5 Veľké otázky o technológii Starshot Nanocraft

V utorok ruský miliardár Jurij Milner a slávna astrofyzika Stephen Hawking oznámili svoj plán 100 miliónov dolárov na štúdium Alpha Centauri, najbližšieho hviezdneho systému na Zemi (vzdialený len 4,37 svetelných rokov). Cieľom, medzi niekoľkými rôznymi vedeckými výskummi, je v podstate nájsť, či mimozemšťania existujú v tom krku lesa, alebo prinajmenšom v prípade, že sú v systéme schopné podporovať život planéty alebo mesiace.

Projekt nazvaný Prielomová hviezda, pozostáva z odoslania ultraľahkej kozmickej lode (nazvanej „StarChips“) na ceste k Alpha Centauri, ktorú nesie svetelný maják poháňaný svetelným lúčom s výkonom 100 gigawatt.

To je len špička ľadovca. Celý plán prichádza ako šialený génius, alebo proste šialený. Čím viac budete kopať, tým viac a viac to vyzerá, že plán Milnera a jeho posádky môže byť skutočne uskutočniteľný.

Je to preto, že technológia, ktorú navrhujú, nie je v skutočnosti ďaleko od možnosti. Určite sa rozprestiera fantázia, ale nezlomí ju. Technológia lightsail je už testovaná pomerne malým počtom výskumných skupín, vrátane skupiny, ktorú organizoval Bill Nye. Nárast CubeSats ako veľkokapacitného, ​​lacného spôsobu vykonávania vesmírneho výskumu skutočne ukázal, koľko sa dá dosiahnuť vytvorením menších, ľahších kozmických lodí. Nanocrafts, ako ich zastrešuje Starshot, je len logickým krokom v tomto smere.

Stále sú tu kopa otázok, ktoré ostávajú o tom, ako peklo Milner, Hawking, a dokonca aj zakladateľ Facebooku Mark Zuckerberg (investor), to vytiahnu. Tu je päť najväčších otázok týkajúcich sa technológie nanokraftov a systému spustenia svetelného lúča - a niektoré odpovede, ktoré by mohli poskytnúť nejaký pohľad.

Svetelné lúče ako pohonná technológia - prosím vysvetlite!

Starshot plán na spustenie týchto nanokraftových detí nevyužíva palivo a oheň - využíva svetlo a lasery. Vysokovýkonné, zaostrené lasery sú už desaťročia zdrojom pre intelektuálnych inžinierov, ale len nedávno sa nám podarilo konečne predstaviť používanie takejto technológie v niekoľkých aplikáciách - vrátane pohybu orbitálnych úlomkov z cesty kritických satelitov. Koniec koncov, svetlo je energia schopná vyvíjať silu na systém.

Toto je kľúčové slovo: otehotnieť, Ešte sme skutočne postaviť laserový lúč, ktorý môže strieľať iný objekt preč do priestor prostredníctvom čistej sily fotónov. Vedci pracujú na hybridných pohonných technológiách, ktoré by používali lasery v kombinácii s bežnejšími metódami, ale nie ako jediný hnací plyn.

Možno by ste povedali, „ale potom, ako má solárna plachta pracovať vo vesmíre?“ No, technológia solárnej plachty vyžaduje použitie fotónov vyrobených slnečnými lúčmi na pohon plachty (a jej kozmickej lode) dopredu. Plachta sa však dostane do vesmíru, ako sa to robí: rakety.

Starshot tvrdí, že svetelný maják - rad laserov nastavených v kilometer-širokom meradle - by mohol potenciálne poskytovať až 100 gigawattov vyžarovanej energie. Nepoužili by sme jeden ultra-veľký laser, ale namiesto toho mnoho menších. Možno milióny alebo stovky miliónov.

Mohlo by to byť dosť sily na to, aby sa nanočlánky dostali z atmosféry Zeme a gravitačného ťahu? Možno. Milner si myslí, že Starshot má väčšiu šancu tým, že založí štartovaciu plochu vo vysokohorskom prostredí, ako je napríklad púšť Atacama. (Tu sú štyri návrhy, ktoré sme dnes urobili.) Je to tiež relatívne dosť suché na to, aby sa znížila pravdepodobnosť, že by sa vodná para mohla vybudovať a vytvoriť pridanú váhu na kozmickej lodi alebo brániť sile lasera, keď tlačí kozmickú loď nahor.

Ak všetko pôjde dobre, sondy budú na ceste do Alpha Centauri na 100 miliónov míľ za hodinu a dostanú sa do systému do 20 rokov.

