5 Velika pitanja o Starshot tehnologiji nanokrafta

Ruski milijarder Yuri Milner i slavni astrofizičar Stephen Hawking najavili su u utorak svoj plan od 100 milijuna dolara za proučavanje Alpha Centauri, najbližeg zvjezdanog sustava Zemlji (udaljen samo 4,37 svjetlosnih godina). Cilj je, među nekoliko različitih znanstvenih istraživanja, u osnovi pronaći jesu li vanzemaljci u tom šumi šume, ili barem ako postoje planete ili mjeseci u sustavu sposobni podržavati život.

Projekt nazvan Breakthrough Starshot, projekt se sastoji od slanja ultra-laganih letjelica (nazvanih "StarChips") na putu do Alpha Centauri nošene svjetlosnom loptom koju pokreće svjetlosna zraka od 100 gigavata.

Ovo je samo vrh ledenog brijega. Cjelokupni plan dolazi kao ludi genij ili jednostavno lud. Što više iskopavate, sve se više čini da bi plan Milnera i njegove posade mogao biti izvediv.

To je zato što tehnologija koju predlažu nije zapravo daleko od područja mogućnosti. To svakako razgibava maštu, ali je ne razbija. Tehnologiju svjetlosnih signala već testiraju mnoge istraživačke grupe, uključujući i onu koju organizira Bill Nye. Porast CubeSatova kao učinkovitog i jeftinog načina provođenja svemirskih istraživanja doista je pokazao koliko se može postići stvaranjem manjih, lakših svemirskih letjelica. Nanokraftovi koje je nagazio Starshot samo je logičan korak u tom smjeru.

Ipak, postoje mnogo Pitanja koja ostaju o tome kako će to učiniti Milner, Hawking, pa čak i osnivač Facebooka, Mark Zuckerberg (investitor). Evo pet najvećih pitanja o tehnologiji nanokrafta i sustavu lansiranja svjetlosnog snopa - i neke odgovore koji bi mogli pružiti neki uvid.

Svjetlosne zrake kao pogonska tehnologija - objasnite!

Starshotov plan za lansiranje ovih nanočlanih beba ne koristi gorivo i vatru - koristi svjetlo i lasere. Laseri s jakim naporom, fokusirani laseri su već desetljećima izvor intriga za propulzijske inženjere, ali tek nedavno možemo konačno zamisliti korištenje takve tehnologije u nekoliko aplikacija - uključujući pomicanje orbitalnih ostataka izvan putanje kritičnih satelita. Naposljetku, svjetlo je energija sposobna za djelovanje sile na sustav.

To je ključna riječ: zamisliti, Mi zapravo još nismo izgradili lasersku zraku koja može ispaliti drugi objekt u prostor kroz čistu snagu fotona. Znanstvenici rade na hibridnim pogonskim tehnologijama koje će koristiti lasere u kombinaciji s konvencionalnijim metodama, ali ne kao jedini potisni plin.

Možda govorite: "Ali kako onda solarno jedro treba raditi u svemiru?" Tehnologija solarnog jedra poziva na korištenje fotona proizvedenih sunčevim zrakama kako bi pokrenuli jedro (i njegovu svemirsku letjelicu) naprijed. Međutim, jedro stiže u svemir, ipak, raketama.

Starshot tvrdi da bi svjetlosni snop - niz lasera postavljenih u kilometarskoj skali - mogao potencijalno osigurati do 100 gigavata energije snopa zraka. Ne bismo koristili jedan ultra-veliki laser, već mnogo manjih. Možda milijune, ili stotine milijuna.

Može li to biti dovoljna sila da izvuče nanokraftove iz Zemljine atmosfere i gravitacije? Može biti. Milner misli da Starshot ima bolje šanse postavljajući lansirnu rampu na visokoj nadmorskoj visini, poput pustinje Atacama. (Evo četiri sugestije koje smo napravili danas.) Također je dovoljno relativno suho da se smanji vjerojatnost da bi se vodena para mogla nakupiti i stvoriti dodatnu težinu na svemirskoj letjelici ili ometati lasersku silu dok gura svemirsku letjelicu gore.

Ako sve prođe dobro, sonde će biti na putu za Alpha Centauri na 100 milijuna kilometara na sat, i doći do sustava u roku od 20 godina.

