Астероиды не снабжены предупреждающей табличкой о том, что однажды могут столкнуться с Землёй. Хотя сейчас неизвестно ни об одном объекте, летящем к нашей планете, ежегодно открываются тысячи новых астероидов, и всегда сохраняется вероятность такого события. Эффективность одного из способов противодействия уже подтверждена на практике: миссия DART успешно изменила траекторию небольшого астероида с помощью «кинетического удара» — по сути, массивного стержня, предназначенного для того, чтобы сдвинуть небесное тело с его курса.
Однако у DART был существенный недостаток: аппарат двигался в том же направлении, что и астероид, и приблизился к нему сзади, а удар нанесла отделившаяся часть, запущенная с орбиты вокруг цели. Такой метод может сработать при наличии достаточного запаса времени, но потребует многолетних орбитальных манёвров. Альтернативу предложили исследователи из Университета Бэйхан — использовать солнечный парус нового типа, чтобы отклонить потенциально опасный астероид лобовым ударом.
Эффективность отклонения астероида ударником определяется одним простым фактором — энергией. Чем больше энергии передаётся от ударника астероиду, тем сильнее сместится небесное тело. Преимущество энергии в том, что она растёт пропорционально квадрату скорости: чем быстрее происходит столкновение, тем больше энергии получает цель.
DART врезался в астероид Диморф на скорости около 6 км/с — вполне приличной, но ограниченной тем, что аппарат приближался с попутного направления. Согласно новой работе, ударник на солнечном парусе может атаковать приближающийся астероид с противоположной стороны — подобно водителю, едущему по встречной полосе, — и столкнуться с целью на скорости порядка 100 км/с. Это обеспечивает примерно в 230 раз большую силу на килограмм массы ударника по сравнению с испытанием DART.
Сложность в том, чтобы разогнать аппарат в обратном направлении. Почти всё в Солнечной системе обращается вокруг Солнца против часовой стрелки, включая Землю, поэтому запущенный с нашей планеты зонд уже движется в эту сторону. Разворот и выход на обратную (ретроградную) орбиту требует огромных затрат энергии. Химические ракеты на это неспособны: уравнение Циолковского не позволяет им нести достаточный запас топлива для такого манёвра. А вот солнечные паруса потенциально могут.
Солнечный парус использует давление солнечного излучения — крошечную силу, которую фотон передаёт при столкновении с поверхностью. По сути, такой аппарат плывёт на солнечном свете, не нуждаясь в топливе, как традиционная химическая или ионная ракета. Ещё в 1990-х итальянский инженер Джанкарло Вульпетти понял, что с помощью этой технологии можно вывести парус на так называемую H-обратную траекторию — способ заставить аппарат начать движение по орбите в обратном направлении. Сначала парус работает как тормоз, снижая угловой момент аппарата. Когда тот падает до нуля, в дело вступает гравитация Солнца, увлекая зонд в глубокое погружение к звезде. Но на траектории Вульпетти парус снова включается в момент максимального сближения с Солнцем (перигелия) и выбрасывает аппарат обратно во внешнюю часть системы по ретроградной орбите.
Звучит как блестящее решение, позволяющее ударнику двигаться в нужном направлении и передать астероиду огромную энергию. Проблема лишь в том, что солнечные паруса печально известны своей неуклюжестью. В космосе успешно испытали несколько аппаратов — японский IKAROS и LightSail 2 от Планетарного общества, — но это традиционные паруса, работающие как гигантские зеркала: отражённый свет уходит под тем же углом, под которым пришёл, а тяга всегда перпендикулярна поверхности паруса. Для H-обратной траектории это неидеально: парус приходится наклонять под экстремальным углом к Солнцу, из-за чего он подставляет светилу куда меньшую площадь и резко теряет эффективность. На смену приходит дифракционный солнечный парус. Вместо традиционной отражающей плёнки в его материале используются микроструктурированные оптические решётки, которые отклоняют свет в сторону без поворота самого паруса. Это позволяет удерживать всю его плоскость обращённой к Солнцу даже в перигелии, но направлять всю тягу в боковое движение. Такой подход значительно упрощает управление ориентацией и всё же даёт мощный импульс, необходимый для выполнения сложного орбитального манёвра.
Исследователи смоделировали несколько конфигураций солнечного паруса для H-обратной траектории и выяснили, что явным победителем стали дифракционные паруса отражательного типа. В их симуляциях только этот вариант не падал на Солнце и не выбрасывался на траекторию за пределы Солнечной системы. Но подбор нужного типа паруса был лишь первым шагом: вторая симуляция показала, что может произойти с другим известным астероидом — Апофисом. Это 340-метровое небесное тело 13 апреля 2029 года пройдёт на расстоянии 38 000 км от Земли. Хотя сам по себе этот пролёт не требует отклонения, учёные решили проверить, что можно сделать с этим хорошо изученным астероидом. Они смоделировали дифракционно-отражательный парус в двух конфигурациях: с постоянным углом дифракции и с возможностью переключаться между умеренным углом при погружении к Солнцу и увеличением почти до 90 градусов вблизи перигелия. Обе версии смогли доставить ударник со скоростью 100 км/с прямо к Апофису примерно за 200–300 дней с момента запуска. Это почти на год сокращает время миссии по сравнению со стандартным отражающим солнечным парусом — разница, которая может стать решающей между отклонением и столкновением.
Хотелось бы, чтобы эта технология никогда не понадобилась для отклонения потенциально опасного астероида. Но рано или поздно такая угроза возникнет. Осознание того, что метод способен передать в сотни раз больше энергии, чем уже проверенные удары по попутным орбитам, внушает надежду: по крайней мере, у человечества появляется ещё один инструмент для борьбы с подобными опасностями, даже если чудом им никогда не придётся воспользоваться.