5 Velika vprašanja o tehnologiji nanodelavcev Starshot

V torek je ruski milijarder Jurij Milner in slovita astrofizika Stephen Hawking napovedala svoj načrt za 100 milijonov dolarjev za preučevanje Alpha Centauri, najbližje zvezde na Zemlji (oddaljena le 4,37 svetlobnih let). Cilj, med več različnimi znanstvenimi raziskavami, je v bistvu ugotoviti, ali tujci obstajajo v tistem vratu gozda, ali vsaj, če obstajajo planeti ali lune v sistemu, ki lahko podpirajo življenje.

Projekt, imenovan Breakthrough Starshot, je sestavljen iz pošiljanja ultra lahkih vesoljskih plovil (imenovanih »StarChips«) na poti v Alpha Centauri, ki jih prenaša luči, ki jih poganja 100 gigavatni svetlobni žarek.

To je samo vrh ledene gore. Celoten načrt je bodisi ludi genij, bodisi preprosto nor. Bolj ko se kopate, vse bolj se zdi, da bi bil načrt Milnerja in njegove posadke dejansko izvedljiv.

To je zato, ker tehnologija, ki jo predlagajo, ni dejansko daleč od možnosti. Vsekakor razprostira domišljijo, vendar je ne razbije. Tehnologijo luči že preizkušajo številne raziskovalne skupine, vključno z eno, ki jo organizira Bill Nye. Zvišanje CubeSats-a kot učinkovitega in cenovno ugodnega načina izvajanja vesoljskih raziskav je dejansko pokazalo, koliko se lahko doseže z ustvarjanjem manjših, lažjih vesoljskih plovil. Nanokrafti, ki jih je postavil Starshot, so le logičen korak v tej smeri.

Še vedno obstajajo veliko o vprašanjih, ki bodo še naprej govorila o tem, kako bo to storil Milner, Hawking in celo ustanovitelj Facebooka Mark Zuckerberg (investitor). Tu je pet največjih vprašanj o tehnologiji nanokraftov in sistemu za sprožitev svetlobnega snopa - in nekaj odgovorov, ki bi lahko dali nekaj vpogleda.

Svetlobni žarki kot pogonska tehnologija - prosimo, pojasnite!

Načrt Starshota za lansiranje teh nanokraftov ne uporablja goriva in ognja - uporablja svetlobo in laserje. Visokozmogljivi, osredotočeni laserji so že desetletja vir spletk za pogonske inženirje, toda pred kratkim lahko končno zamislimo uporabo te tehnologije v več aplikacijah - vključno s premikanjem orbitalnih ostankov iz poti kritičnih satelitov. Navsezadnje je svetloba energija, ki lahko deluje na sistem.

Vendar je to ključna beseda: zamislite. Še dejansko moramo zgraditi laserski žarek, ki lahko izstreli še en predmet v prostor skozi odklonsko silo fotonov. Znanstveniki se ukvarjajo s hibridnimi pogonskimi tehnologijami, ki bi uporabljale laserje v kombinaciji z bolj običajnimi metodami, vendar ne kot edini potisni plin.

Morda boste rekli: "Toda kako naj bi sončna jadra delovala v vesolju?" Tehnologija sončnih jader zahteva uporabo fotonov, ki jih proizvedejo sončni žarki, za poganjanje jadra (in njegovega vesoljskega plovila) naprej. Toda jadrnica doseže vesoljski način: rakete.

Starshot trdi, da lahko svetlobni nosilec - niz laserjev, postavljenih v kilometrski širini - potencialno zagotavlja do 100 gigavatov energije z žarki. Ne bi uporabljali enega ultra velikega laserja, ampak veliko manjših. Morda milijone ali stotine milijonov.

Ali je to dovolj sile, da se nanokrafti umaknejo iz Zemljine atmosfere in gravitacijskega vleka? Mogoče. Milner misli, da ima Starshot boljšo priložnost, če postavi lansirno ploščad na visoko nadmorsko višino, kot je puščava Atacama. (Danes smo podali štiri predloge.) Prav tako je dovolj razmeroma suha, da zmanjša verjetnost, da bi se vodne pare lahko povečale in ustvarile dodatno težo na vesoljskem plovilu ali bi ovirale lasersko silo, ko potiska vesoljsko plovilo navzgor.