Lightsails su super tanke i super delikatne. Kako bi ta stvar trebala preživjeti lansiranje? Kako bi preživio stijene i prašinu koja se vrti oko prostora dvadeset godina?

Svjetlosna svjetiljka napravljena je od ultra-tankog metamaterijala (pojam koji se odnosi na eksperimentalne materijale) dizajniran da pokupi dolazeće fotone iz izvora svjetlosti i koristi ih kao silu pritiska koja se vrši na samom jedru. Kao rezultat, jedro je u stanju kretati se naprijed i čak ubrzavati do mnogo većih brzina.

Kao što sam spomenuo, lightails nisu nove. Bill Nye i Planetarno društvo rade na svjetlosnom projektu koji nastoji dokazati održivost takve tehnologije kao troškovno učinkovit dizajn propulzije svemirske letjelice. NASA pokreće izviđač u blizini Zemlje (NEA Scout) 2018. na brodu Orion za inauguracijsku misiju za Space Launch System, koji će se probiti do obližnjeg asteroida putem proširivog solarnog jedra.

Obje te svjetiljke upadaju u isti problem sudara s međuzvjezdanom prašinom i krhotinama koje bi mogle probiti rupe u jedru i uništiti cijelu stvar. To je prilično različita mogućnost, ali je ograničena s nekoliko razmatranja.

Prvo: prostor je velik, Ima mnogo komadića tvari koji plutaju okolo, ali nije kao na Zemlji gdje su čestice u zraku svugdje gdje se okrećemo. Objekti u svemiru udaljeni su miljama - samo 10 do milijun, ali ipak milja. Mogućnost udaranja u nešto - dok je stvarna - još je relativno udaljena.

Drugo, ova jedra su posebno dizajnirana da ostanu relativno čvrsta u oštećenjima. Uzmite, primjerice, NEA izviđača. NASA je testirala koliko dobro svjetiljka može održati strukturalni integritet čak i ako je tu i tamo pogođena s nekoliko komadića svemirskog otpada. Sve dok ne dođe do katastrofalne ozljede (kao što je, recimo, asteroid veličine Teksasa u svemirsku letjelicu), NEA Scout još uvijek može krenuti naprijed i manevrirati se naredbama NASA-e.

Starshot nanokraftovi moraju se boriti i s tim problemima. Predviđa se da će se njihove svjetlosne oznake protezati na nešto na skali od nekoliko metara, tako da će biti prilično male. Ali oni će biti samo nekoliko stotina atoma debeli i imati masu od oko jednog grama. Dovoljno su mali da bi izbjegli gotovo svaku vrstu nadolazećeg broja objekata koji plutaju oko svemira - ali u nesretnim izgledima koje dobiju, cijela će letjelica vjerojatno biti uništena. I ne znamo gotovo ništa o sadržaju prašine u Alpha Centauriju.

Ali postoji samo jedan veliki problem s kojim se nanocraft mora nositi - ne raspada se tijekom lansiranja svjetlosnog snopa. Očekuje se da će jedro biti pogođeno snopom koji će iznositi oko 60 puta više sunčeve svjetlosti koja pogodi Zemlju u bilo kojem trenutku. Jedro treba ne samo zadržati od taljenja, već i uspjeti ući u svemir bez da ga atmosferske sile istrgnu u komadiće. Procjenjuje se da bi jedan dio od 100.000 lasera bio više nego dovoljan da ispari jedro. To nikada prije nije učinjeno. Ne znamo koliko će testiranja morati provoditi prije nego što ovaj dio bude ispravan.

Kako radi StarChip? Koje podatke treba prikupljati?

Starchips - koji su izgrađeni na skali od jednog grama i koji se mogu uklopiti u dlan ruke - neće biti najmoderniji sustav koji nam pomaže poput rovera Curiosity ili svemirskog teleskopa Kepler. proučavati različite svjetove u prostoru. Bit će vrlo osnovni. Cilj je staviti četiri kamere (svaka po dva megapiksela) na čip koji će omogućiti vrlo elementarno prikazivanje Alpha Centauri i različitih planeta i mjeseca sustava.

Ti će se podaci prenijeti natrag na Zemlju pomoću uvlačive antene dužine metra, ili možda čak pomoću svjetlosne svjetiljke kako bi se olakšala komunikacija temeljena na laseru, koja bi mogla usmjeriti signal natrag prema Zemlji.

