlė fizikas ir fantastas Robertas L. Forwardas. Devintajame dešimtmetyje išplėtojęs ir pavadinęs ją „žvaigždžių sruoga“ (angl. starwisp), Forwardas rašė, kad tai būtų praktiška tarpžvaigždinio zondo koncepcija. Daug dėmesio idėja sulaukė 2016 metais, kai paskelbtas projektas Breakthrough Starshot – planas iki amžiaus vidurio paleisti spiečių mažyčių zondų Kentauro Alfos sistemos link. Kiekvieno zondo masė siektų vos keletą gramų, jie būtų pritvirtinti prie keleto metrų skersmens burių. Į bures nukreipus galingą infraraudonųjų spindulių lazerio spinduliuotės pluoštą, jas būtų galima įgreitinti daug sparčiau, nei vien Saulės šviesa.

Breakthrough Starshot projekto idėja – įgreitinti šviesos bures galingais lazerio spinduliais iš Žemės ar planetos prieigų. Šaltinis: M. Weiss / CfA.

Kiek galingas turėtų būti spindulys ir kaip pavyks įgreitinti? Kol kas nežinia. Įvairiuose pranešimuose projekto atstovai kalba apie grupę palyginus nedidelių – kilovatais matuojamos galios – lazerių, kurių bendras efektas įgreitintų bures iki reliatyvistinių greičių, maždaug 20% šviesos greičio. Kiti tyrėjai siūlo galvoti apie kosminius lazerius, kurie galėtų sufokusuoti 15 gigavatų galios spindulį. Statyti lazerius kosmose – logiška, nes tada jų spinduliai nekaitins atmosferos; iš kitos pusės, jiems reikia energijos šaltinio, tad kosmose turės atsirasti ne tik patys lazeriai, bet ir jėgainės. Galiausiai, tvirtai ant Žemės stovintį lazerį kontroliuoti gali būti paprasčiau, nei skriejantį orbitoje. Bet tinkami lazeriai – tik viena iššūkio dalis. Taip pat reikia daug geresnių šviesos burių, nei šiandieninės, daug galingesnių miniatiūrinių zondo komponentų ir taip toliau. Kai kurie mokslininkai teigia, kad šis projektas apskritai neįmanomas; kiti teigia, kad viskas įmanoma, bet pripažįsta, jog įvairios technologijos turi tapti šimtus kartų efektyvesnės, nei šiandieninės. Ar tokia pažanga įmanoma per kelis dešimtmečius, kuriuos Starshot projekto atstovai ketina skirti pasiruošimams? Parodys turbūt tik laikas.

Laiqualasse

2 komentarai

Komentuoti: Pumpurėlio Nešėjas Atšaukti atsakymą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *