Evolinte

Для того, чтобы разрешить загадку марсианской жизни, необходимо, чтобы роботы собрали образцы и вернулись на Землю – это безумно дорогая миссия, стоимость которой по предварительным оценкам должна составить от 5 до 10 миллиардов долларов. Однако некоторые учёные считают, что стоимость этого путешествия можно заметно сократить, если использовать электрические двигательные установки.

Миссия Mars sample return (MSR) потребует мощных микроракетных двигателей и эффективных солнечных панелей, которые в настоящее время разрабатываются по всему миру или даже уже существуют. Такие технологии позволили бы снизить вес перевозимого химического ракетного топлива, находящегося в баках традиционных ракет и космических кораблей – и сделали бы возможной миссию по сбору и возвращению на Землю марсианских образцов грунта уже в течение ближайшего десятилетия. О некоторых предложениях мы уже писали в новостях космоса за прошлые периоды.

«У нас есть весьма неплохие шансы заполучить надёжную технологию для MSR после 2020 г.», – говорит Вольфганг Себолдт (Wolfgang Seboldt), физик из Германского авиакосмического центра (DLR).

Обуздать энергию Солнца

Большая часть космических миссий сжигает химическое горючее, чтобы совершить разгон, который длится при этом лишь до тех пор, пока осуществляется подвод топлива. Марсианская миссия может переключиться на использование электрической двигательной системы по достижении земной орбиты, перед началом путешествия к Марсу, говорит Себолдт.

На старте она будет двигаться достаточно медленно, превращая ксенон в потоки заряженных частиц, но со временем наберёт приличную скорость при практически неограниченном питании от электрических солнечных панелей.

Такой марсианский орбитальный аппарат может дать возможность совершить путешествие до Красной планеты и обратно, которое будет дешевле и по крайней мере не дольше, чем традиционные миссии на химическом горючем, даже с учётом того, что к массе аппарата добавится масса тяжёлых солнечных батарей. «Увеличение массы за счёт солнечных панелей с лихвой компенсируется экономией на массе горючего», – объясняет Себолдт.

Спланировать марсианское путешествие

Стандартный сценарий экспедиции предполагает два аппарата, запускаемых с Земли отдельно друг от друга, – орбитальный и посадочный модули. Посадочный модуль опускается на поверхность Красной планеты для сбора образцов. Затем устройство для выведения на орбиту при помощи традиционных химических двигателей поднимает собравший образцы зонд, чтобы вернуть его на орбитальный аппарат для совершения обратного путешествия на Землю.

Гибридная версия этого стандартного сценария включала бы орбитальный модуль, использующий электрические двигатели. В альтернативном сценарии посадочный модуль мог бы даже «залезть на плечи» орбитального аппарата для достижения на нём Красной планеты.

И отправить туда людей

Технологии, связанные с электрическими двигательными системами, получили значительный толчок к развитию в последние годы. Авиакосмический гигант США «Боинг» планирует использовать такие двигатели в большинстве своих спутников, находящихся на геостационарных орбитах – как для вывода спутников на эти орбиты, так и для контроля положения аппаратов при дальнейшем функционировании.

И если этот оптимизм не угаснет, двигательные установки на солнечной энергии могут сделать в будущем возможными не только роботизированные, но и человеческие миссии на Марс.

Сатурн, шестая по счёту планета от Солнца, является одним из наиболее легко наблюдаемых объектов для астрономов, во многом благодаря его обширной и весьма специфической системе колец. Кольца Сатурна восхищали астрономов-любителей на протяжении столетий, начиная с того времени, когда люди впервые начали вглядываться в небо через окуляр телескопа.

Когда Галилео Галилей впервые наблюдал Сатурн в 1610 г., он подумал, что эти кольца представляли собой гигантские спутники планеты, находившиеся по разные стороны от неё. Однако дальнейшие наблюдения, проводившиеся учёным в течение нескольких последующих лет, показали, что эти кольца меняли свою форму и даже исчезали полностью, по мере того как менялся их наклон по отношению к Земле.

В настоящее время мы знаем, что Галилео наблюдал «пересечение плоскости колец». Экватор Сатурна наклонён по отношению к орбите этой планеты вокруг Солнца под углом примерно в 27 градусов (аналогичный угол наклона для Земли составляет 23 градуса). Когда Сатурн обращается вокруг Солнца, то сначала одно, а затем и второе полушария по очереди освещаются Солнцем. Этот наклон отвечает за смену сезонов, так же как и в случае с Землёй, и когда на Сатурне наступает осеннее или весеннее равноденствие, то Солнце попадает в плоскость системы колец, в которой лежит также и экватор планеты. Солнечные лучи освещают кольца «с ребра», и тонкую полоску колец становится трудно различить при помощи телескопов. Кольца Сатурна очень широкие – они достигают 273600 километров в поперечнике – но толщина их составляет не более 10 метров.

