Ученые и инженеры из США под руководством астрофизика Филипа Любина (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре) опубликовали на сайте arXiv.org препринт под названием «Направляемые энергетические миссии для планетарной защиты». В статье подробно описан проект, реализация которого позволит обезопасить Землю в ситуации вроде той, что показана в фильме «Армагеддон», то есть предотвратить столкновение нашей планеты с астероидом. Исследования по программе DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and exploRation) выполняются при поддержке НАСА.
Альтернативными сценариями защиты Земли от астероидной угрозы являются: (1а) кинетический удар без прямого использования взрывчатого вещества (например, в результате столкновения двух астероидов), (1б) кинетический удар со взрывом (в частности, использование ядерного оружия), (2) изменение альбедо астероида (путем окрашивания его поверхности) или использование эффекта Ярковского, (3) отклонение астероида от первоначальной траектории ионным пучком, (4) подведение к астероиду устройства с двигательной установкой (например, жидкотопливной ракеты), (5) использование тяжелого аппарата-спутника, который будет вращаться вокруг астероида и постепенно корректировать его траекторию, (6) высадка на поверхность небесного тела робота, который начнет его разрушать и создавать небольшую реактивную силу, корректирующую траекторию небесного тела и (7) испарение поверхностного вещества астероида фокусирующимися солнечными лучами.
Земля постоянно сталкивается с астероидами. Большинство из них сгорает в атмосфере, небольшие осколки некоторых достигают поверхности планеты. Локальную катастрофу могут вызвать астероиды размером до километра, глобальную — диаметром от нескольких километров. По оценкам, астероиды первого типа падают на Землю раз в несколько десятков тысяч лет, второго — не чаще одного раза в несколько десятков миллионов лет. Наибольшую опасность для Земли представляют астероиды, относящиеся к группам Апполон (около шести тысяч небесных тел) и Атон (менее тысячи), пересекающие траекторию движения планеты с внешней (первые) и внутренней (вторые) стороны их орбиты.
Один из самых молодых, крупных и хорошо сохранившихся артефактов столкновения Земли с астероидом — Аризонский кратер (США). В диаметре он достигает 1,2 километра, в глубину — 170 метров. Кратер опоясывает обод высотой 45 метров, а в центре — холм высотой 240 метров. При падении метеорита высвободилось в восемь тысяч раз больше энергии, чем при взрыве атомной бомбы в Хиросиме. Столкновение произошло около 50 тысяч лет назад. Метеорит диаметром порядка 50 метров врезался в земную поверхность со скоростью примерно 13 километров в секунду. Если бы такой объект упал сегодня на любой город с многомиллионным населением, катастрофа (локальная) была бы неизбежна.
Любин предлагает решение, позволяющее избежать таких (локальных, но не глобальных) катастроф. На потенциально опасные объекты (ПОО), к которым относятся прежде всего астероиды, предполагается воздействовать излучением массива лазеров. В результате траектория полета небесного тела меняется, и столкновение не происходит. Используется механизм лазерной абляции — вещество удаляется с поверхности тела испарением или сублимацией за счет разогрева. Утекающая с небесного тела в одну сторону материя создает реактивную тягу, толкающую астероид в противоположном направлении.
Станция DE-STARLITE с системой DE-STAR-0 (в представлении художника)
Изображение: deepspace.ucsb.edu
Предлагаемый проект называется DE-STARLITE и представляет собой модификацию программы DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and exploRation), поддерживаемой Институтом передовых исследований НАСА. В отличие от DE-STAR, подробно уже описанной «Лентой.ру» в связи с разрабатываемой командой Любина концепцией миссии по отправке небольшой автоматической станции к альфе Центавра, DE-STARLITE предполагает использование гораздо менее мощных лазеров, действующих не с поверхности планеты или околоземной траектории, а в непосредственной близости от астероида (нескольких километрах и более).
В отличие от программы ARM, разрабатываемой НАСА для захвата астероида диаметром 5-10 метров и его доставки на окололунную орбиту, проект DE-STARLITE предназначен для небольшого отклонения небесного тела от своей первоначальной траектории.
Корабль DE-STARLITE доставит к астероиду массив лазеров системы DE-STAR-0 мощностью от ста киловатт (самой слабой из семейства DE-STAR). Разрабатываемая командой Любина система не выходит, по словам ее создателей, за рамки технических и конструкторских ограничений, накладываемых НАСА на ARM (Asteroid Redirect Mission). Концептуально корабль устроен следующим образом. Спереди центральная часть аппарата образована фазированной антенной решеткой диаметром до 4,5 метра (примерно такой же диаметр корабля в сложенном состоянии). Сзади и по бокам — ионные двигатели, по сторонам — пара радиаторов (сверху и снизу) и фотоэлектрические батареи (справа и слева). В головной обтекатель ракеты-носителя панели и радиаторы устанавливаются в сложенном состоянии. Панели развертываются из передней части корабля, радиаторы — из задней.
