От редакции
научпоп
приборы

Как шоколадный пудинг и звонок мамы помогли создать новую конструкцию космических телескопов

147
0
5 февраля 2024
LBR
Изображение создано с помощью нейросети
От редакции
научпоп
приборы
147
0
5 февраля 2024
Как шоколадный пудинг и звонок мамы помогли создать новую конструкцию космических телескопов

Возможности исследования космоса с помощью телескопов на поверхности Земли сильно ограничены. Окружающая планету атмосфера задерживает значительную часть электромагнитных волн, не пропуская гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение и волны длиной более 20 метров. Оптическое окно наземных радиотелескопов очень мало, а исследователям космоса важны данные из разных диапазонов, поскольку они дополняют друг друга, делая общую картину точнее. К тому же атмосфера еще и весьма турбулентна: из-за ее дрожания сложно получить по-настоящему качественные фотографии и видео.

Для изучения космоса в недоступном с земной поверхности диапазоне и фиксации его изображений в высоком разрешении, запускают внеатмосферные телескопы. IRAS, Spitzer, TESS, «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» позволили сделать подавляющее большинство открытий в современной астрономии: подтвердили существование черных дыр в центрах галактик, помогли найти ранее непонятный источник длинных гамма-всплесков и новые экзопланеты, обнаружить первую одиночную нейтронную звезду в другой галактике. Однако современные космические телескопы обладают рядом проблем, решением которых могут стать новые надувные телескопы, которые отправятся за пределы атмосферы на огромных воздушных шарах.

LBR
Изображение создано с помощью нейросети

Проблемы существующих космических телескопов

Как мы уже выяснили, размещение телескопов в космосе дает огромное преимущество. Но отправка таких устройств в космос осложняется в силу их тяжелых и крупногабаритных рефлекторных антенн. Их размеры приводят к ограничениям при запуске и рискованным схемам развертывания.

Кроме того, традиционные внеатмосферные радиотелескопы используют в качестве отражателей параболические тарелки, которые собирают излучение и фокусируют его в определенной точке. Чтобы направить «взгляд» такого телескопа в нужное место, исследователям космоса приходится перемещать всю тарелку. Делать это, когда телескоп находится в космосе, крайне сложно.

Производство и запуск таких телескопов стоит поистине астрономических средств. Так, «Хаббл» оценивается в 6 млрд долларов, а «Джеймс Уэбб» — 10 млрд.

Производство и запуск таких телескопов стоит поистине астрономических средств. Так, «Хаббл» оценивается в 6 млрд долларов, а «Джеймс Уэбб» — 10 млрд.

Решением всех трех проблем может стать проект Large Balloon Reflector, идея которого родилась благодаря шоколадному пудингу и телефонному звонку.

При чем здесь пудинг

Около 30 лет назад молодому инженеру Кристоферу Уокеру позвонила мама, в то время как он готовил шоколадный пудинг. Кристофер снял трубку, выключил плиту и накрыл десерт полиэтиленовой пленкой, чтобы сохранить его свежим. Когда инженер освободился и вернулся на кухню, то обнаружил отражение потолочной лампочки накаливания, зависшее над диваном. Оказалось, что пленка на пудинге приобрела вогнутую форму и сработала как линза. Отражение лампочки натолкнуло Кристофера на идею нового решения для космических телескопов.

Как отражение лампочки связано с космосом

История с пудингом навела Кристифера на размышления, которые получили развитие в проекте Large Balloon Reflector (LBR). Это космический телескоп, который состоит из надувного сферического рефлектора, размещенного внутри гораздо большего стратосферного шара-носителя. Эдакий гигантский пляжный мяч, который одновременно служит средством запуска с поверхности планеты и содержит оборудование, позволяющее наблюдать за бескрайними просторами Вселенной.

Легкий за счет изготовления из тонкопленочной структуры, LBR надувается, как пляжный мяч, обеспечивая стабильную форму параболической тарелки без необходимости использования громоздкого и сложного в установке оборудования, а также может складываться в крошечный объем.

Кроме того, конструкция Кристофера Уокера позволит наводить телескоп на нужную точку во Вселенной, перемещая только антенну внутри полупрозрачной сферы. Сферический телескоп также имеет большое поле зрения, поэтому может отображать большие части космоса, не двигаясь.

Разница в цене по сравнению с традиционными телескопами еще более существенна: по оценкам Уокера, стоимость отправки на орбиту надувного телескопа составит около 200 миллионов долларов — в 50 раз дешевле, чем запуск «Джеймса Уэбба».

Иллюстрация идеи Large Balloon Reflector из отчета Кристофера Уокера
Иллюстрация идеи LBR внутри шара-носителя.
Источник: отчет Кристофера Уокера для NASA, стр. 34
Схема трехметрового прототипа Large Balloon Reflector
Схема для трехметрового прототипа LBR.
Источник: отчет Кристофера Уокера для NASA, стр. 77
Cхема Large Balloon Reflector
Схема LBR. Источник: отчет Кристофера Уокера для NASA, стр. 35

По словам автора проекта, LBR может изучать происхождение звезд, планет, молекулярных облаков и галактик. Он способен выполнять наблюдения с высоким спектральным и пространственным разрешением из ближнего космоса или с орбиты Земли.

Поддержка NASA

Кристофер отправил свою идею в программу NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), которая поддерживает и финансирует прорывные идеи, способные изменить будущие миссии агентства. Доказав, что LBR работает как задумано, Уокер получил грант на разработку космической версии своего надувного телескопа.

Благодаря финансированию NIAC и гранту Научной лаборатории ВМС США Уокер смог разработать и продемонстрировать работу надувной антенны LBR диаметром около 10 метров, которая была запущена в стратосферу на воздушном шаре. Для сравнения, апертура космического телескопа «Джеймс Уэбб» имеет диаметр около 6,5 метров.

В 2018 году компания FreeFall Aerospace, соучредителем которой является Уокер, продемонстрировала потенциал управления антенной LBR на борту стратосферного аэростата NASA размером со стадион, который доставил модель на высоту 48 000 метров.

Воздушный шар NASA с антенной FreeFall внутри
Воздушный шар NASA объемом 1,7 млн кубических метров со сферической антенной внутри. Источник: новость на сайте FreeFall

Возможное будущее

Следующий этап реализации технологии — демонстрация высокоскоростной связи на низкой околоземной орбите. Антенну планируют отправить в космос на борту спутника CubeSat размером с коробку из-под обуви под названием CatSat. После достижения низкой околоземной орбиты система развертывания надувных антенн CatSat высвободится из своего контейнера, надуется до диаметра около 4.5 метров и начнет передавать фотографии Земли в высоком разрешении.

Краткая история развития технологии LBR и ее практических реализаций. Источник: NASA/BryceTech

Однако, как и во всем, что касается космической науки, обеспечить финансирование миссии будет почти так же сложно, как и разработать технологию. Возможно, если результаты запусков будут успешными, в будущем мы сможем исследовать космос с помощью телескопов конструкции LBR. Трудно поверить, что все началось с того, что однажды вечером Кристофер решил поужинать десертом.

Наверх
Будь первым, кто оставит комментарий