Lightsails sú super tenké a super jemné. Ako má táto vec prežiť začiatok? Ako má prežiť skaly a prach, ktorý sa otáča okolo vesmíru dvadsať rokov?

Lightail je vyrobený z ultratenkého metamateriálu (tzv. Catchall termín, ktorý sa vzťahuje na experimentálne materiály) navrhnutý tak, aby zachytil prichádzajúce fotóny zo svetelného zdroja a použil ich ako silu tlaku, ktorý sa vyvinie na samotnú plachtu. V dôsledku toho sa plachta dokáže pohybovať dopredu a dokonca zrýchliť na oveľa vyššie rýchlosti.

Ako som už spomenul, lightsails nie sú nové. Bill Nye a Planetárna spoločnosť pracujú na projekte lightsail, ktorý sa snaží dokázať životaschopnosť takejto technológie ako nákladovo efektívneho dizajnu rakiet. NASA spúšťa v roku 2018 Asteroid Scout (NEA Scout) Orion pre inauguračnú misiu pre vesmírny spúšťací systém, ktorý sa dostane k neďalekému asteroidu prostredníctvom rozšíriteľnej slnečnej plachty.

Obidva tieto svetelné závory narazia na rovnaký problém kolízie s medzihviezdnym prachom a troskami, ktoré by mohli vniknúť do plachiet a vykoľajiť celú vec. Je to dosť odlišná možnosť, ale je obmedzená niekoľkými úvahami.

Po prvé: priestor je veľký, Okolo sa vznáša množstvo kúskov hmoty, ale nie je to tu ako na Zemi, kde sú častice vo vzduchu všade, kde sa otáčame. Objekty vo vesmíre sú míle od seba - len 10 až až milióny, ale míle. Možnosť zasiahnuť niečo - aj keď reálne - je stále relatívne vzdialená.

Po druhé, tieto plachty boli špeciálne navrhnuté tak, aby zostali relatívne pevné v poškodení. Vezmite si napríklad NEA Scout. NASA otestovala, ako dobre si svetelný maják môže zachovať štrukturálnu integritu, aj keď je tu s niekoľkými kúskami vesmírneho odpadu. Pokiaľ nie je katastrofické zranenie (ako napríklad asteroid veľkosti barelínu Texasu do kozmickej lode), skautka NEA sa stále môže pohnúť dopredu a manévrovať na základe príkazov NASA.

S týmito problémami sa musia vyrovnávať aj nanokrafty Starshot. Predpokladá sa, že ich lightsails sa natiahnu k niečomu na úrovni niekoľkých metrov, takže budú dosť malé. Ale budú mať len niekoľko stoviek atómov a budú mať hmotnosť asi jeden gram. Sú dosť malé na to, aby sa vyhli takmer každému druhu prichádzajúcich objektov plávajúcich okolo vesmíru - ale v nešťastnej situácii, že sú zasiahnuté, celá kozmická loď bude pravdepodobne zničená. A nevieme nič o obsahu prachu v Alpha Centauri.

Ale je tu jeden veľký problém, s ktorým sa musí sama nanokríza vysporiadať - pri rozbehu svetelného lúča sa nerozpadá. Očakáva sa, že plachta bude zasiahnutá lúčom, ktorý bude predstavovať asi 60-násobok slnečného žiarenia, ktoré zasiahne Zem v danom okamihu. Plachta sa musí nielen udržiavať od roztavenia, ale tiež sa jej podarí dostať do vesmíru bez toho, aby sa roztrhali na kúsky atmosférickými silami. Odhaduje sa, že jedna časť v 100 000 laseroch by bola viac než dosť na odparenie plachty. To sa nikdy predtým nestalo. Neexistujú žiadne informácie o tom, koľko testovania bude projekt Starshot musieť vykonať pred tým, než túto časť spraví.

Ako funguje StarChip? Aké údaje má zbierať?

StarChips - postavený na mierke jedného gramu a schopný zapadnúť do dlane ruky - nebude najmodernejším systémom, ktorý nám pomohol niečo ako Curiosity rover alebo Kepler Space Telescope. študovať rôzne svety vo vesmíre. Budú veľmi základné. Cieľom je držať štyri čipy (dva megapixely každý) na čipe, čo umožní niektoré veľmi elementárne zobrazovanie Alpha Centauri a rôznych planét a mesiacov systému.

