К Альфе Центавра за 20 лет, а не за 100 000. Секрет — двигатель на чистом свете, который уже работает

Даже если взять самые продвинутые ракетные двигатели, которые есть у человечества сейчас, полет к ближайшей звездной системе все равно упирается почти в безнадежные цифры. Альфа Центавра находится так далеко, что дорога туда на обычной тяге заняла бы сотни тысяч лет и потребовала бы астрономических расходов. Поэтому у идеи межзвездных полетов уже давно есть другой кандидат на роль двигателя будущего: не топливо, а свет.

Именно на эту область снова обратили внимание исследователи из Техасского университета A&M. Команда показала новый способ светового движения, при котором объект можно поднимать и направлять лазером без физического контакта. Авторы считают, что их подход лучше подходит для масштабирования, чем многие прежние схемы, и в будущем может приблизить системы, похожие на те, что когда-то обещал проект Breakthrough Starshot.

Об использовании света в качестве двигателя заговорили еще в 2016 году, когда международный проект Breakthrough Starshot объявил о планах создать зонд с фотонным парусом для полета к Альфе Центавра. Идея выглядела почти фантастически: аппарат должен был разгоняться за счет миллионов лазеров, лететь с околосветовой скоростью и добраться до соседней звезды примерно за 20 лет. Проект получил стартовую поддержку в 100 миллионов долларов от Марка Цукерберга и других инвесторов, но позже столкнулся с финансовыми проблемами. При этом сама идея никуда не исчезла. Скорее наоборот: исследователи продолжают искать более практичные способы заставить свет не просто освещать объект, а толкать и направлять его.

В новой работе команда из A&M описала систему, построенную вокруг так называемых metajets. Так исследователи называют микроскопические устройства, которые могут создавать управляемое движение под действием лазерного луча. Основой для них служат метаповерхности, то есть сверхтонкие материалы с нанесенными на них крошечными узорами. Эти структуры работают примерно как очень необычная линза: они позволяют заранее задать, как именно свет будет отражаться от поверхности.

Смысл разработки в том, что управление здесь зашито не только в сам луч, но и в материал объекта. В обычных схемах оптического движения исследователи в основном стараются нужным образом сформировать свет, чтобы тот давил на частицу или маленький аппарат в нужную сторону. В A&M пошли другим путем. Команда встроила нужную реакцию прямо в метаповерхность. За счет этого удалось точнее управлять тем, как свет передает объекту импульс, а значит и силой, которая двигает его в пространстве.

Руководитель работы, профессор Шоуфэн Лань, объясняет эффект через простую аналогию с шариками для пинг-понга, которые отскакивают от стола. В его описании свет действует примерно так же: луч переносит небольшой, но измеримый импульс на объект. В макромире такая сила кажется почти исчезающе малой, но на микромасштабе ее уже можно использовать для реального движения.

Главный результат работы связан не просто с тем, что объект удалось сдвинуть. Команда утверждает, что metajets впервые показали полноценную управляемость в 3 измерениях в системе оптического движения. Иначе говоря, объект можно не только толкать в одну сторону или удерживать на месте, но и маневрировать им в объеме. Для этой области это важный шаг, потому что прежние схемы обычно сильно ограничивали свободу движения.

Сами устройства очень малы. Их размер составляет всего несколько десятков микрон, то есть они тоньше человеческого волоса. Проверяли систему в жидкой среде, которая частично компенсировала влияние гравитации и позволяла точнее увидеть сам эффект светового толчка.

Авторы считают свою схему особенно перспективной из-за того, как в ней устроено масштабирование. По их словам, создаваемая metajets сила зависит прежде всего от мощности света, а не от размера самого устройства. Из этого следует важная мысль: хотя нынешние образцы микроскопические, сам принцип теоретически можно перенести и на более крупные объекты, если удастся подвести достаточно мощное оптическое излучение.

Именно здесь начинается самая трудная часть всей истории. Красивый физический принцип еще не делает межзвездный аппарат реальностью. Для перехода от микронных устройств к полноценной космической системе нужны источники света колоссальной мощности, сложная инженерная инфраструктура и очень большие деньги. Те же проблемы в свое время ударили по Breakthrough Starshot: проект замедлился именно там, где фантазия должна была превратиться в дорогую и тяжелую технологию.

При этом у светового движения уже есть и практический космический прецедент. В 2019 году миссия LightSail 2, которую вела The Planetary Society, показала, что полет без топлива с использованием давления света действительно работает хотя бы для небольших космических аппаратов.

Сейчас команда ищет внешнее финансирование, чтобы проверить свою систему уже в космосе. Если этот этап состоится и подтвердит расчеты, у разработчиков появится шанс предложить более гибкую альтернативу существующим методам лазерной энергией. До реального полета к Альфе Центавра отсюда по-прежнему очень далеко. Но именно с таких небольших лабораторных шагов обычно и начинается техника, которая сначала кажется слишком странной даже для космоса.