В 1655 г. астроном Кристиан Гюйгенс предположил, что эти странные тела были твёрдыми, наклонёнными кольцами, и в 1660 г. другой астроном предположил, что эти кольца состояли из небольших спутников – догадка, которая не могла получить подтверждения в течение почти 200 последующих лет.

В эпоху освоения космоса зонд «Пионер-11» прошёл сквозь плоскость колец Сатурна в 1979 г. В 1980-е гг. космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили взглянуть на систему колец гигантской планеты.

В 2004 г. миссия НАСА «Кассини-Гюйгенс» впервые в мире вышла на орбиту вокруг Сатурна и произвела подробные наблюдения не только самой планеты, но и её системы колец.

Состав и структура

Кольца Сатурна состоят из миллиардов частиц, размеры которых колеблются от нескольких миллиметров до десятка километров. Состоящие преимущественно из водяного льда, эти кольца также втягивают в свою систему каменистые метеороиды, движущиеся сквозь космическое пространство.

Хотя начинающему астроному-любителю может показаться, что Сатурн опоясан единым, твёрдым кольцом, но на самом деле система колец разделена на несколько частей. Эти кольца получили свои названия по алфавиту в соответствии с датами их открытия. Таким образом, главные кольца, если двигаться от периферии системы к центру, называются соответственно A, B и С. Щель шириной в 4700 километров, известная как Щель Кассини, разделяет между собой кольца A и B.

Другие, более тусклые кольца открывались по мере того, как совершенствовались технологии изготовления телескопов. «Вояджер-1» обнаружил самое близкое к центру системы кольцо D в 1980 г. Рядом с кольцом А, охватывая его снаружи, находится кольцо F, которое, в свою очередь, охватывается кольцами G и E, лежащими на значительном удалении от остальных колец системы.

Сами кольца содержат значительное число щелей и структур. Некоторые из них созданы многочисленными небольшими спутниками Сатурна, в то время как природа других из них до сих пор продолжает ставить в тупик астрономов.

Сатурн не единственная планета Солнечной системы, имеющая кольца – Юпитер, Уран и Нептун также располагают тусклыми системами колец – но со своими спутниками, система которых простирается на три четверти расстояния от Земли до Луны (282000 километров), он, без сомнения, формирует наиболее впечатляющую и доступную для наблюдения систему колец в Солнечной системе.

Хотя Солнце находится на расстоянии 149 млн км от Земли, оно активно воздействует на нашу планету. Мы видим солнечный свет и ощущаем его тепло. Однако это далеко не единственные результаты воздействия звездного товарища. Еще есть постоянный поток частиц в виде солнечного ветра, непредсказуемые солнечные вспышки, корональные выбросы массы. Все они попадают под определение «космической погоды».

Пятна на Солнце

В ходе изучения поверхности Солнца на ней можно заметить небольшие темные области. Они различаются по размерам и месторасположению. Как правило, эти пятна сосредоточены в областях выше и ниже экватора. Они образуются в результате взаимодействия плазмы на поверхности Солнца с магнитным полем.

Солнечные пятна – это области на Солнце, температура которых значительно ниже в сравнении с другими участками. Температура в данных областях достигает 3 527 градусов по Цельсию, что почти на 1 727 градусов меньше, чем на остальных участках Солнца. Однако не позволяйте цифрам себя обмануть. Если бы нам представилась возможность созерцать на ночном небе одно солнечное пятно, оно сияло бы в 10 раз ярче полной луны. Если же сравнивать с Солнцем, диаметр которого составляет 1 392 млн километров, солнечные пятна могут показаться небольшими по величине. Как правило, данные области занимают менее 4% видимого диска Светила. Они соизмеримы с диаметром Нептуна, самой маленькой из газовых планет. Однако продолжительность жизни солнечных пятен вне зависимости от места расположения не превышает нескольких недель.

Солнечный цикл, под которым понимается цикл солнечной активности, длится 11 лет. Последний солнечный цикл начался в январе 2008 года и достиг своего пика в 2013. Несмотря на низкий уровень солнечной активности, крупнейшее солнечное пятно за всю историю ученые наблюдали в ноябре 2014 года. Оно было соизмеримо с Юпитером.

