Все по-надълбоко в космоса: разработки, които ще ни отворят пътя към нови светове

Изследването на дълбокия космос се превърна в приоритет за космическите компании и агенции по целия свят. Кои нови проекти ще позволят на учените да разкриват все повече тайни за произхода на Вселената и да търсят извънземен живот?

Първите „платноходки“ на орбита

През юни 2021 г. НАСА обяви мисия, наречена Advanced Composite Solar Sail System (ACS3). В нея агенцията ще тества нови композитни ултралеки слънчеви мачти за слънчеви платна. Ако експериментът е успешен, то с тяхна помощ ще могат да се извеждат спътници и сонди за изследване на космоса.

Слънчевите платна работят на същия принцип като обикновените платна, но вместо вятър използват светлина, която представлява поток от фотони. Те, както всички движещи се частици, притежават импулс и предават част от него на обекта, с който се сблъскват. Така потокът от фотони от Слънцето може да се използва за задвижване на обекта, върху който е поставено платното.

Слънчевото платно елиминира нуждата от гориво и позволява увеличаване на полезния товар на космическия апарат. Но заради това, че налягането на слънчевата светлина намалява с отдалечаването от Земята, ще трябва да се използват много големи платна.

За да намали теглото им, НАСА планира да разгърне слънчевото платно в орбита с помощта на композитни стрели, които са направени от полимерни материали с въглеродни влакна и са със 75% по-леки от наличните в момента метални мачти. След разгръщането, площта на платното ще бъде приблизително 81 кв. м. От НАСА твърдят, че технологията на композитните стрели ще позволи разгръщане на платна с площ до 500 и дори до 2000 квадратни метра.

Първият действащ космически апарат със слънчево платно беше японският IKAROS. Той беше изведен в орбита на 21 май 2010 г. Платното, което беше с дебелина 7,5 микрона, тоест е по-тънко от човешки косъм, представляваше квадрат със страна 14 м. След разгръщането си IKAROS „отплава“ към Венера и през декември същата година засне първите си изображения на планетата. През 2012 г. корабът беше вписан в Книгата на рекордите на Гинес като първия междупланетен апарат, задвижван от слънчево платно. Последните сигнали от IKAROS бяха получени през 2015 г., когато той беше на разстояние 110 милиона км от Земята. Благодарение на платното апаратът по време на полета се ускорявал допълнително със 100 m/s, или 360 km/h.

Още един космически апарат със слънчево платно, който все още е в околоземна орбита, е LightSail-2. Това е проект на Планетарното общество на Съединените щати и беше изведен в орбита на 25 юни 2019 г. Площта на платното на LightSail-2 е 32 кв.м. Вече две години екипът на проекта проучва как слънчевото платно поддържа спътника в орбита и фиксира скоростта на намаляване на височината му, както и силата на енергията на платното. През целия период LightSail-2 изпраща впечатляващи цветни изображения на Земята.

Наносателити за макро пътуване до Алфа Кентавър

Breakthrough Starshot е изследователски проект на Breakthrough Initiatives. В неговите рамки се предлага разработването на флот от междузвездни сонди Starchip на леки платна, които да могат да пътуват до звездната система Алфа Кентавър на разстояние 4,37 светлинни години (40 трилиона км) от Земята.

Проектът е основан през 2016 г. от венчърния инвеститор Юри Милнър, физикът Стивън Хокинг и ръководителят на Facebook (сега Meta) Марк Зукърбърг. Първоначалните инвестиции в проекта възлизат на 100 милиона долара, като крайната цена на мисията Милнър оценява на 5-10 милиарда долара.

Основната мисия на флота ще бъде да долети до Проксима Кентавър b, екзопланета с размерите на Земята, намираща се в системата Алфа Кентавър. При 15% до 20% от скоростта на светлината, за това пътешествие ще са необходими между 20 до 30 години и още около четири години ще са нужни за да стигнат до Земята първите съобщения от звездния апарат. За сравнение – най-бързият от съществуващите космически кораби ще трябва да лети до целта за около 30 хиляди години. Към настоящия момент най-бързият космически кораб в човешката история се смята ракетата Saturn V, която е способна да се ускори до скорост от 64 500 км/ч.

От Breakthrough Starshot възнамеряват да демонстрират как работи концепцията за свръхбърз светлинен нанокосмически кораб. Друга цел на проекта е изучаването на Слънчевата система и откриването на астероиди, чиято траектория може да се пресича със Земята.

Основният космически кораб, задвижван от конвенционален ракетен двигател, ще издигне хиляди малки космически апарати с диаметър само от няколко сантиметра във високата орбита на Земята. След като флотилията се окаже там, мрежа от наземни лазери ще бъде насочена към платната на спътниците, за да могат да се ускорят пратениците на нашата планета по своите траектории. Всяка сонда ще бъде оборудвана с миниатюрни камери с резолюция най-малко 2 мегапиксела.

