Pasikinkius Saulės vėją – (ne)įmanomos kelionės į toliausius kosmoso kampelius

Johannesas Kepleris atsimenamas dėl jo aprašytų planetų judėjimo dėsnių. Bet XVII amžiaus astronomui taip pat patiko stebėti kometas ir vieną dieną jis pastebėjo, kad jų uodegos visados nukreiptos nuo Saulės, kad ir kurlink pati kometa skrieja. Kepleriui tai reiškė tik viena: kometos uodegas nupučia iš Saulės dvelkiantis vėjas.

Keplerio laikais tokia idėja tikriausiai atrodė egzotiška, bet jis išdėstė ją 1610 metų laiške savo draugui Galileo Galilei. „Pritaikius laivus ar bures dangiškiesiems vėjams, atsiras drąsuolių, nepabūgsiančių šios tuštumos,“ rašė jis. Nieko keisto, jei tokios mintys kelia jums šypseną. Bet Kepleris buvo teisus. Saulė kuria vėją, kuris, iš principo gali būti panaudotas.

Priežasčių tai išbandyti netrūksta. Raketos gal ir tinka iškelti mus į orbitą, bet jų galimybės labai ribotos. Jos gali gabentis tik tam tikrą kuro kiekį, tad ir manevruoti kaip tinkamos jos negali. Tačiau pastačius kosminį burlaivį, galima panaudoti praktiškai beribius kadaise Keplerio pastebėtos galios išteklius.

Žemės orbitoje dabar skrieja tai demonstruojantis aparatas. Kadangi ši technologija nenaudoja kuro, ji gali užtikrinti ilgalaikius stebėjimo postus kosmose. Tuo tarpu NASA vykdo planus nuskrieti iki asteroidų įprastai nepasiekiamuose kosmoso regionuose – ir kas žino, ką atrasime, pradėję tokias vietas tyrinėti. Gali būti, kad stovime ant nuostabaus naujo buriavimo amžiaus slenksčio.

Vėjui palietus veidą, jaučiame atmosferos nešamas molekules. Kosmoso vėjo sudėtis kitokia. Pirma, iš Saulės nuolat sklinda mažą, tačiau išmatuojamą impulsą turinčios šviesos dalelės. Antra, iš Saulės srūva ir elektringos dalelės, daugiausiai protonai ir elektronai. Krūvį turinčios dalelės sudaro Saulės vėją.

1924 metais Sovietų Sąjungoje dirbęs mokslininkas Friedrichas Zanderis sukūrė pirmą rimtą Saulės burės koncepciją. Jis siekė panaudoti šviesą, ne elektringas daleles, nes tam tereikėtų didelio veidrodžio. Nors iki tada kelionės į kosmosą dar nebuvo įmanomos, Zanderis suprato, kad tokios burės suteiktų unikalų būdą ten skraidyti.

Dabar raketos yra mūsų darbiniai arkliukai, kuriomis atliekame tiek trumpas keliones į TKS, tiek ir misijas į Plutoną. Raketų veikimas pagrįstas veikimo ir atoveiksmio principu: išsviedžiant darbinį kūną – kuro degimo produktus – viena kryptimi, susidarantis atoveiksmis aparatą stumia priešinga kryptimi. Už atmosferos ribų trinties nėra, todėl raketos trajektorija nekis, kol jos nepaveiks kita jėga, tarkime, didelio objekto gravitacija. Taigi, norint raketą sulėtinti, ar pakeisti jos skriejimo kryptį, reikia naudoti kurą. Kuro bako dydis nubrėžia ribas to, ką su ja galima nuveikti.

„Nuolat veikiant pagreičiui ir turint pakankamai laiko, Saulės burės gali pavyti bet ką”

Būtent todėl erdvėlaiviai nuolat naudojasi planetų trauka, apsukdami apie jas kelis kartus ir trumpam įjungę variklius, nuskrieja nauja kryptimi. Bet ši taktika irgi ribota. Pavyzdžiui, erdvėlaivio paleidimo laikas priklauso nuo planetų išsirikiavimo. Be to, toks būdas tinkamas tik plonoje mūsų sistemos ekliptikos plokštumoje, kur sukasi planetos.