Солнечные вспышки

Интенсивные магнитные поля в областях возникновения солнечных пятен также приводят ко взрывам, известным как солнечные вспышки. Энергия при этом высвобождается наружу с силой, превышающей энерговыделение миллионов водородных бомб.

Температура внешней части солнечной атмосферы, известной как корона, в момент солнечных вспышек, как правило, достигает нескольких миллионов К. Когда солнечные вспышки минуют корону, они нагревают газ до 10-20 млн K, иногда данный показатель достигает ста миллионов К. По данным НАСА, энергия, которая выделяется при солнечной вспышке «эквивалентна энергии, выделяемой при одновременном взрыве миллиона 100-мегатонных водородных бомб».

Крупнейшие солнечные вспышки оказывают значительное влияние на Землю. Они могут вызвать длительные радиационные бури в верхних слоях атмосферы и стать причиной прекращения радиосвязи. Средние вспышки могут также вызвать кратковременное прекращение радиосвязи в полярных регионах и иногда незначительные радиационные бури.

Корональные выбросы массы

Во время солнечных вспышек магнитная энергия, которая накапливается в активных областях на Солнце, в большей части реализуется в виде электромагнитного излучения. Во время корональных выбросов массы она расходуется на то, чтобы ускорить массы вещества в солнечной коре.

Как и солнечные вспышк, корональные выбросы масс повышают радиацию во внешних слоях земной атмосферы, влияя на космонавтов и радиосигналы. Однако в отличие от вспышек, они также приносят заряженные частицы материи, которые взаимодействуют с полем, окружающим нашу планету. Результаты такого взаимодействия могут варьироваться в зависимости от размера, скорости и магнитной силы данных частиц.

Новости космоса становятся всё жарче: НАСА собирается использовать антиматерию в космических кораблях будущего.

Реакции слияния ядер, инициированные пучками частиц антиматерии, могут начать приводить в движение сверхвысокоскоростные космические корабли, отправляемые в длительные путешествия, уже к середине этого века, говорят исследователи.

Чтобы сделать эту технологию доступной, учёным придётся преодолеть немало препятствий - в частности связанных с получением и хранением антиматерии, - но некоторые эксперты полагают, что она может быть готова уже к середине столетия.

Сила ядерного синтеза потрясает воображение

Топливо для такого корабля с термоядерными двигателями будет, вероятно, состоять из маленьких гранул, содержащих дейтерий и тритий, - тяжёлые изотопы водорода, которые содержат один или два нейтрона соответственно в своих ядрах. (В ядре обычного атома водорода нет ни одного нейтрона.)

Внутри каждой гранулы это топливо будет окружено другим веществом, возможно, ураном. Поток антипротонов - эквивалентов протона в антиматерии, обладающих электрическим зарядом, равным -1, а не +1, - будет направлен на эти гранулы.

Когда антипротоны будут соприкасаться с урановыми ядрами, они будут аннигилировать, создавая продукты высокоэнергетического распада, которые запустят реакции ядерного синтеза в топливе.

Такие реакции - к примеру слияние ядер дейтерия и трития, ведущее к образованию одного атома гелия-4 и одного нейтрона, - высвобождают огромное количество энергии, которую можно использовать для того, чтобы заставить космический корабль двигаться в нескольких разных направлениях.

"Энергия, выделяющаяся в ходе таких реакций, может быть использована для нагрева горючего или создания импульса при помощи магнитного удержания плазмы и магнитного сопла", - говорится в отчёте за 2010 г., озаглавленном "Пределы современных технологий: Революционные прорывы в исследовании космоса", который НАСА выпустило при поддержке The Tauri Group и ряда экспертов.

Основная идея заключается в следующем: в ходе проекта "Дедал", исследования, проводившегося Британским межпланетным обществом в 1970-е гг., было предложено использование термоядерного ракетного двигателя для межзвёздных космических кораблей. Однако тогда предполагалось, что слияние ядер, рассматриваемое в проекте "Дедал", должно быть инициировано пучками электронов, а не антипротонов.

И всё же что-то нам ещё мешает

Хотя ядерный синтез, запущенный при помощи пучков антипротонов, представляет собой весьма заманчивую технологию, всё же учёным предстоит ещё немало работы до претворения этих замыслов в жизнь.

