Зеркальные ловушки для энергичных гостей

В НИИ ядерной физики им. В.Д. Скобельцына готовятся к очередному эксперименту по изучению космических частиц.
Фото Дениса Тамаровского (НГ-фото)

Есть такое направление в изобразительном искусстве – фантастическая живопись. Еще в те времена, когда годовая подписка на «Технику – молодежи» стоила 3 рубля 60 копеек, на страницах этого журнала публиковались репродукции ярких, захватывающе-таинственных картин. В обширном реестре художников-фантастов достойное место занимает имя Олега Сапрыкина. Но когда, услышав о проектах консорциума «Космическая регата», я шел на встречу с заместителем технического руководителя консорциума, кандидатом технических наук Олегом Алексеевичем Сапрыкиным, это имя не вызвало никаких ассоциаций с известным художником. Ясность пришла позже, когда в руках ученого стала разворачиваться модель удивительно изящной и гармоничной конструкции космического зеркала...

Пришельцы из дальнего космоса

Давно известно, что Земля постоянно бомбардируется космическими лучами. Эти частицы высоких энергий приходят в земную атмосферу из мирового пространства. Небольшая часть космических лучей связана с активностью Солнца и лучше других изучена. Подавляющая масса лучей прилетает из центральных областей нашей Галактики. Энергия их не превышает величины порядка 1018 электрон-вольт (эВ). На 90% это протоны, остальные – альфа-частицы и другие атомные ядра. Но есть и космические лучи более высоких энергий, до 1020 и выше.

Первичные космические лучи огромных энергий, пролетевшие за миллионы лет многие миллиарды километров пространства, ускоренные магнитными полями пульсаров, врываясь в нашу атмосферу, взаимодействуют с ее атомными ядрами и порождают целые каскады вторичных частиц – широкие атмосферные ливни (ШАЛ). Вторичные частицы интересны тем, что по их характеристикам можно определить параметры первичных частиц.

Наиболее актуально для астрофизики и космогонии происхождение космических лучей предельно высоких энергий (КЛ ПВЭ), достигающих величины 1020 эВ и более. Только вот прилетают они к нам чрезвычайно редко. Впервые частица с энергией около 1020 эВ была зафиксирована в 1963 году. А частицы с энергией свыше 1020 эВ регистрируются, согласно статистике, примерно раз в год. И хотя в мире действует целый ряд специальных установок ШАЛ (в России, США, Англии, Австралии), за 30 лет наблюдений ими было «поймано» всего несколько таких «сверхэнергичных» частиц.

Существующие стационарные установки, состоящие из множества зеркальных концентраторов и фотоприемников, занимают целые поля. Их эффективные площади, характеризующие величину обзора, составляют от 15 до 60 кв. км. После того как в Японии была создана установка Акено-АГАСА площадью 100 кв. км, только за последние 10 лет на ней, как говорят специалисты, «зарегистрировано 15 событий с энергией частиц выше 1020 эВ».

Эти редкие гости загадывают исследователям сложные загадки. Откуда они берутся? По всем данным, источники «сверхэнергичных» частиц находятся от Земли на расстоянии не более 50 мегапарсек. Но выясняется, что в этих пределах Галактика и Супергалактика не содержат астрофизических объектов, способных породить или ускорить частицы таких энергий.

Но не могут же совершенно реальные частицы, да еще сверхвысоких энергий, приходить к нам – страшно сказать – ниоткуда? Высказывается, например, предположение, что даже первичные частицы самых больших энергий на самом деле тоже вторичны, подобно ШАЛ в атмосфере Земли. Они, возможно, возникли в результате распада фундаментальных сверхтяжелых частиц. Эти гипотетические частицы, по мнению некоторых авторов, имеют непосредственное отношение к «темной материи», содержащейся во всех галактиках. А поскольку сама «темная материя» – пока еще дело темное, то дальнейшее изучение КЛ ПВЭ дает уникальный шанс для проверки основ современной космологии и теории элементарных частиц.

Из пустынь – на околоземные орбиты!

Для основательного исследования «сверхэнергичных» космических лучей необходимы и сверхновые установки ШАЛ. Они должны иметь эффективную площадь до 10 тыс. кв. км – миллион гектаров! – и быть расположены в пустынных районах Земли. Однако возникает закономерный вопрос – а нельзя ли наблюдать космические частицы (их треки в атмосфере) непосредственно из космоса – на околоземной орбите?

