Ученые нашли метод отклонения астероидов солнечным парусом

Ученые предложили использовать солнечный парус нового типа для отклонения потенциально опасных астероидов встречным ударом. Такой подход может стать альтернативой уже испытанному методу изменения траектории небесных тел, пишет Universe Today.

Сейчас не известно ни об одном астероиде, который двигался бы к Земле по опасной траектории. Однако каждый год астрономы открывают тысячи новых объектов, поэтому вероятность угрозы полностью исключать нельзя.

Один из способов защиты уже проверили на практике. Миссия DART смогла изменить движение небольшого астероида с помощью кинетического удара. По сути, аппарат передал небесному телу энергию столкновения и сдвинул его с прежнего пути.

При этом у такого подхода есть ограничение. DART двигался в том же направлении, что и астероид, и сближался с ним сзади. Подобная схема может быть эффективной, если времени на подготовку достаточно, но она требует длительных орбитальных маневров.

Исследователи из Университета Бэйхан предложили другой вариант. По их расчетам, солнечный парус нового типа может вывести ударный аппарат на встречную траекторию. В этом случае столкновение произойдет лоб в лоб, а переданная астероиду энергия окажется значительно выше.

Главным фактором эффективности такого метода является энергия удара. Она растет пропорционально квадрату скорости: чем быстрее аппарат сталкивается с астероидом, тем сильнее воздействие на его орбиту.

DART врезался в астероид Диморф примерно на скорости 6 километров в секунду. В новой работе рассматривается возможность разогнать аппарат с солнечным парусом так, чтобы он ударил по приближающемуся астероиду с противоположной стороны на скорости около 100 километров в секунду. По оценке авторов, это даст примерно в 230 раз большее воздействие на каждый килограмм массы ударника, чем в случае с DART.

Основная трудность заключается в разгоне аппарата в обратном направлении. Почти все объекты в Солнечной системе, включая Землю, движутся вокруг Солнца против часовой стрелки. Поэтому запущенный с Земли зонд изначально получает такое же направление движения. Чтобы вывести его на обратную орбиту, требуется очень много энергии.

Химические ракеты для такой задачи подходят плохо, поскольку им пришлось бы нести слишком большой запас топлива. Солнечный парус может решить эту проблему, так как использует давление солнечного света и не нуждается в топливе для разгона.

Идея движения по так называемой H-обратной траектории была предложена еще в 1990-х годах итальянским инженером Джанкарло Вульпетти. Сначала солнечный парус должен тормозить аппарат и снижать его угловой момент. Когда он падает до нуля, гравитация Солнца направляет зонд к звезде. Затем, в точке максимального сближения с Солнцем, парус снова включается и выводит аппарат обратно во внешнюю часть системы уже по обратной орбите.

Обычные солнечные паруса работают как большие зеркала. Свет отражается от их поверхности, а создаваемая тяга направлена перпендикулярно плоскости паруса. Для H-обратной траектории это неудобно: парус приходится сильно наклонять к Солнцу, из-за чего он получает меньше света и теряет эффективность.

Авторы работы предлагают использовать дифракционный солнечный парус. В его материале находятся микроструктурированные оптические решетки, которые отклоняют свет без необходимости разворачивать весь парус. Благодаря этому аппарат может оставаться обращенным к Солнцу всей плоскостью и одновременно получать боковую тягу, нужную для сложного орбитального маневра.

Исследователи смоделировали несколько вариантов солнечных парусов для H-обратной траектории. По итогам расчетов лучшим оказался отражательный дифракционный парус. Только такая конфигурация в моделировании не падала на Солнце и не уходила за пределы Солнечной системы.

Затем ученые проверили схему на примере астероида Апофис. Это небесное тело диаметром около 340 метров 13 апреля 2029 года пройдет примерно в 38 тысячах километров от Земли. Его пролет не требует отклонения, но объект хорошо изучен, поэтому он подходит для расчетов.

В моделировании использовали два варианта дифракционно-отражательного паруса. В первом угол дифракции оставался постоянным, во втором он мог меняться: умеренный угол применялся при движении к Солнцу, а возле точки максимального сближения увеличивался почти до 90 градусов.

Обе схемы позволили доставить ударный аппарат к Апофису примерно за 200–300 дней после запуска. Скорость столкновения составила около 100 километров в секунду. По сравнению с обычным отражающим солнечным парусом это почти на год сокращает продолжительность миссии.

Авторы считают, что такая разница может быть важной при реальной угрозе. Если опасный астероид обнаружат поздно, более быстрый способ доставки ударника способен повысить шансы на успешное отклонение объекта.