Графеновый солнечный парус взлетел при помощи лазера

Команда проекта GrapheneSail подтвердила работоспособность разработанного графенового солнечного паруса, который смог значительно ускориться под действием лазерного излучения в условиях высокого вакуума и микрогравитации. Таким образом, графен может рассматриваться как перспективный материал для изготовления солнечных парусов для космических аппаратов. Статья опубликована в журнале Acta Astronautica, кратко о работе рассказывается на сайте ESA.

Принцип ускорения космических аппаратов при помощи светового паруса основан на давлении, которое оказывают фотоны на любую поверхность, передавая ей свой импульс. В качестве источника света может выступать наземная или орбитальная лазерная установка или, если говорить о межпланетной среде, Солнце. Преимущества такого метода разгона аппаратов заключается в неограниченном времени действия и отсутствия расхода рабочего тела. Считается, что использование парусов может позволить за относительно короткое время достичь ближайших планетных систем, тем не менее, это сопряжено с рядом трудностей. На сегодняшний день солнечный парус был успешно испытан на аппаратах IKAROS и LightSail 2.

Сам парус должен быть относительно большим, легким, иметь высокую отражательную способность и при этом быть достаточно прочным, чтобы выдержать процесс развертывания и влияние космического излучения. В их конструкции, в основном, используют тонкую пленку из каптона или майлара, толщиной несколько микрометров, с нанесенным на нее алюминиевым покрытием нанометровой толщины для увеличения светоотражающей способности. Однако предлагаются и другие инженерные решения, такие как пленки из алюминия, магния или бериллия или углеродного волокна.

Проект GrapheneSail, разрабатываемый европейской компанией SCALE Nanotech при поддержке Европейского космического агентства, предлагает вариант солнечного паруса, состоящего из двухслойного графена, покрывающего медную решетку, ускоряемый лазерным лучом. Такая структура позволяет снизить среднюю плотность паруса и сделать его достаточно жестким. 

Команда проекта во главе с Сантьяго Картамил-Буэно (Santiago Cartamil-Bueno) опубликовала результаты испытаний модели паруса в условиях высокого вакуума и микрогравитации. Модели паруса весили 0,25 миллиграмма и представляли собой круглые медные сеточки, диаметром 3,05 миллиметра и толщиной около 30 микрометров, на которых размещались два слоя CVD графена. Образцы загружались в вакуумную камеру, к которой было подведено оптоволокно от двух лазеров с непрерывным режимом излучения, мощностью один ватт, работающих на длинах волн 450 и 655 нанометров. В камере также находилась система слежения на основе оптического микроскопа. Вся установка вместе с батареей и системой управления размещалась в капсуле, которая сбрасывалась вниз внутри 100-метровой башни ZARM Drop Tower в Бремене, тем самым, на 4,7 секунд внутри капсулы устанавливался режим микрогравитации за счет свободного падения.

Эксперименты подтвердили работоспособность паруса. Значение создаваемой тяги и ускорения для образца без графена в диапазоне мощностей лазерного излучения от 0,1 до 1 ватта, составили соответственно 31 миллиметр на секунду в квадрате и 8 наноньютонов, в то время как для образцов с графеном эти значения составили 47–992 миллиметра на секунду в квадрате и 12–248 наноньютонов в зависимости от мощности и рабочей длины волны. Полученные значения тяги на один порядок больше, чем результаты теоретических расчетов, что требует продолжения работ и вызывает большой интерес к графену в качестве материала для солнечного паруса.

Ранее мы рассказывали о том, как межзвездный астероид предложили догнать на лазерных парусах и как выглядела наша планета с борта космического парусника Lightsail-2.

Александр Войтюк