Tieto údaje by boli prenášané späť na Zem pomocou zasúvateľnej antény dlhej metre, alebo dokonca pomocou svetelnej signalizácie, aby sa uľahčila laserová komunikácia, ktorá by mohla zamerať signál späť na Zem.

Zdá sa to dosť štandardné. Čo nám presne ukazujú tie obrázky?

Tam leží iná neznáma. Keď astronómovia zhodnotia potenciál iných svetov, aby boli obývateľné, pozerajú sa na množstvo rôznych údajov, od teplôt planéty, zloženia, vzdialenosti od hostiteľskej hviezdy, znakov súčasnej atmosféry - a oveľa viac. Mnohé z týchto vecí sú merateľné iba prostredníctvom rôznych typov kamier, ktoré sa dajú vidieť cez elektromagnetické spektrum. Nanocrafts v tomto bode by bežal na fotoaparáty nie príliš na rozdiel od toho, čo používame na našich smartfónoch. To je sotva užitočné pre skutočné pochopenie, či planéta alebo mesiac by mohli udržať akýkoľvek druh života, alebo už prejavujú známky života.

Napriek tomu, keď si uvedomíte, že cieľom je poslať viac malých kozmických lodí do vzdialeného systému, ktorý je násobok Svetelné roky v priebehu dvoch desaťročí, musíte niekde znížiť náklady.

Aj keď táto vec prežije cestu do Alpha Centauri, ako má žiť dosť dlho na to, aby zhromaždila dostatok užitočných údajov?

Dlhovekosť je pre projekt Starshot rozhodujúca. Nanocraft musí zostať poháňaný niekoľko desaťročí, aby skutočne využil svoj plný výskumný potenciál. Iniciatíva Breakthrough navrhuje na tento účel energetický zdroj na báze plutónia-238 alebo Americium-241 s hmotnosťou najviac 150 miligramov.

V podstate, ako sa izotop plutónia alebo Americium rozpadá, bude nabíjať ultra-kondenzátor, ktorý prepína komponenty StarChip potrebné na snímanie obrázkov a ich prenos na Zem. Termoelektrický zdroj energie by sa mohol tiež implementovať, aby sa využili teploty na povrchu nanokraftov, ktoré sa zvyšujú, keď sa začína približovať atmosfére iných svetov.

Taktiež sa zvažuje fotovoltaika - zmena slnečného žiarenia na energiu. Jeden prototyp solárnej plachty, ktorý bol testovaný Japonskom asi pred šiestimi rokmi, IKAROS, natrel povrch svojej slnečnej plachty fotovoltaikou. To je nepraktické, keď ho nanokraft nakoniec z hraníc solárneho systému robí, ale mohol by byť užitočný na to, aby sa šetrilo ešte viac energie z batérie.

Veľkou otázkou je, či je možné udržať takéto lacné materiály životaschopné počas 20 až 50 rokov. V ideálnom scenári je pravdepodobne pravdepodobnejšie, že každé nanočlánky budú zhromažďovať údaje len relatívne krátko - približne niekoľko mesiacov. Ak sú Milner a spoločnosť skutočne nasadení na výrobu týchto vecí, potom by nemali mať problém posielať parta v každom smere, aby preskúmali čo najviac o Alpha Centauri. Očakávanie, že každý z nich bude pôsobiť celé roky, je dosť nepraktické, ak nemôžeme priamo zasiahnuť a presunúť svoje pohyby novými smermi.

náklady

Vyjadrený cieľ Milnera spočíva v tom, že každý nanocraft má cenu, ktorá je potrebná na vybudovanie iPhone. Každé combo SmartChip a lightsail by nemalo byť viac ako niekoľko stoviek dolárov - a cieľom je udržať pridávanie lepších technológií, pretože sa stávajú menej a menej nákladnými v priebehu rokov.

V skutočnosti je najdrahšou (a pravdepodobne najmenej realizovateľnou) časťou tohto projektu svetelný lúč. Hovoríme asi o 100 gigawattoch energie na dve minúty, aby sme mohli tú prekliate vec vypáliť. Jediný gigawatt môže napájať 700 000 domácností. To je dosť pre 70 000 000 domácností.

To je dosť na to, aby sme udržali viac malých krajín. To je 100-násobok množstva vyrobeného v typickej jadrovej elektrárni. Je to ohromujúce, keď si uvedomíte, ako budú zhromažďovať túto energiu na jednom mieste, aby vyrazili do vesmíru veľa nanokraftov.

Celková cena jedného svetelného lúča je podľa jedného komentára na webovej stránke Prielom 70 000 $.

Áno, uvidíme o tom …