5 wielkich pytań na temat technologii nanokraftów Starshot

We wtorek rosyjski miliarder Jurij Milner i słynny astrofizyk Stephen Hawking ogłosili swój plan wart 100 milionów dolarów, aby zbadać Alpha Centauri, najbliższy system gwiezdny na Ziemię (w odległości zaledwie 4,37 lat świetlnych). Celem, pośród kilku różnych badań naukowych, jest w zasadzie stwierdzenie, czy kosmici istnieją na tej szyi lasu, a przynajmniej, czy istnieją jakieś planety lub księżyce w systemie zdolnym do podtrzymywania życia.

Projekt ten, zwany Breakthrough Starshot, polega na wysłaniu ultralekkiego statku kosmicznego (zwanego „StarChips”) w drodze do Alfa Centauri, noszonego przez latarnię morską napędzaną wiązką światła o mocy 100 gigawatów.

To tylko wierzchołek góry lodowej. Cały plan wychodzi albo jako szalony geniusz, albo po prostu szalony. Jednak im więcej się zagłębiasz, tym bardziej wydaje się, że plan Milnera i jego załogi może być wykonalny.

Dzieje się tak dlatego, że proponowana przez nich technologia nie jest w rzeczywistości daleko od rzeczywistości. Z pewnością rozciąga wyobraźnię, ale to nie przerywa. Technologia latarni jest już testowana przez kilka grup badawczych, w tym jedną zorganizowaną przez Billa Nye. Rozwój CubeSats jako wydajnego i niedrogiego sposobu prowadzenia badań kosmicznych naprawdę pokazał, jak wiele można zyskać, tworząc mniejszy, lżejszy statek kosmiczny. Nanokraft, rozbity przez Starshota, to tylko logiczny krok w tym kierunku.

Mimo to są dużo pytań dotyczących tego, jak piekło Milner, Hawking, a nawet założyciel Facebooka Mark Zuckerberg (inwestor) zamierzają to zrobić. Oto pięć największych pytań na temat technologii nanokraftów i systemu uruchamiania wiązki światła - oraz kilka odpowiedzi, które mogą dostarczyć pewnych informacji.

Wiązki światła jako technologia napędu - proszę wyjaśnić!

Plan Starshota dotyczący uruchomienia tych dzieci nanokraftów nie wykorzystuje paliwa i ognia - wykorzystuje światło i lasery. Mocne, skupione lasery są źródłem intryg dla inżynierów napędowych już od dziesięcioleci, ale dopiero niedawno możemy sobie wyobrazić zastosowanie takiej technologii w kilku zastosowaniach - w tym przemieszczanie gruzu orbitalnego ze ścieżki krytycznych satelitów. Wszakże światło jest energią zdolną do wywierania siły na system.

Oto kluczowe słowo: pojąć. Musimy jeszcze zbudować wiązkę laserową, która może wystrzelić inny obiekt w przestrzeń dzięki zwykłej sile fotonów. Naukowcy pracują nad hybrydowymi technologiami napędu, które wykorzystują lasery w połączeniu z bardziej konwencjonalnymi metodami, ale nie jako jedynym paliwem.

Być może mówisz: „ale w jaki sposób żagiel słoneczny ma działać w kosmosie?” Cóż, technologia żagli słonecznych wymaga użycia fotonów wytwarzanych przez promienie słoneczne do napędzania żagla (i jego statku kosmicznego) do przodu. Żagiel trafia jednak w kosmos w sposób wymyślony: rakiety.

Starshot twierdzi, że lekki rzutnik - zestaw laserów rozmieszczonych w skali kilometrowej - mógłby potencjalnie dostarczyć do 100 gigawatów promiennej energii. Nie korzystalibyśmy z jednego ultra-dużego lasera, ale z wielu mniejszych. Może miliony lub setki milionów.

Czy to może być wystarczająca siła, aby wyprowadzić nanowłókna z atmosfery Ziemi i przyciągania grawitacyjnego? Może. Milner uważa, że ​​Starshot ma większe szanse, ustawiając platformę startową na dużej wysokości, na przykład na pustyni Atacama. (Oto cztery sugestie, które przedstawiliśmy dzisiaj.) Jest także wystarczająco sucha, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo gromadzenia się pary wodnej i zwiększyć ciężar statku kosmicznego lub utrudnić działanie lasera, gdy wypycha on statek kosmiczny.

Jeśli wszystko pójdzie dobrze, sondy będą w drodze do Alfa Centauri z prędkością 100 milionów mil na godzinę i dotrą do systemu w ciągu 20 lat.