Возможно, самым сложным станет получение антипротонов - которые могут быть созданы в ускорителях частиц - в достаточных количествах и хранение их достаточно долгое время, необходимое для совершения продолжительного путешествия.

Согласно отчёту "Пределы современных технологий", на полёт до Юпитера может потребоваться около 1,16 г антипротонов. Это, конечно, не очень пугающая цифра, но нужно принять во внимание, что в настоящее время производственные мощности позволяют получать лишь миллиардные доли грамма этого вещества.

Но всё же объёмы производимых антипротонов стремительно возрастают, и поэтому можно надеяться, что следующий крупный научный прорыв, связанный с космическими двигательными установками, случится ещё до наступления 2060 г.

Международная команда астрономов сообщила об открытии новой гигантской внесолнечной планеты, обращающейся вокруг звезды-субгиганта на настолько узкой орбите, что планета должна быть разрушена действием приливных сил звезды. Однако, несмотря на низкую вероятность такой орбиты, планета пребывает на ней, являясь самой близкой к звезде-субгиганту экзопланетой, известной ученым.

Эта планета, обозначенная K2-39b, была впервые обнаружена при помощи продолженной миссии космического телескопа НАСА «Кеплер», известной как K2. Для подтверждения планетного статуса объекта K2-39b команда исследователей под руководством Винсента Ван Эйлена из Орхусского университета, Дания, использовала спектрограф High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS), установленный на 3,6-метровом телескопе Европейской южной обсерватории, расположенном в обсерватории Ла Силья, Чили, и Северный оптический телескоп, расположенный на острове Ла Пальма Канарского архипелага, а также Магелланов телескоп №2, расположенный в обсерватории Лас-Кампанас, Чили.

Последующие дополнительные наблюдения при помощи наземных средств наблюдения позволили не только подтвердить планетный статус этого вновь обнаруженного объекта, но и определить его примерную массу, которая составила примерно 50 масс Земли, и радиус, который оценили примерно в 8 радиусов нашей планеты.

Однако самым интригующим в этом новом исследовании является то, что планета движется вокруг родительской звезды-субгиганта по орбите с периодом всего лишь 4,6 суток и лежит так близко к звезде, что ей следовало бы быть разорванной на части в результате действия приливных сил звезды.

В этом исследовании астрономы также предпринимают попытку оценить, как долго планета K2-39b сможет просуществовать на своей текущей орбите до окончательного разрушения. Согласно этим оценкам, обреченная экзопланета будет уничтожена звездой примерно через 150 миллионов лет.

Ощущение невесомости, или нулевой гравитации, испытывается тогда, когда человек перестаёт чувствовать эффекты гравитации. Технически говоря, гравитация существует во Вселенной повсюду, потому что она определяется как сила, которая притягивает два тела друг к другу. Но астронавты в космосе обычно не ощущают на себе её эффекты.

Международная космическая станция (МКС), например, находится в состоянии перманентного свободного падения на Землю. Однако скорость её движения вперёд в точности равна скорости её «падения» на планету. Это означает, что находящиеся внутри станции астронавты не испытывают на себе силы притяжения, направленной в какую-либо определённую сторону. Поэтому они попросту «парят» в невесомости.

Избавиться от тяжести собственного веса – это звучит заманчиво, но в долгосрочной перспективе постоянное нахождение в состоянии невесомости может привести к серьёзным проблемам со здоровьем. Кости и мускулы ослабевают, а также в организме происходят и другие негативные изменения. Одной из задач МКС является изучение влияния долгосрочного воздействия невесомости на здоровье астронавтов. Это стало также одной из основных целей новой миссии к МКС продолжительностью в один год, которую планируется запустить в 2015 г.

Временные эффекты невесомости

Невесомость приводит к тому, что несколько ключевых систем организма «расслабляются», так как им не приходится больше противостоять силе притяжения нашей планеты. Чувства того, где находится «верх», а где – «низ» смешиваются между собой, сообщает НАСА, так как вестибулярный аппарат человека, находящегося в состоянии невесомости, не может определить, где находится пол, а где – потолок. Конструкторы космических аппаратов учитывают это обстоятельство: например, на МКС все надписи на стенах направлены в одну и ту же сторону.

Члены экипажа станции также испытывают расстройство проприоцептивной системы, которая позволяет человеку понять, как расположены его руки, ноги и другие части тела по отношению друг к другу.