Yra kitų intriguojamai įdomių objektų, kurie sukasi kitose plokštumose. Tarkime, Eris, už Plutoną masyvesnė nykštukinė planeta. Arba trečias pagal didumą žinomas asteroidas Paladė, kurios orbita su ekliptikos plokštuma sudaro 34 laipsnių kampą. Tokios neįprastos orbitos byloja, kad jų istorija skiriasi nuo likusios planetų sistemos. Norint šiuos kūnus aplankyti ir daugiau juos sužinoti, reikėtų neleistinai daug kuro – burės tokių apribojimų neturi. „Saulės burės gali nugabenti ten, kur įprasta stūma negali,“ sako Les Johnson iš NASA Marshall kosminių skrydžio centro Huntsville'yje, Alabamoje.

Buriavimas kosmose

Norint pagauti nuo žvaigždės pučiantį vėjelį, burė turi būti didelė, kad pagautų kuo daugiau fotonų, tačiau kuo plonesnė, kad būtų lengviau įgreitinti erdvėlaivį. Bet paleidžiant erdvėlaivį, subtili burės medžiaga negali plevėsuoti išorėje. Tai reiškia, kad ji turi būti supakuota, ir išskleista už atmosferos ribų – velnioniškas iššūkis. Kad tai įmanoma, 2010 metais pademonstravo Japonijos kosmoso agentūra JAXA, paleidusi IKAROS zondą. Jis išvyniojo juostą, kuri išsitiesė į 0,007 milimetro storio ir 20 metrų įstrižainės kvadratinę burę.

Tokio dydžio burės nepakanka pastebimai judinti zondą. Tada pasirodė CubeSatai, maži, nebrangūs palydovai, kuriuos galima kontroliuoti iš Žemės. „CubeSatai suteikė tokiai organizacijai, kaip mūsų, finansiškai prieinamą būdą pademonstruoti šią technologiją,“ sako Bruce Betts iš kosmoso panaudojimą skatinančios Planetary Society organizacijos. Po nepavykusio bandymo 2015 metais, draugijos misija LightSail 2 buvo paleista pernai. Iš pradžių operatoriams su maždaug bokso ringo dydžio bure tvarkytis buvo nelengva, ir zondas sukosi. Bet atlikę kai kuriuos pakeitimus, jieestablished control and parodė, kad zondas gali manevruoti, naudodamas vien šviesos slėgį.

Tikėtasi, kad LightSail 2 veiks metus, bet jis dėvisi lėčiau, nei manyta ir tebeveikia. „Nežinojome, kaip viskas pavyks,“ sako Jennifer Vaughn iš Planetary Society. Aparatas sėkmingai pademonstravo, kad burėmis galima keisti orbitos aukštį – kol kas iki 2 kilometrų. Labiausiai nustebino jo vairavimo sudėtingumas. Kad skrietų stabiliai, aparato masės centras privalo būti tiksliai už burės kuriamos stūmos centro. Kadangi kosmose trinties nėra, tai gali lengvai pakisti ir, laiku neištaisius, aparatas greitai tampa nekontroliuojamas. LightSail 2 trečdalį laiko orbitoje praleido, taisydamas lygiavimą, kad nekiltų nekontroliuojamas sukimasis.

Johnsono kelionių planai kur kas ambicingesni. Pirmasis punktas jo pageidavimų sąraše – ovaliomis orbitomis netoli Žemės praskriejantys asteroidai iš tolimų mūsų sistemos pakraščių. Tokių objektų niekados nesame aplankę, nes jie pro mus prašvilpia taip greitai, kad raketos nespėja jiems pavymui. Bet Johnsonas planuoja Near Earth Asteroid (NEA) Scout misiją, kuri turėtų prasidėti 2021 ir kuri galėtų šiuos greituolius pavyti. „Nuolat veikiant pagreičiui ir turint pakankamai laiko, Saulės burės gali pavyti bet ką,“ sako jis. Tikslus taikinys dar nėra pasirinktas, tačiau tai galėtų būti maždaug 12 metrų skersmens objektas 1991 VG, praskriejęs šalia Žemės 1991 ir 2017 metais. Toks objektas gali atsitrenkti į mūsų planetą, tad, tikslesnės žinios apie juos – tarkime, tai vientisi kūnai ar palaidos žvirgždo santalkos – galėtų padėti apsisaugoti. NEA Scout komanda mokosi iš LightSail 2; NASA aparate bus mechanizmas, padėsiantis išlaikyti burės ir masės centrus vienoje linijoje.