Lightsails są super cienkie i bardzo delikatne. Jak to ma przetrwać start? Jak ma przetrwać skały i pył wirujący wokół przestrzeni przez dwadzieścia lat?

Żarówka jest wykonana z ultracienkiego „metamateriału (termin„ catchall ”, który odnosi się do materiałów eksperymentalnych) przeznaczonego do wychwytywania nadchodzących fotonów ze źródła światła i wykorzystywania ich jako siły nacisku wywieranej na sam żagiel. W rezultacie żagiel jest w stanie poruszać się do przodu, a nawet przyspieszać do znacznie większych prędkości.

Jak wspomniałem, latarnie nie są nowe. Bill Nye i Planetary Society pracują nad projektem latarni morskiej, który ma na celu udowodnienie opłacalności takiej technologii jako opłacalnego projektu napędu kosmicznego. NASA wypuszcza na Ziemię Zwiadowcę Asteroid Blisko Ziemi (NEA Scout) w 2018 roku Orion za misję inauguracyjną systemu startu kosmicznego, który dotrze do pobliskiej asteroidy przez rozszerzalny żagiel słoneczny.

Oba te latarnie natrafiają na ten sam problem zderzenia z pyłem międzygwiezdnym i gruzami, które mogłyby dziurawić żagiel i wykoleić całą rzecz. To dość wyraźna możliwość, ale jest ograniczona przez kilka czynników.

Po pierwsze: przestrzeń jest duży. Wokół pływa wiele kawałków materii, ale nie jest tak, jak tutaj na Ziemi, gdzie cząsteczki w powietrzu są wszędzie, gdzie się obracamy. Obiekty w kosmosie są odległe o milę - nawet o 10 do nawet milionów, ale mimo to mile. Możliwość trafienia czegoś - choć rzeczywistego - jest wciąż stosunkowo odległa.

Po drugie, żagle te zostały specjalnie zaprojektowane, aby pozostały względnie trwałe pod wpływem uszkodzeń. Weźmy na przykład Skauta NEA. NASA przetestowała, jak dobrze latarnia świetlna może utrzymać strukturalną integralność, nawet jeśli trafi się tam kilka kawałków kosmicznego śmieci. Tak długo, jak nie ma katastrofalnego urazu (jak np. Asteroida wielkości Teksasu wlatującego w statek kosmiczny), Zwiadowca NEA może nadal poruszać się naprzód i manewrować na rozkazach NASA.

Nanokompozyty Starshot muszą również zmagać się z tymi problemami. Przewiduje się, że ich latarnie rozciągną się do czegoś w skali kilku metrów, więc będą całkiem małe. Ale będą miały zaledwie kilkaset atomów grubości i masę około jednego grama. Są wystarczająco małe, aby uniknąć niemal każdej nadchodzącej liczby obiektów unoszących się w przestrzeni - ale w pechowym przypadku trafią, cały statek prawdopodobnie zostanie zniszczony. I prawie nic nie wiemy o zawartości pyłu w Alpha Centauri.

Ale jest jeden wielki problem, z którym musi sobie poradzić sam nanokraft - nie rozpadnie się podczas startu wiązki światła. Oczekuje się, że żagiel zostanie trafiony przez promień, który będzie wynosił około 60 razy światło słoneczne, które uderza w Ziemię w danym momencie. Żagiel musi nie tylko nie topić się, ale także dostać się w przestrzeń bez rozerwania na strzępy przez siły atmosferyczne. Szacuje się, że jedna część na 100 000 lasera wystarczyłaby do odparowania żagla. Nigdy wcześniej tego nie robiono. Nie wiadomo, ile testów będzie musiał wykonać projekt Starshot, zanim ta część będzie dobrze przygotowana.

Jak działa StarChip? Jakie dane mają gromadzić?

StarChips - budowane na skalę jednego grama i mieszczące się w dłoni - nie będą najnowocześniejszym systemem, w którym pomagają nam takie rzeczy jak łazik Curiosity czy Kosmiczny Teleskop Keplera studiować różne światy w kosmosie. Będą bardzo proste. Celem jest przyklejenie czterech chipów (po dwa megapiksele) na chipie, co pozwoli na bardzo elementarne obrazowanie Alpha Centauri oraz różnych planet i księżyców systemu.

Dane te będą przesyłane z powrotem na Ziemię za pomocą wysuwanej anteny o długości metrowej, a może nawet za pomocą latarni, aby ułatwić komunikację laserową, która może skupić sygnał z powrotem w kierunku Ziemi.

