Инженеры предложили полет к Седне с новыми двигателями

На окраинах нашей Солнечной системы, далеко за орбитой Плутона, находится Седна — один из самых загадочных объектов, известных ученым. Это первый представитель нового класса небесных тел — седноид — транснептуновый объект с очень удаленной орбитой (некоторые специалисты считают Седну карликовой планетой). Такие тела никогда не подходят к Солнцу ближе чем на 50 астрономических единиц. 

Среди крупных известных тел Солнечной системы орбита Седны наиболее вытянутая. Объект обходит Солнце по очень вытянутой траектории — от 76 до 937 астрономических единиц. Это означает, что Седна практически «отключена» от гравитационного влияния больших планет. Ее траектория движения — ключ к пониманию самых отдаленных регионов Солнечной системы.

Астрономы считают, что из-за своей «‎экстремальной» орбиты Седна может оказаться первым известным объектом внутренней части облака Оорта — гигантской сферической «скорлупы» из ледяных глыб, которая сформировалась 4,5–4,6 миллиарда лет назад. 

Изучение Седны помогло бы ученым раскрыть секреты раннего формирования Солнечной системы и понять, каким именно образом она появилась на свет. Одна из гипотез гласит, что Седна образовалась благодаря гравитационным возмущениям. В далеком прошлом близкие сближения молодого Солнца с соседними звездами могли гравитационно «вытолкнуть» часть планетезималей на дальние орбиты, которые там сформировали внутреннее облако Оорта и седноиды в частности.

Чтобы совершить один оборот вокруг Солнца, Седне требуется больше 11 000 лет. Сейчас она приближается к светилу и достигнет своей ближайшей точки — перигелия — в 2075-2076 годах. На этом этапе расстояние между ней и Солнцем сократится до минимума и составит 76,19 астрономических единиц. Это примерно в три раза дальше, чем расстояние до Нептуна. После этого Седна снова удалится.

Седна — весьма интересный объект для ученых, который многие специалисты хотели бы изучить. Проблема заключается в одном: как добраться до этого уникального мира за разумное время, используя существующие технологии? Традиционные химические двигатели и даже ионные ускорители хотя и делают такую миссию возможной, но аппарат на этих технологиях будет лететь к Седне очень долго — не одно десятилетие.  

Международная команда инженеров под руководством Елены Анконы из Политехнического университета Бари (Италия) предложила два способа, позволяющих добраться до Седны за семь и 10 лет соответственно. В обоих вариантах исследователи рассматривают передовые технологии, способные коренным образом изменить подход к межпланетным полетам.

Первый вариант — двигатель прямого термоядерного синтеза (Direct Fusion Drive). Это концептуальная разработка, которая на практике пока не реализована. Принцип работы строится на том, что термоядерная реакция не только создает тягу, но и одновременно вырабатывает электричество. Термоядерная реакция сама по себе выделяет огромное количество энергии, которую можно преобразовать в электрический ток.

Исследователи предполагают, что система будет обладать мощностью 1,6 мегаватта и работать в режиме непрерывного тягового импульса. То есть основная часть пути к Седне пройдет при постоянной тяге. Мощности должно хватить не только для полета, но и для критически важного маневра — выхода на орбиту вокруг Седны.

Второй вариант — солнечный парус, основанный на эффекте термической десорбции. В отличие от классических солнечных парусов, которые используют давление солнечного света, здесь движение обеспечивают молекулы, испаряющиеся с поверхности под действием тепла, что создает тягу. Для дополнительного разгона зонд совершит гравитационный маневр вблизи Юпитера, используя его мощную гравитацию как «‎рогатку». Главное преимущество такого паруса — скорость и отсутствие топлива. 

Сравнение показало неожиданные результаты. При использовании двигателя прямого термоядерного синтеза полет до Седны аппарата массой в тонну займет примерно 10 лет, из которых 1,6 года зонд будет разгоняться. Солнечный парус справится с задачей быстрее — всего за семь лет. Этого удастся достичь благодаря тому, что он может непрерывно ускоряться и не требует значительного запаса топлива. 

Но есть нюанс: мощности паруса, скорее всего, не хватит для торможения и выхода на орбиту вокруг Седны. Миссия ограничится лишь пролетом мимо нее. А вот корабль с двигателем прямого термоядерного синтеза сможет выйти на орбиту и подробно изучить космическое тело.

Разница между этими вариантами — выбор между скоростью и глубиной исследования. Пролет предоставит минимальные данные. Полноценная орбитальная миссия откроет возможность картографирования поверхности, анализа состава и, возможно, даже обнаружения спутников.

Оба подхода пока остаются концепцией, но имеют разный потенциал. Двигатель прямого термоядерного синтеза требует прорыва в области удержания и управления реакцией. Несмотря на красивые расчеты пока нет уверенности, что такую систему можно построить.

Солнечный парус, основанный на эффекте термической десорбции, выглядит более реалистично. Эта технология развивается на базе уже существующих технологий солнечных парусов, но требует точного расчета траекторий и создания новых материалов, устойчивых к высоким температурам и способных эффективно выделять вещества для тяги.

В ближайшие годы инженеры намерены детально проработать концепцию миссии, провести оценку рисков и необходимых ресурсов. Запуск космического аппарата возможен лишь в узком «окне», когда Седна окажется максимально близко к Солнцу. При положительном решении проект может стать ключевым этапом в исследовании дальних рубежей нашей Солнечной системы.

Подробнее с описанием технологий можно ознакомиться в статье, опубликованной на сайте электронного архива научных статей Корнеллского университета.