Ученые Университета Макгилла разработали концепцию системы, способной запустить космический корабль на Марс при помощи массива инфракрасных лазеров диаметром 10 метров. Они будут нагревать водородную плазму в камере космического аппарата, создавая тягу из газообразного водорода. В теории, это позволит достичь Красной планеты всего за 45 дней. Например, с ракетами SpaceX Илона Маска полет человека туда занял бы минимум шесть месяцев.
В 2018 году Национальное управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) поставило перед инженерами задачу разработать миссию, способную доставить на Марс полезную нагрузку весом менее 1000 кг и не более чем за 45 дней, а также способную совершать полеты вглубь Солнечной системы и за ее пределы, пишет Phys.org.
Концепцией лазерно-тепловой тяги исследователей из Макгилла предусматривается, что длина волны каждого луча составит около одного микрона, а общая мощность — 100 мегаватт (столько потребляет 80 тыс. американских домохозяйств). Полезная нагрузка, вращающаяся по эллиптической средней околоземной орбите, получит отражатель, направляющий лазерный луч с Земли в нагревательную камеру, содержащую водородную плазму. После того, как ядро нагреется до почти 40 тыс. градусов Цельсия, газообразный водород достигнет 9,7 тыс. градусов Цельсия и будет выбрасываться через сопло, создавая тягу, способную оттолкнуть корабль от Земли с интервалом в 58 минут. Боковые двигатели удержат корабль на одной линии с лучом лазера при вращении Земли. Статья опубликована в журнале Acta Astronautica.
После прекращения излучения полезная нагрузка полетит со скоростью почти 17 км/с — этого достаточно, чтобы преодолеть расстояние до орбиты Луны всего за 8 часов. Когда только космический корабль достигнет марсианской атмосферы, он все еще будет двигаться со скоростью 16 км/с. Пока люди на Красной планете не смогут построить эквивалентный земному лазерный массив для обеспечения обратной тяги, для замедления полезной нагрузки хотят использовать аэрозахват — аэродинамическое торможение в атмосфере. Однако этой рискованный маневр, при котором космический корабль на несколько минут подвергнется перегрузке до 8 g (где g — ускорение силы тяжести на поверхности Земли, 9,8 м/с2), что почти человеческий предел. Также проблемой станут сильные тепловые потоки на корабле из-за трения в атмосфере, которые не способны выдержать современные материалы систем теплозащиты.
«Лазерно-тепловая тяга позволяет быстро транспортировать 1 тонну благодаря массиву лазеров размером с волейбольную площадку — то, что лазерно-электрическая тяга может делать с массивами километрового класса», — отметил Эммануэль Дюплей, ведущий автор исследования.
Главное преимущество концепции лазерно-тепловой двигательной — ее «беспрецедентно» низкое отношение массы к мощности, в диапазоне 0,001-0,010 кг/кВт.
Лазерно-тепловое движение впервые было изучено в 1970-х годах с использованием 10,6-микронных CO2-лазеров. Современные волоконно-оптические лазеры размером 1 микрон можно комбинировать в массивно-параллельные фазированные решетки с большим эффективным диаметром, поэтому фокусное расстояние передачи энергии на два порядка выше — 50 тыс. км в проекте Дюплея. Архитектура фазированных лазерных решеток разрабатывается группой под руководством физика Филипа Любина из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. В массиве используются отдельные лазерные усилители мощностью по 100 Вт — каждый усилитель представляет собой простую петлю из оптоволокна и светодиода, и может производиться массово и недорого. Для предполагаемой марсианской миссии потребует порядка 1 млн таких усилителей.
Дюплей считает, что лазерно-тепловая миссия на Красную планету может начаться через 10 лет после первых полетов человека, то есть, в 2040 году.
В 2016 году физик-теоретик Стивен Хокинг и российский бизнесмен Юрий Мильнер объявили о запуске проекта Breakthrough Starshot. В рамках него изучают возможность создания роя наноспутников, которые отправят к землеподобной планете у Альфы Центавра. Скорость передвижения зондов составит около 20% от скорости света. Спутники будут оснащены «парусом», на который будут воздействовать массивом лазеров.