To se čini dovoljno standardnim. Što nam zapravo te slike trebaju pokazati?

U tome leži još jedna nepoznanica. Kada astronomi procijene potencijal drugih svjetova da budu useljivi, oni gledaju na mnoštvo različitih podataka, od temperatura planeta, sastava, udaljenosti od zvijezde domaćina, znakova sadašnje atmosfere - i još mnogo toga. Mnoge od ovih stvari mogu se mjeriti samo kroz različite vrste kamera koje mogu vidjeti preko elektromagnetskog spektra. Nanokraftovi bi u ovom trenutku bili pokrenuti na kamerama koje nisu previše slične onome što koristimo na našim pametnim telefonima. To je jedva korisno za stvarno razumijevanje da li planet ili mjesec mogu podnijeti bilo kakav život ili već pokazuju znakove života.

Ipak, kada uzmete u obzir cilj je poslati višestruke male letjelice u udaljeni sustav koji jest višekratnik svjetlosnih godina udaljenih za manje od dva desetljeća, morate negdje smanjiti troškove.

Čak i ako ova stvar preživi put do Alpha Centaurija, kako bi trebalo živjeti dovoljno dugo da prikupi dovoljno korisnih podataka?

Dugovječnost je ključna za projekt Starshot. Nano-brodovi moraju ostati u pogonu već nekoliko desetljeća da bi zaista iskoristili svoj puni istraživački potencijal. U tu svrhu inicijativa Breakthrough predlaže ugrađeni izvor energije temeljen na plutonij-238 ili Americium-241, težine ne više od 150 miligrama.

U osnovi, kako se izotopi plutonija ili Americija raspadaju, napunit će ultra-kondenzator koji uključuje komponente StarChip-a potrebne za snimanje slika i njihovo vraćanje na Zemlju. Termoelektrični izvor energije također se može primijeniti kako bi se iskoristile prednosti prednjih površina nanokraftova koje se povećavaju dok se on počinje približavati atmosferi drugih svjetova.

Također se razmatra fotonaponski sustav - pretvaranje sunčeve svjetlosti u energiju. Jedan prototip solarnog jedra koji je prije šest godina testirao Japan, IKAROS, obojio je površinu svog solarnog jedra fotonaponskim sustavom. To je nepraktično kada nanocraft konačno izlazi iz granica Sunčevog sustava, ali bi mogao biti koristan za to vrijeme da bi se uštedjelo još više energije baterije.

Veliko je pitanje možete li održati takve jeftine materijale održivim tijekom 20 do 50 godina. U idealnom scenariju, vjerojatnije je da će se vjerojatnije dogoditi da će se od svakog nanokrafta očekivati ​​da prikuplja podatke samo za relativno kratak vremenski period - oko nekoliko mjeseci. Ako su Milner i društvo doista spremni na masovnu proizvodnju tih stvari, onda oni ne bi trebali imati problema u slanju gomile u svakom smjeru da istraže koliko god mogu o Alpha Centauri. Očekivati ​​da će svako raditi godinama na kraju je prilično nepraktično ako ne možemo izravno intervenirati i premjestiti njihova kretanja u nove smjerove.

cijena

Milnerov izrazio je cilj učiniti svaki nanokraft o troškovima koji su potrebni za izgradnju iPhonea. Svaka kombinacija SmartChip i lightsail ne bi trebala biti veća od nekoliko stotina dolara - a cilj je nastaviti s dodavanjem boljih tehnologija jer one postaju sve manje i jeftinije tijekom godina.

U stvarnosti, najskuplji (i vjerojatno najmanje izvediv) dio ovog projekta je svjetlosna zraka. Govorimo o 100 gigavata snage na dvije minute kako bi otpustili tu prokletu stvar. Jedan gigavat može napajati 700.000 domova. To je dovoljno za 70.000.000 domova.

To je dovoljno da se zadrži više malih zemalja. To je 100 puta veća količina koju proizvodi tipična nuklearna elektrana. Zapanjujuće je čak i shvatiti kako će prikupiti toliko energije na jednom mjestu kako bi pokrenuli hrpu nanokraftova u svemir.

Ukupni trošak paljenja svjetlosnog snopa bi trebao biti, prema jednom komentatoru na Breakthrough web stranici, 70.000 dolara.

Da, vidjet ćemo o tome …