Kitas kosminių burių panaudojimo žingsnis – buvimas visiškai ramiai. Tai naudingiau, nei atrodo iš pirmo žvilgsnio. Tarpplanetinėje erdvėje kabantis kosminis laivas gali atlikti ilgalaikius stebėjimus, pavyzdžiui, link Žemės skriejančių Saulės audrų debesis. Johnsonas planuoja išbandyti šią idėją su NASA Solar Cruiser misija. Iš pradžių zondas nuskrietų į L₁ Lagranžo tašką, kur susilygina Saulės ir Žemės gravitacija. Tik bėda, kad likti šiame taške sunku, lyg balansuoti ant adatos smaigalio – norint, kad objektas ten išliktų, reikia nuolat taisyti jo poziciją. Raketa galiausiai išeikvotų kurą, tačiau zondas su šviesos burėmis galėtų likti ten neribotai ilgai.

Išbandęs kabojimą L₁ taške, Solar Cruiser leistųsi link Saulės. Dauguma šia kryptimi siunčiamų raketų lėtėjimui naudoja gravitaciją, todėl privalo likti ekliptikoje. Solar Cruiser tokių problemų nekiltų ir jis galės pakilti aukščiau ir pabandyti pakibti virš Saulės ašigalių, kurie yra kritiškai svarbūs Saulės orams, tačiau iš Žemės jų neįmanoma pamatyti. Kol kas tai stengiasi atlikti tik vasarį paleistas

ESA Solar Orbiter. Jo tikslas – skriejant įžambia orbita apie Saulę, pirmą užfiksuoti ašigalių vaizdus, bet tam reikia daugybės kuro.

Johnsono bures stumtų šviesa – jos, tyrinėjant Saulės apylinkes, netrūksta. Bet kuo toliau nuo šviesulio, tuo šviesos mažiau; Saulės sistemos gilumoje šviesos burėms išpūsti nepakanka. Būtent todėl Pekka Janhunen iš Suomijos Meteorologijos instituto mano, kad buriuoti reikia pasikinkius ne vien fotonus, bet ir elektringų dalelių srautą – Saulės vėją.

Tiesa, tolstant nuo Saulės, jos vėjas taip pat silpsta. Bet 2006 metais Janhunenas iškėlė idėją, kaip panaudoti jo galią netgi gerokai nutolus nuo šaltinio. Elektrinės burės būtų iš dešimčių vielų, kurios driektųsi nuo aparato tolyn daug kilometrų. Kad vielos liktų tiesios, visas aparatas pamažu suktųsi. Visos vielos būtų teigiamai įelektrintos – atlekiantys teigiamai įelektrinti protonai būtų atstumiami ir taip perduotų burei savo impulsą. O štai gudrioji dalis: greta Saulės galingas jos vėjas koštų tarp vielų. Toliau Saulės vėjas yra švelnesnis ir burės jį gražiai pagautų. Tokia neintuityvi fizika galėtų leisti buriuoti į Saulės sistemos pakraščius.

Pirmoji 2013 metų suomių e-burių misija nepavyko, bet Jaan Praks iš Suomijos Aalto universiteto sako, kad komanda kuria sistemos įpėdinius – Foresail-1 ir 2. Šių misijų tikslas – panaudojant vienos vielos dizainą, palydovą pristabdyti ir jo veikimo pabaigoje pašalinti iš orbitos. Tai bandymas, galintis padėti sukurti didesnes ir geresnes e-bures. Šia technologija domisi ir NASA ir jau kuria Heliopause Electrostatic Rapid Transport System koncepciją. Antžeminiai eksperimentai rodo, kad, palyginus su įprastinėmis raketomis, skrydžio iki Saulės sistemos pakraščio laiką būtų galima sutrumpinti 60%.

Kaip žino visi jūreiviai, vėjas nėra idealus stūmos šaltinis, nes geriausiai veikia pūsdamas į nugarą, o norint pakeisti kryptį, reikia keisti halsą. Tad, bet koks kosminis burlaivis gražiai skrietų nuo žvaigždės, bet pasukti atgalios būtų sunku.

Kaip bebūtų, tai nenustelbs tokių žmonių kaip Johnsonas svajonių, norinčių šiomis naujomis technikomis pakeisti kursą link dabar nepasiekiamų pasaulių – aplink artimiausią mūsų kaimynę, Kentauro Alfa skriejančias planetas. Tam burėmis reikėtų įsibėgėti iki penktadalio šviesos greičio, kas, nors tikrai nelengva, nėra neįmanoma. „Mano karjeros tikslas – kad darbas su šviesos burėmis atsidurtų Kentauro Alfa tyrinėjimo istorijos išnašose,“ sako Johnsonas. „Noriu išvysti ateitį, kur tyrinėjame kitas žvaigždes.“