To wydaje się dość standardowe. Co dokładnie mają nam pokazać te obrazy?

W tym leży inna nieznana. Kiedy astronomowie oceniają potencjał innych światów do zamieszkania, przyglądają się mnóstwu różnych danych, począwszy od temperatur planety, składu, odległości od gwiazdy macierzystej, znaków obecnej atmosfery - i wielu innych. Wiele z tych rzeczy można zmierzyć tylko za pomocą różnych typów kamer, które mogą widzieć w całym spektrum elektromagnetycznym. Nanoprojekty w tym momencie byłyby uruchamiane na aparatach niezbyt podobnych do tych, które stosujemy na naszych smartfonach. To prawie nie pomaga w zrozumieniu, czy planeta lub księżyc mogą podtrzymywać jakiekolwiek życie, czy już przejawiają oznaki życia.

Mimo to, kiedy rozważasz, celem jest wysłanie wielu małych statków kosmicznych do odległego systemu wielokrotność w odległości lat świetlnych za dwie dekady trzeba gdzieś obniżyć koszty.

Nawet jeśli ta rzecz przetrwa podróż do Alpha Centauri, jak to ma żyć wystarczająco długo, aby zebrać wystarczającą ilość przydatnych danych?

Długowieczność jest kluczowa dla projektu Starshot. Nanokraft musi pozostać zasilany przez kilka dziesięcioleci, aby naprawdę wykorzystać swój pełny potencjał badawczy. W tym celu inicjatywa „Przełom” proponuje pokładowe źródło energii oparte na plutonie-238 lub Americium-241, ważące nie więcej niż 150 miligramów.

Zasadniczo, gdy rozpada się izotop plutonu lub amonu, naładuje on ultra-kondensator, który włącza komponenty StarChip niezbędne do przyciągania zdjęć i przesyłania ich z powrotem na Ziemię. Można również zastosować termoelektryczne źródło energii, aby wykorzystać wzrost temperatury powierzchni czołowej nanokraftów w miarę zbliżania się do atmosfery innych światów.

Rozważana jest również fotowoltaika - przekształcanie światła słonecznego w energię. Jeden prototyp żagla słonecznego, który został przetestowany przez Japonię około sześciu lat temu, IKAROS, pomalował powierzchnię swojego żagla słonecznego fotowoltaiką. Jest to niepraktyczne, gdy nanokraft w końcu wydostaje się poza granice układu słonecznego, ale może być przydatny w tym czasie, aby zaoszczędzić jeszcze więcej energii akumulatora.

Pytanie brzmi: czy można utrzymać takie niedrogie materiały w ciągu 20 do 50 lat. W idealnym scenariuszu prawdopodobnie bardziej prawdopodobne jest, że każdy nanokraft będzie musiał gromadzić dane tylko przez stosunkowo krótki okres - około kilku miesięcy. Jeśli Milner i firma są naprawdę nastawieni na masową produkcję tych rzeczy, to nie powinni mieć problemu z wysłaniem grupy w każdym kierunku, aby zbadać jak najwięcej o Alpha Centauri. Oczekiwanie, że każdy będzie działał przez lata, jest całkiem niepraktyczne, jeśli nie możemy bezpośrednio interweniować i zmieniać swoich ruchów w nowych kierunkach.

Koszt

Wyrażonym celem Milnera jest stworzenie każdej nanokraftów na temat kosztów, które trzeba ponieść, aby zbudować iPhone'a. Każde połączenie SmartChip i lightail nie powinno przekraczać kilkuset dolarów - a celem jest dalsze dodawanie lepszych technologii, ponieważ stają się one coraz mniej kosztowne na przestrzeni lat.

W rzeczywistości najdroższą (i prawdopodobnie najmniej wykonalną) częścią tego projektu jest wiązka światła. Mówimy o 100 gigawatach mocy przez dwie minuty, aby strzelać do tej cholernej rzeczy. Pojedynczy gigawat może zasilić 700 000 domów. To wystarczy dla 70 000 000 domów.

To wystarczy, by utrzymać wiele małych krajów. To 100 razy więcej niż typowa elektrownia jądrowa. Trudno sobie nawet wyobrazić, w jaki sposób zgromadzą tyle energii w jednym miejscu, by wypuścić w przestrzeń kilka nanokraftów.

Według jednego z komentatorów strony Breakthrough całkowity koszt jednego strzelania światłem może wynosić 70 000 USD.

Tak, zobaczymy o tym …