Če bi vse potekalo dobro, bi bile sonde na poti v Alpha Centauri pri 100 milijonih milj na uro in dosegle sistem v 20 letih.

Lightsails so super tanki in super občutljivi. Kako naj bi ta stvar preživela lansiranje? Kako naj preživi kamenje in prah, ki se vrti okoli vesolja že dvajset let?

Lučka je narejena iz ultra tankega »metamateriala« (izraz, ki se nanaša na eksperimentalne materiale), ki je zasnovan tako, da pobira prihajajoče fotone iz svetlobnega vira in jih uporablja kot silo pritiska, ki se izvaja na samem jadru. Zaradi tega se jadro lahko premika naprej in celo pospeši na veliko višje hitrosti.

Kot sem že omenila, luči niso nove. Bill Nye in Planetary Society sta delala na projektu lightail, ki skuša dokazati uporabnost takšne tehnologije kot stroškovno učinkovito zasnovo vesoljskega plovila. NASA bo leta 2018 na krovu lansirala asteroidnega skavta blizu Zemlje (NEA Scout) Orion za inavguracijsko misijo za vesoljski lansirni sistem, ki bo preko razširljivega sončnega jadra prišel do bližnjega asteroida.

Oba od teh luči naletita na isti problem trčenja z medzvezdnim prahom in ruševinami, ki lahko v jadro luknjata in iztirijo celotno stvar. To je precej različna možnost, vendar je omejena z nekaj pomisleki.

Prvič: prostor je velik. Obstaja veliko delcev snovi, ki plavajo okoli, vendar ni tako kot na Zemlji, kjer so delci v zraku povsod. Predmeti v vesolju so kilometri oddaljeni - le 10 do več kot milijoni, pa vendar kilometre. Možnost, da bi nekaj dobila - medtem ko je resnična - je še vedno relativno oddaljena.

Drugič, ta jadra so bila posebej zasnovana tako, da ostanejo razmeroma trdna pod poškodbami. Vzemite na primer skakalca NEA. NASA je preizkusila, kako lahko njena svetlobna žarka ohrani strukturno celovitost, tudi če je tu in tam zadeta z nekaj koščki vesoljskega odpadka. Dokler ni katastrofalne poškodbe (kot na primer asteroid velikosti Teksasa v vesoljsko plovilo), lahko skakalec NEA še vedno napreduje in se manevrira po ukazih NASA.

Starshotovi nanokrafti se morajo spopadati tudi s temi problemi. Predvideva se, da se bodo njihove luči raztezale na nekaj metrov, tako da bodo precej majhne. Vendar bodo debele le nekaj sto atomov in imajo maso približno en gram. Dovolj majhni so, da se izognejo skoraj vsem vrstam bližajočega se števila predmetov, ki plujejo po prostoru - toda v nesrečnih težavah, ki jih dobijo, bo ves vesoljsko plovilo verjetno uničeno. In skoraj ničesar ne vemo o vsebnosti prahu v Alpha Centauriju.

Vendar pa obstaja samo en velik problem, s katerim se mora ukvarjati nanokraft - ne razpada se med lansiranjem svetlobnega snopa. Pričakuje se, da bo jadro prizadel žarek, ki bo približno 60-krat večji od sončne svetlobe, ki udari Zemljo v vsakem trenutku. Jadralno jadro se ne sme samo zadrževati od taljenja, temveč tudi priti v vesolje, ne da bi ga atmosferske sile raztrgale na koščke. Ocenjeno, da bi bil en del 100.000 laserja več kot dovolj za izhlapevanje jadra. To še nikoli ni bilo. Ne moremo povedati, koliko preizkušanja mora projekt Starshot opraviti, preden bo ta del pravilno rešen.

Kako deluje StarChip? Katere vrste podatkov naj bi zbrali?

StarChips - ki so zgrajeni na lestvici enega grama in se lahko prilegajo dlanu - ne bodo najsodobnejši sistem, ki nam je všeč, da je nekakšen rover za veselje ali vesoljski teleskop Kepler pomagal nam. preučevati različne svetove v vesolju. Bili bodo zelo osnovni. Cilj je, da na čip pritrdimo štiri kamere (vsaka po dva milijona slikovnih pik), kar bo omogočilo nekaj zelo elementarnega prikaza Alpha Centauri in različnih planetov in lun v sistemu.