При платното има редица ограничения. Площта му трябва да бъде не по-малко и не повече от 10 квадратни метра, а масата не може да надвишава един грам. Самият материал не трябва да е прозрачен, така че лазерните лъчи да не преминават през него, а да упражняват натиск.

Предшествениците на Starchip, апаратите Sprite, вече са тествани на МКС. Те успешно предаваха данни от орбита. Първият апарат към Проксима Кентавър може да бъде пуснат до 2036 г.

Златен телескоп за дълбините на Вселената

НАСА през 2021 г. след няколко отлагания подготви прекрасен коледен подарък за цялото човечество: на 25 декември от космодрума Куру във Френска Гвиана в космоса беше изстрелян “Джеймс Уеб”, най-големият съществуващ към момента телескоп. Идеята за него се ражда преди повече от 20 години. Целта на огромния телескоп ще бъде мащабно изследване на космоса. Още преди началото на мисията прогнозната цена на проекта беше оценена на 9,8 милиарда долара.

„Джеймс Уеб“ ще изучава атмосферата на вече открити екзопланети, ще изследва галактиките и тяхната среда, ще изследва обекти в Слънчевата система и ще помогне на учените да разкрият природата на тъмната материя и черните дупки.

Глобалната мисия на телескопа е да изучава произхода на Вселената, да търси живот извън Земята и да изследва нови светове. Той ще обедини усилията си с телескопа Event Horizon, за разкриване на тайните на свръхмасивната черна дупка в сърцето на Млечния път.

Първите научни изследвания ще започнат в началото на 2022 г. Смята се, че телескопът ще работи минимум пет години.

Основната характеристика на телескопа е 6,5-метровото му златно огледало. Тъй като размерите му не позволяваха поставянето му в ракета-носител, разработчиците на телескопа конструираха огледалото му от плъзгащи се елементи, които да се разгърнат в орбита, което беше успешно осъществено преди няколко дена. Размерът на всеки от 18-те шестоъгълни сегмента е 1,32 м. Общото тегло на телескопа достига 6,2 тона.

Златото е избрано заради способността му да отразява ефективно инфрачервеното лъчение, което е необходимо за изучаване на малки космически тела, като екзопланетите. Благодарение на чувствителността на огледалото, телескопът ще може да се използва като машина на времето, тъй като ще заснема изображения на много далечни космически обекти. И колкото по-далеч са обектите, толкова по-надълбоко ще навлизат астрономите в историята на Вселената, тъй като на светлината и отнема много време, за да стигне до Земята. Така изследователите ще виждат галактиките такива, каквито са били преди милиарди години.

След стартирането на „Джеймс Уеб“ всеки учен ще може да кандидатства за неговото използване, ако проектът му премине партньорска проверка. Например, такова право вече е получила аспирантката от канадския Университет Макгил Лиза Данг, която ще изучава планетата K2-141b, намираща се на 202 светлинни години от Земята. Предполага се, че повърхността на тази екзопланета е покрита с океан от лава, а валежите падат под формата на камъни.

„Изключително голям телескоп“ на Земята

Изключително големият телескоп (Extremely Large Telescope – ELT) е строяща се в Чили от Европейския съюз и Бразилия астрономическа обсерватория, която благодарение на подобрената огледална система ще може да изучава отдалечени обекти в космоса. Изграждането на купола на телескопа започна през 2019 г. Цената му се оценява на 1,05 милиарда евро.

Особеност на обсерваторията ще бъде телескопът със сегментирано огледало с диаметър почти 40 м. То ще включва 798 шестоъгълни сегмента с диаметър 1,4 м всеки. Такова огледало ще събира 15 пъти повече светлина от всеки от съществуващите днес телескопи. Това ще позволи получаването на изображения от космоса с висока степен на детайлност. Огледалните сегменти ще са произвеждат от немската фирма Schott, а със сглобяването ще се занимава френската компания Reosc.

Общо системата за наблюдение ще има пет огледала. Основното M1 е вдлъбнато и ще събира светлина от нощното небе, която ще се отразява към изпъкналото M2. То от своя страна ще отразява светлината към M3, което ще я предава към адаптивното плоско огледало M4, намиращо се над него. След това четвъртото огледало ще коригира изкривяванията, преди да насочи светлината към M5, представляващо плоско наклонено огледало, чиято функция ще бъде да стабилизира изображенията и да ги предава вътре в ELT.

Огледалото ще осигури площ за събиране на светлина от 978 кв. м, което е 13 пъти повече, отколкото в най-големите съвременни телескопи и 100 милиона пъти повече от невъоръженото око. Точността на наблюденията на Вселената ще се увеличи 16 пъти в сравнение с тази, предоставена от телескопа Хъбъл, най-големият досега в космоса.

Благодарение на работата на обсерваторията ще бъде възможно да се изучават атмосферите на планети извън Слънчевата система, включително и на екзопланети, а дори и да се търсят признаци на живот върху тях. Освен това учените се надяват, че ELT ще помогне бъде за разгадаването на мистерията на тъмната материя. Очаква се първите научни наблюдения с помощта на ELT да се започнат през септември 2027 г.