Американские исследователи намерены научить космические аппараты забирать пробы при помощи лучей света. Новая технология расширит возможности по исследованию космических тел.

Группа физиков из космического центра Годдарда (Goddard Space Flight Center) получила от NASA $100 тысяч на изучение методов удалённого захвата небольших частиц. Причём пойманные пылинки или молекулы должны быть втянуты в космический аппарат или планетоход.

Рис. 1. По замыслу американцев, «силовой луч» можно будет применять для отбора проб на поверхности планет, а также в атмосфере и космосе (иллюстрация Paul Stysley).

В рамках программы инновационных передовых концепций (NASA Innovative Advanced Concepts — NIAC) в центре Годдарда должны построить то, что до недавнего времени было лишь элементом фантастики – «тянущий луч» (Tractor beam).

Рис. 2. Тянущий луч фигурирует во многих фантастических книгах и фильмах, но, пожалуй, наиболее часто и последовательно он применялся в сериале Star Trek (кадры с сайта menreport.com).

Поначалу группа размышляла над технологией перемещения лазером орбитального мусора. Но потом новаторы решили, что крупные объекты таким методом передвигать сложно. К тому же, хотя очевидно, как можно лазером отталкивать предметы (используя световое давление), не понятно — как их притягивать?

Оказывается, если объекты малы (космические пылинки, песчинки, живые клетки), с помощью лазеров их действительно можно тащить к источнику света.

Различные группы физиков давно проводят опыты с так называемыми оптическими ловушками, в которых при помощи лучей удерживаются во взвешенном состоянии или передвигаются отдельные молекулы, вирусы или микрочастицы. Эти опыты послужили отправной точкой в новой работе.

Рис. 3. Группа исследователей, экспертов по лазерам, выигравших грант NASA по теме «тянущего луча» (слева направо): Барри Койл (Barry Coyle), Пол Стисли (Paul Stysley) и Деметриос Поулиос (Demetrios Poulios). Кстати, в программу NIAC 2011 было подано более 700 заявок, но финансирование получили только 30 проектов (фото NASA, Goddard Space Flight Center, Debora McCallum).

Команда определила три различных подхода для транспортировки частиц, гласит пресс-релиз NASA.

В одном случае она предлагает использовать некую вариацию оптических щипцов. Метод предполагает применение встречных пучков волн, формирующих световое кольцо (напоминающее луч-бублик, созданный некогда японцами).

В лабораторных опытах американцы уже показали, что попеременно регулируя интенсивность составляющих такого смешанного пучка, можно нагревать воздух с разных сторон от захваченной частицы, тем самым заставляя её двигаться. Правда, этот способ работает лишь в атмосфере.

Рис. 4. Классический оптический пинцет использует для удержания микроскопических частиц электромагнитное взаимодействие со стороны луча, сфокусированного особым образом, а вовсе не нагрев воздуха вокруг цели, как в варианте центра Годдарда. Какая сила окажется более удобной в управлении – ещё предстоит понять (иллюстрации с сайтов techradar.com, advancedlab.org).

Второй вариант тянущего луча опирается исключительно на электромагнитное взаимодействие, так что годится для любой среды.

Этот метод назван луч-соленоид (solenoid beam). В нём пики интенсивности словно закручиваются спиралью вокруг оси распространения. Первые опыты учёных NASA показали, что

такой световой «винт от мясорубки» способен тянуть мелкие частицы по направлению к источнику излучения.

Третий вариант предполагает использование пучков Бесселя (Bessel beam). Если направить такой луч на экран, можно увидеть яркую центральную точку, окружённую многочисленными кольцами, наподобие кругов на воде. Луч Бесселя обладает рядом интересных свойств, к примеру, он может восстанавливаться «за спиной» у небольшой преграды.

Луч Бесселя может формировать прямо перед объектом и за ним определённый набор электрических и магнитных полей, способных приводить частицы в движение, в том числе в сторону излучателя. (Как это работает, объяснила группа физиков из Китая в своей работе, появившейся в начале 2011 года.)

Рис. 5. Пучок Бесселя, огибающий предмет, способен при ряде условий создать на его поверхности такое распределение интенсивности электромагнитных волн, что возникнет сила, направленная к источнику луча (иллюстрация с сайта wikipedia.org).

Группа из центра Годдарда намерена детально протестировать все три способа создания тянущего луча, отобрать оптимальный и далее уже развивать его.

Заметим, лазер для взятия проб имеется в арсенале американского аппарата Curiosity, который должен стартовать к Марсу в конце ноября. Но там луч лишь испаряет небольшую порцию камня, а состав паров дистанционно определяет спектрометр.

В случае успеха нового проекта луч лазера мог бы засасывать крошечные порции вещества на борт аппарата. Аналогичным способом спутник мог бы брать пробы из верхних слоёв атмосферы прямо с орбиты, или захватывать пылинки из кометного хвоста, пролетая на безопасном расстоянии от небесной странницы, или дистанционно вытягивать песчинки с поверхности астероида.

В отличие от механических пробоотборников тянущий луч мог бы работать длительный период времени без отключения, подчёркивают авторы проекта. Тем самым увеличивалась бы научная ценность миссии, и снижался технический риск.

Но пока этот проект находится лишь в начале пути. Американцам предстоит на практике создать систему, за которую ещё никто не брался.