Такая дезориентация способна привести к тому, что астронавт в течение нескольких дней может испытывать тошноту. Один известный случай такого рода имел место в ходе проведения миссии «Аполлон-9» в 1969 г. Расселу («Расти») Швайкарту пришлось отменить запланированный выход в открытый космос, потому что он почувствовал недомогание. Причиной для опасений было то, что если бы астронавта стошнило прямо в его скафандре, то рвотная масса могла растечься по внутренней поверхности шлема (ухудшая обзор) или нарушить работу системы подачи воздуха для дыхания астронавта, что могло привести к смерти Расти от удушья.

Эффекты долгосрочного воздействия невесомости

Проведя в космосе от нескольких недель до нескольких месяцев, астронавты могут начать ощущать на себе влияние эффектов долгосрочного воздействия невесомости на организм. Кальций из организма выделяется вместе с мочой. В результате того, что кости ослабевают, увеличивается вероятность того, что астронавт может сломать их, поскользнувшись и упав, подобно людям, больным остеопорозом. Мышцы тоже теряют массу.

Астронавты обычно упражняются по два часа в день, чтобы противостоять этим изменениям, однако по окончании миссии к МКС продолжительностью в полгода им приходится проходить курс реабилитации в течение несколько месяцев, прежде чем они адаптируются обратно к земным условиям.

Первую миссию к МКС продолжительностью в один год планируется отправить в 2015 г. У одного из астронавтов миссии, Скотта Келли, есть брат-близнец, Марк, который останется на Земле. Братья добровольно согласились стать «подопытными кроликами» учёных, которые будут анализировать эффекты невесомости на здоровье Скотта Келли, сравнивая его медицинские показатели с медицинскими показателями его брата, остававшегося на Земле.

Исследователи из университета Пуатье (University of Poitiers) и института CNRS, Франция, разработали квантовый тепловой транзистор, позволяющий контролировать проходящий через него поток тепла точно так же, как обычные транзисторы позволяют управлять протекающим через них электрическим током. Такой тепловой транзистор может найти применение в технологиях сбора тепловой энергии, которая обычно выбрасывается в окружающую среду при работе тепловых электростанций и других энергетических систем. В настоящее время существуют методы сбора такой тепловой энергии, но они не отличаются высокой эффективностью, так как их компоненты не могут обеспечить передачу и усиление тепловой энергии так, как это может сделать новый транзистор.

"Для управления электрическим током используются диоды, транзисторы, усилители и другие компоненты, объединяемые в сложные электронные схемы" - рассказывает Карл Жульен (Karl Joulain), ведущий исследователь, - "Теперь мы можем сделать нечто подобное и с тепловыми потоками. На базе новых тепловых элементов мы можем создать тепловые логические элементы, которые позволят управлять, включать и отключать, усиливать и модулировать потоки тепла с целью высокоэффективного сбора вторичного тепла, которое в большинстве случаев теряется безвозвратно".

Следует отметить, что новый транзистор является далеко не первым устройством для управления потоком тепла, но он первый в своем роде, в структуре которого были использованы квантовые компоненты. Другие тепловые приборы, диоды и транзисторы, обычно изготавливались на базе макро- и метаматериалов на основе сплавов металлов, производство которых является весьма энергоемким и дорогостоящим.

С точки зрения функциональной структуры квантовый тепловой транзистор состоит из трех систем, способных находиться в двух стабильных состояниях. Другими словами, текущее состояние этих трех систем определяет включенное или выключенное состояние транзистора. А с физической точки зрения этим состояниям соответствуют состояния квантовых систем, проявляющиеся в виде направления вращения их компонентов. Каждая из трех систем может в какой-то степени контролировать проходящий поток тепла, а их синхронная работа позволяет управлять потоком тепла, текущего через весь транзистор.

Пока еще теоретически исследователи показали, что при помощи нового теплового транзистора можно не только разрешать и прерывать движение теплового потока. Комбинируя различные состояния трех систем транзистора, можно добиться даже усиления теплового потока или его модуляции сигналом, подаваемым извне. В будущем такие транзисторы могут стать основой сложных схем, изготовленных из квантовых объектов, по проводникам которых будут циркулировать потоки тепловой энергии. А собственно квантовые объекты могут представлять собой металлические наночастицы с включенными в них квантовыми точками.

"В наших дальнейших планах стоят исследования, целью которых является дальнейшая оптимизации структуры теплового устройства" - рассказывает Карл Жульен, - "И, естественно, большое внимание мы уделим поиску областей практического применения для разработанного нами транзистора и других сопутствующих вещей"