Оказывается, наблюдение со спутника флуоресцирующих в атмосфере вспышек и треков ШАЛ возможно. Оценки показывают, что оптический детектор с диаметром зеркала около 10 метров вполне может регистрировать КЛ ПВЭ энергии 1019 эВ и больше с высоты 400 км на ночной стороне Земли. Это как раз соответствует возможностям пустынной установки ШАЛ площадью 10 тыс. кв. км. А поднимая орбиту и увеличивая диаметр камеры, можно увеличить площадь наблюдения частиц с энергией 1021 эВ до предельной величины, равной площади земного диска – почти 130 млн. кв. км.

Исходя из этого, директор НИИ ядерной физики М.И. Панасюк и профессор Б.А. Хренов сочли космический вариант вполне реальным. Главное здесь – создание крупногабаритного зеркала космического телескопа. Именно такая задача была поставлена перед коллективом консорциума «Космическая регата».

Современные головные обтекатели ракет позволяют выводить на орбиту полезные грузы диаметром до 4, от силы 6 метров. А нужно вывести 10-метровое зеркало. Что делать?

Рассматривалось несколько вариантов. Был большой соблазн использовать одну из пленочных разворачиваемых конструкций. Такой пленочно-зеркальный «зонтик», размещенный на невысокой орбите, хорош для ночного освещения – будет светить ярче полной Луны!

Однако пленка – не стекло и не металл. Во-первых, на ней сложно обеспечить высокие оптические свойства, а во-вторых, при ее раскрытии в космосе практически невозможно избежать образования складок, что для оптики обсуждаемой задачи недопустимо. Никаких деформаций – зеркало должно быть жестким!

Совместная группа НИИ ЯФ и консорциума «Космическая регата» нашла свое оригинальное решение.

Составная линза Френеля, или «зеркало Френеля», вызывает в памяти оптическое оружие, которое применил Архимед в борьбе с римским флотом. Гениальный сиракузец, вооружив отряд воинов зеркально отполированными плоскими щитами, выстроил их на берегу таким образом, что их щиты образовали огромное вогнутое зеркало. Солнечные лучи, сконцентрированные в его фокусе, легко поджигали паруса и просмоленные борта римских трирем.

Форма для сегментов составного зеркала была позаимствована у живой природы. Это не что иное, как равносторонний шестиугольник. Такая конструкция называется сотовой. Каждый сегмент зеркала выполнен из разработанного в СКТБ «Луч» специального углепластика, покрыт чистым алюминием и прозрачной защитной пленкой. На поверхностях элементов зеркала созданы отражающие кольца, концентрирующие световые лучи в точку, благодаря чему плоское зеркало работает подобно параболическому.

Но выбрать материал и форму сегментов зеркала – это еще не все. Надо сделать так, чтобы все сегменты образовывали на орбите монолитно-жесткую конструкцию. И еще эта конструкция должна занимать мало места при запуске, но как можно больше – в космосе. Вот здесь-то и сыграла свою роль шестиугольная форма сегментов.

Когда Олег Сапрыкин показал мне маленькую модель изделия, выполненную из плотной бумаги, вспомнились слова А.Н. Туполева о том, что только красивая конструкция работает лучшим образом. Небольшая стопка шестиугольников стала в руках конструктора разворачиваться, быстро наращивая свою площадь. Стало ясно, что: 1) в натуре эта конструкция не ограничится десятком квадратных метров; 2) такое техническое решение могло явиться на свет только при участии настоящего художника. А еще Сапрыкин показал оригинальный магнитный замок, жестко скрепляющий воедино соседние сегменты, превращая конструкцию практически в монолит.

«Космическая регата»: курс – на Марс!

Оказывается, такой отражатель может работать на базе грузового корабля «Прогресс», где он складывается из 37 зеркальных элементов. Пригодится он и в качестве концентратора солнечного излучения в составе солнечной газотурбинной установки (СГТУ) на космических кораблях различного назначения. Космические зеркала системы Сапрыкина со товарищи найдут, возможно, свое место в энергоустановках марсианских пилотируемых комплексов.

А пока эта редкостно красивая конструкция создается в рамках проекта «КЛ ПВЭ-ТУС». Конечная цель – создание оптического телескопа с площадью зеркала-концентратора более 100 кв. м для работы на орбите высотой 400–600 км. Площадь обзора – 10 тысяч кв. км. Работая на геостационарной орбите, телескоп с таким зеркалом будет охватывать площадь уже в 10 млн. кв. км. Проект включен в федеральную космическую программу России.