В опубликованной работе рассматриваются солнечные панели американской компании Orbital ATK. Их аналог (предыдущего поколения) был установлен на марсианском посадочном модуле Phoenix. Диаметр панелей равен 15 метрам, мощность — по 50 киловатт. Коэффициент полезного действия — 35 процентов (и, по оценкам Любина, 50 процентов через пять лет). Лазерной фазированной антенной решетки достаточно для разогрева поверхности небесного тела до 2,7 тысячи градусов Цельсия и начала абляции. В минимальной версии (с диаметром решетки в один метр) система позволяет с расстояния десяти километров получить на астероиде лазерное пятно диаметром десять сантиметров.
Корректировка траектории астероида (в представлении художника)
Изображение: Q. Zhang
Увеличение размеров решетки (при сохранении расстояния между станцией и астероидом) потребует большего числа элементов и даст пятно большей площади. Всего в решетке диаметром два метра 19 элементов, каждый из которых развивает мощность до трех киловатт. Радиатор z-образной формы раскладывается в 18 сегментов площадью 4,8 квадратных метра каждый. Радиаторные панели будут вращаться вокруг своей оси и располагаться перпендикулярно к диску Солнца. Модульный характер системы DE-STAR-0 позволяет масштабировать корабль DE-STARLITE до необходимых мощностей и размеров. В частности, пара солнечных панелей диаметром 30 метров способна развивать мощность до мегаватта. Возможные ограничения связаны с дороговизной массива лазеров и пусковых услуг.
На низкую околоземную орбиту (от 160 до двух тысяч километров от поверхности планеты) Atlas V 551 способен доставлять 18,5 тонны (13,2 тысячи долларов за килограмм), SLS Block 1 — 70 тонн (18,7 тысячи долларов за килограмм), Falcon Heavy — 53 тонны (1,9 тысячи долларов за килограмм) и Delta IV Heavy — 28,8 тонны (13 тысяч долларов за килограмм). Диаметр головного обтекателя у ракет — стандартный (пять метров или немного больше), кроме сверхтяжелой и самой дорогой из перечисленных SLS Block 1, у которой он равен 8,4 метра. В базовой конфигурации размеры (4,6 на 12,9 метров в сложенном состоянии) и масса корабля DE-STARLITE подходят под эти параметры.
Корабль DE-STARLITE предполагается запускать при помощи стандартной ракеты-носителя, работающей на жидком топливе, а транспортировку к ПОО осуществлять посредством ионных двигателей, которые также будут задействованы в маневрировании станции вблизи небесного тела. Ученые и инженеры отмечают, что возможности американских и европейских ракет Atlas V 551, Ariane V и Delta IV Heavy, а также строящихся Falcon Heavy и SLS (Space Launch System), позволяют запустить миссию уже сегодня. Российские тяжелые ракеты «Протон-М» и «Ангара-А5» Любин в своей работе не рассматривал. Исследователи оценили стоимость американских пусковых услуг для вывода на орбиту корабля DE-STARLITE.
На направленное разрушение и отклонение траектории астероида типа (99942) Апофис (в диаметре достигающего 325 метров) на расстояние двух земных радиусов может уйти 15 лет при мощности лазерной системы DE-STARLITE в сто киловатт (с коэффициентом полезного действия 35 процентов). Чтобы добиться того же за пять лет, потребуется мощность в 870 киловатт. Впервые обнаруженный в 2003 году ПОО испугал ученых: расчеты показывали высокую вероятность того, что в в 2036 году он столкнется с Землей. Современные данные снизили эту вероятность в сотни тысяч раз.
Предложенный Любином метод работает в случае своевременного обнаружения ПОО, что случается пока крайне редко (особенно при наблюдении наземными средствами). Ежегодно НАСА обнаруживает около 1,5 тысячи околоземных объектов. В настоящее время агентство концентрирует свои усилия на поиске более мелких астероидов диаметром менее 90 метров. В НАСА полагают, что удалось обнаружить примерно 90 процентов небесных тел размерами более 90 метров в поперечнике. Большинство новых околоземных объектов выявляется менее чем за 15 дней до их сближения с Землей. Столкновение крупного астероида с планетой — лишь вопрос времени. Скорее всего, практическую задачу избавления от этой угрозы придется решать следующим поколениям землян. Однако уже сейчас разумно прекратить игру в рулетку и начать принимать какие-то меры для ликвидации астероидно-кометной опасности.