В рамках программы инновационных технологий NIAC предложена концепция космического корабля, который мог бы за разумное время в несколько десятилетий долететь до ближайших звёзд, в частности, исследовать планету в звёздной системе Проксима Центавра на расстоянии 4 световых лет. Корабль должен разгоняться до околосветовых скоростей при помощи сфокусированного луча лазера с Земли.
Проксима Центавра — самая ближняя к Солнечной системе звезда. Недавно было подтверждено существование в её зоне обитаемости по крайней мере одной экзопланеты, похожей на Землю. Расстояние до звезды около 4 световых лет, и в обозримом будущем может возникнуть вопрос об отправке туда космического зонда.
Обычные реактивные системы для этой задачи не годятся. Здесь вступает в действие самое главное ограничение межзвёздных перелётов: чтобы разогнать звездолёт до нужной скорости, необходимо разместить на нём количество топлива, которое будет больше суммарной массы корабля. Также не подходит решение в виде солнечного паруса: на значительных расстояниях от Солнца, скажем, вблизи границ Солнечной системы, тяга от солнечного ветра будет ничтожной. Существуют другие решения, например, ионные двигатели или двигатели на ядерной энергии. Они подпадают под то же ограничение, что и реактивная тяга: «основное уравнение ракетной техники» указывает, что чем большей скорости мы хотим добиться, тем больше топлива нужно взять на борт; а чем больше топлива на корабле, тем сложнее его разогнать до значительной скорости…
В этих непреодолимых ограничениях природы есть только одна лазейка: можно «подталкивать» космический корабль извне, реально — только с Земли. Например, создать мощный направленный пучок лазера, который будет улавливать приёмник на корабле, тем самым создавая импульс для разгона. Такой способ разгона в теории может работать всё время, пока станция движется к месту назначения. В таких системах можно использовать два типа лучей — поток частиц и собственно световой луч. Но основное ограничение, которое ставит крест и на такой концепции — рассеяние.
И пучок частиц, и световой луч невозможно сфокусировать в точку на больших расстояниях — они неизбежно будут рассеиваться. А если объект находится на расстоянии нескольких световых лет, энергия от пучка лазера будет рассеяна по огромному пятну, и на долю корабля не останется почти ничего. Сделать «прожектор» настолько мощным, чтобы в таких условиях размазанного на миллионы километров пятна энергии хватило бы ещё на разгон аппарата, никому не под силу — вероятно, для этого будет недостаточно всей мощности, производимой на Земле. Но можно использовать некоторые идеи из области нелинейного взаимодействия света с веществом и попробовать сфокусировать пучок на удаляющемся корабле.
В теоретической оптике известен механизм, который позволяет добиться самофокусирования пучка, то есть его распространения без уширения пятна. Для этого используется комбинированный пучок, в котором перемещаются и заряженные частицы, и электромагнитная волна. При этом взаимодействие частиц и света внутри пучка приводит к эффекту связывания: частицы и фотоны распространяются в вакууме практически без рассеивания. Можно сказать, что поток частиц для электромагнитной волны, например, для луча лазера, работает как волновод, не позволяя ему уширяться. Если использовать этот эффект, можно (как полагают авторы) создать такую «лазерную указку» в виде луча света в потоке частиц, которая на расстояниях даже порядка светового года будет нацелена на наш объект с минимальным размыванием «светового зайчика». Эффект связывания пучка частиц и лазерного луча исследовали ещё с 1960-х годов, причём одни из первых работ в этом направлении были опубликованы в ЖЭТФ («Журнале экспериментальной и теоретической физики») — тогда сотрудник ФИАНа Г.Аскарьян предсказал явление самофокусировки светового пучка. Если бы всё было так просто, то на основе этого эффекта нелинейной оптики можно бы было создать передатчик оптической энергии на большие расстояния. Как обычно бывает, реализации чуда прямо здесь и сейчас мешают технические ограничения. Для их хотя бы частичного преодоления со времени работ 1960-х годов прошло несколько десятков лет.
Механизмы нелинейного взаимодействия света и вещества и, как следствие, возможность самофокусировки такого комбинированного пучка уже неплохо изучены, и даже находят некоторое применение (например, в фемтосекундных лазерах). Остаётся масштабировать эффект для создания лазера, который толкал бы с Земли межзвёздный космический аппарат (если в будущем не появится фундаментальных ограничений этой технологии). Проект под названием PROCSIMA — очередная концепция, которую разрабатывают в рамках инновационной программы NIAC (NASA’s Institute for Advanced Concepts), в которой предлагается способ разгона космического аппарата при помощи такого сфокусированного лазера.
Согласно представленным вычислениям, когерентного сфокусированного пучка света должно хватить вплоть до Проксимы Центавра b, причём на таком расстоянии зайчик лазерного луча расширится всего до 10 метров. Разумеется, в теории. Далее, расчёты показывают, что зонд весом 5 граммов можно разогнать до 10% скорости света, таким образом, он долетит до планеты за 43 года. 5 грамм — реальная масса микрозонда, например, такого, который разрабатывают в рамках проектов Breakthrough Initiatives. Если повторить расчёты уже для более интересной массы 1 килограмм, оказывается, что зонд такого размера мог бы достичь Проксимы Центавра всего за 57 лет. Запуск килограммового спутника уже открывает возможности загрузить на него какие-нибудь весьма интересные научные инструменты. Но зонд пролетит мимо звезды и её планетной системы на скорости, всего в несколько раз меньшей скорости света, и вопрос о том, можно ли его хоть как-то затормозить на подлёте, пока не стоит. Полностью с результатами исследований в рамках проекта NIAC можно ознакомиться в официальном отчёте фазы I.