Ti podatki bi bili poslani nazaj na Zemljo z uporabo zložljive antene z dolgimi metri ali pa celo z uporabo luči, da bi olajšali laserske komunikacije, ki bi lahko usmerile signal nazaj proti Zemlji.

To se zdi dovolj standardno. Kaj točno naj bi nam te podobe pokazale?

V tem je še ena neznana. Ko astronomi ocenijo potencial drugih svetov, da so primerni za bivanje, iščejo različne podatke, od temperatur planeta, sestave, oddaljenosti od gostiteljske zvezde, znakov sedanjega vzdušja in še veliko več. Veliko teh stvari je mogoče izmeriti le z različnimi tipi kamer, ki lahko vidijo v celotnem elektromagnetnem spektru. Nanokrafti na tej točki bi bili nameščeni na fotoaparatih, ki niso preveč podobni tistim, ki jih uporabljamo na naših pametnih telefonih. To je komajda koristno za resnično razumevanje, ali lahko planet ali luna preživita kakršnokoli življenje ali že kaže znake življenja.

Kljub temu, ko menite, da je cilj poslati več majhnih vesoljskih plovil v oddaljeni sistem, ki je večkraten svetlobnih let stran v manj kot dveh desetletjih, morate nekje zmanjšati stroške.

Tudi če bi ta stvar preživela pot do Alpha Centaurija, kako naj bi živela dovolj dolgo, da bi zbrala dovolj uporabnih podatkov?

Dolgoživost je ključnega pomena za projekt Starshot. Nanokrafti morajo ostati v pogonu že več desetletij, da bi resnično izkoristili svoj polni raziskovalni potencial. V ta namen je pobuda Breakthrough predlagala vir energije na krovu, ki temelji na plutoniju-238 ali Americium-241, ki tehta največ 150 miligramov.

V bistvu, ko izotop plutonija ali Americija razpada, bi napolnil ultra-kondenzator, ki vklopi komponente StarChip, potrebne za snemanje slik in njihovo pošiljanje nazaj na Zemljo. Izvedli bi lahko tudi termoelektrični vir energije, da bi izkoristili prednost prednjih površinskih površin nanokraftov, ko se bo začel približevati atmosferam drugih svetov.

Razmišlja se tudi o fotovoltaiki - pretvarjanju sončne svetlobe v energijo. En prototip sončnega jadra, ki ga je Japonska preizkusila pred približno šestimi leti, IKAROS, je površino sončnega jadra naslikal s fotovoltaiko. To je nepraktično, ko se nanocraft končno naredi iz meja sončnega sistema, vendar bi lahko bil za to obdobje koristen, da bi prihranil še več energije baterije.

Veliko vprašanje je, ali lahko takšne poceni materiale ohranite v 20 do 50 letih. V idealnem scenariju je verjetneje, da se bo najverjetneje zgodilo, da bo vsak nanokraft priskrbel le podatke za razmeroma kratek čas - približno nekaj mesecev. Če sta Milner in družba resnično usmerjena v masovno proizvodnjo teh stvari, potem ne bi smela imeti težav pri pošiljanju grozda v vse smeri, da bi raziskala čim več o Alpha Centauriju. Pričakovanje, da bo vsak deloval več let, je zelo nepraktično, če ne moremo neposredno posredovati in premikati svojih gibanj v novih smereh.

Stroški

Izraženi cilj Milnerja je, da vsak nanokraft stori za stroške, ki so potrebni za izdelavo iPhonea. Vsaka kombinacija SmartChip in lightail ne bi smela biti več kot nekaj sto dolarjev - cilj pa je še naprej dodajati boljše tehnologije, saj sčasoma postajajo vse cenejše in cenejše.

V resnici je najdražji (in verjetno najmanj izvedljiv) del tega projekta svetlobni žarek. Govorimo o 100 gigavatih moči za dve minuti, da bi sprožili prekleto stvar. En sam gigavat lahko napaja 700.000 domov. To je dovolj za 70.000.000 domov.

To je dovolj, da lahko več majhnih držav ostane. To je 100-kratnik količine, ki jo proizvede tipična jedrska elektrarna. Osupljivo je, da se sploh znajde, kako bodo zbrali toliko energije na enem mestu, da bi speljali kup nanokraftov v vesolje.

Celotni strošek ene svetlobne žarke je, kot pravi eden od komentatorjev na spletni strani Breakthrough, 70.000 $.

Ja, videli bomo o tem …