©  Фото JAXA

Крохотные жидкие вулканы, выбрасывающие пучки заряженных частиц, способны стать в следующем году важным событием в истории освоения космоса.

Это одна из двух технологий, претендующих на то, чтобы стать первой в области запусков миниатюрных космических аппаратов, получивших название малые кубические спутники (CubeSats). В таком случае они получат возможность летать в строю, менять свои орбиты или отправляться к другим планетам, то есть делать такие вещи, которые обычно отводятся большим и дорогим аппаратам. Они будут даже способны предоставить нам услуги глобальной системы Wi-Fi связи на Земле.

Пауло Лозано (Paulo Lozano) возглавляет команду специалистов, работающих над созданием двигательной установки для малых спутников кубического формата в Массачусетском технологическом институте. Он уже получил добро на запуск двух оснащенных собственными двигателями малых кубических спутников в 2014 году – один из них был профинансирован Министерством обороны США, а другой — частными донорами. Тем временем сотрудник расположенного в Энн Арборе Мичиганского университета Бенджамин Лонгмайер (Benjamin Longmier), возглавляющий конкурирующий проект, объявил о том, что его команда также получает частное финансирование, и, кроме того, ей было предоставлено место для запуска своего малого спутника на ракете НАСА в следующем году. Гонка началась.

Малые спутники собираются из уже имеющихся компонентов. Первоначально цель их создания состояла в том, чтобы получить более легкий и более дешевый доступ в космос.

Каждый из малых спутников весит примерно килограмм, его размеры составляют 10х10х10 сантиметров, и в нем могут быть размещены такие компоненты, как сенсоры и камеры. Обычно они выводятся на низкую околоземную орбиту ракетой и остаются там около 6 месяцев, а затем по спирали начинают снижение и сгорают в атмосфере Земли. Хотя они сделали космос доступным тем группам исследователей, которые в противном случае не смогли бы себе этого позволить (недавно такую работу выполнила группа школьников старших классов), до последнего времени малые спутники не были связаны с самыми передовыми направлениями в науке. «Они рассматривались как игрушки», — подчеркивает Лозано.

Некоторые малые кубические спутники имеют самую простую систему управления, но переведение их на другую орбиту, не говоря уже о полетах к другим планетарным объектам, требует использования новых технологий. Объясняется это тем, что даже сегодня наиболее эффективную энергетическую установку — ионный двигатель (ion engine) — нельзя уменьшить до размеров, подходящих для малых спутников.

Вместо этого Лозано и его коллеги собираются обеспечивать движение своих аппаратов с помощью необычной субстанции, получившей название ионная жидкость и состоящей исключительно из позитивно или негативно заряженных ионов. Внутри двигателя ионная жидкость всасывается в пористый металл и образует крохотные капли на остроконечных выступах его пористой поверхности. При возникновении небольшого электрического поля эти капли приобретают форму конусов, усиливающих электрическое поле таким образом, что оно получает возможность вытолкнуть ионы в виде устойчивого пучка.

Это самоподдерживающийся процесс. Новая жидкость проникает в пористом металле при испускании ионов, и все это похоже на то, как корни дерева всасывают воду в тот момент, когда влага испаряется с листьев. В результате образуется скопление от 500 до 5000 сфокусированных пучков ионов, которые выбрасываются из каждого из восьми металлических модулей малого кубического спутника в момент активирования электрического поля — сила его напряжения используется как дроссельная заслонка в двигателе.

Команда Лозано провела запуски подобного двигателя в лаборатории и подсчитала, что 8 граммов ионной жидкости будет достаточно для обеспечения движение 2-килограммового малого кубического спутника, а также изменения его орбиты на 100 километров. В конечном итоге цель состоит в получении возможности направить такого рода спутник на астероид для сбора образцов космической пыли.

Конкуренция в этой области разворачивается весьма жесткая. У Лонгмайера и его команды есть альтернативный план двигателя. Созданный ими Амбиполярный спутниковый микродвигатель (CubeSat Ambipolar Thruster — CAT) использует ксенон, как и традиционные ионные двигатели. Различие состоит в том, что в ксеноновых установках добавляется интенсивное и тщательно выстроенное магнитное поле, не позволяющее ионам ксенона ударяться о стенки двигателя и расходовать впустую энергию. Наличие в установке постоянного магнита означает, что не нужно никакой дополнительной энергии для образования этого поля. Говорят, что будущие варианты двигателя смогут также использовать воду вместо ксенона, и поэтому их заправка будет облегчена.

Команда Лонгмайера начала свою первую кампанию краудфандинга в июле на веб-сайте Kickstarter. Хотя им не удалось собрать запланированных 200 000 долларов, на их обращение отреагировал частный донор, предложивший заплатить за технологию и запустить в следующем году спутник с помощью принадлежащей НАСА ракеты. Члены команды надеются на то, что их способные самостоятельно двигаться малые кубические спутники в один прекрасный день смогут направиться к спутнику Сатурна Энцеладу и к спутнику Юпитера Европе – на них обоих имеется вода и, возможно, жизнь. Целый флот снабженных собственными двигателями малогабаритных спутников на орбите какой-нибудь планеты или ее спутника может выполнить большое количество задач, недоступных большим спутникам, в том числе речь идет об одновременном мониторинге нескольких мест в атмосфере.

Обладающие собственными двигателями малые спутники могут оказаться полезными и здесь, на Земле. Создание глобальной системы «спутникового Wi-Fi» по типу уже существующей спутниковой телефонной связи потребовало бы тысячи больших аппаратов, что недопустимо дорого. Но вы можете сбросить тысячу малых кубических спутников в одном месте, а затем направить их в нужные точки, и на все нужно будет потратить лишь небольшую часть обычного в таком случае бюджета.

Команда Лонгмайера уже запустила вторую кампанию на веб-сайте Kickstarter, которая, возможно, позволит профинансировать некоторые дополнения, в том числе установку камеры. Независимо от результата, эта команда уже располагает достаточным количеством средств для того, чтобы запустить в космос малый кубический спутник и управлять его движением. «Возможно, мы имеем здесь дело с небольшой космической гонкой», — отметил Лонгмайер.