5 nagy kérdés a Starshot Nanocraft technológiáról

Kedden az orosz milliárdos Jurij Milner és a híres asztrofizika, Stephen Hawking bejelentette, hogy 100 millió dollárt terveznek tanulmányozni Alpha Centauri-t, a Föld legközelebbi csillagrendszerét (csupán 4,37 év). A cél, számos különböző tudományos vizsgálat között, az, hogy alapvetően megtaláljuk, hogy az idegenek léteznek-e az erdő nyakában, vagy legalábbis, ha vannak olyan bolygók vagy holdak, amelyek képesek támogatni az életet.

A Breakthrough Starshotnak nevezett projekt az ultra-könnyű űrhajók („StarChips”) küldését jelenti az Alpha Centauri felé vezető úton, amelyet egy 100 gigawattos fénysugár által meghajtott lightsail szállít.

Ez csak a jéghegy csúcsa. Az egész terv vagy őrült zseni, vagy egyszerűen csak őrült. Minél többet ás be, annál inkább úgy tűnik, mintha Milner és a legénysége tervezhetne volna.

Ez azért van, mert az általuk javasolt technológia valójában nem messze van a lehetőségektől. Ez minden bizonnyal a képzeletet húzza, de nem törik meg. A lightsail technológiát már számos kutatócsoport vizsgálja, köztük a Bill Nye által szervezett technológiát. A CubeSats növekedése, mint mérethatékony, olcsó űrkutatási mód, valóban megmutatta, hogy mennyi nyerhető a kisebb, könnyebb űrhajók létrehozásával. A Starshot által kifejlesztett Nanocrafts csak logikus lépés ebben az irányban.

Mégis vannak bőven a kérdéseket, amelyek a pokol Milner, Hawking és még a Facebook alapítója, Mark Zuckerberg (befektető) számára is megpróbálják kihúzni ezt. Íme az öt legnagyobb kérdés a nanocraft technológiával és a fénysugár-indító rendszerrel kapcsolatban - és néhány válasz, amely némi betekintést nyújthat.

Könnyű gerendák, mint meghajtási technológia - kérjük, magyarázza el!

A Starshot terve, hogy elindítsa ezeket a nanocraft csecsemőket, nem használ tüzelőanyagot és tüzet - fényt és lézert használ. A nagy teljesítményű, fókuszált lézerek már évtizedek óta a hajtóműmérnökök intrigerei voltak, de csak nemrégiben elképzelhetjük, hogy az ilyen technológiákat több alkalmazásban is felhasználhatjuk - beleértve az orbitális törmelék mozgását a kritikus műholdak útjából. Végül is, a fény olyan energia, amely képes erőt kifejteni a rendszerre.

Ez a kulcsszó, bár: kigondol. Még egy olyan lézersugarat kell építenünk, amely egy másik tárgyat képes lőni -ba tér a fotonok puszta erejével. A tudósok olyan hibrid hajtómű-technológiákon dolgoznak, amelyek hagyományosabb módszerekkel kombinálva lézert használnának, de nem egyedüli hajtóanyagként.

Lehet, hogy azt mondod: „De hogy a napsütő vitorlának kellene dolgoznia az űrben?” Nos, a napsugaras vitorlás technológia arra szólít fel, hogy a napsugarak által termelt fotonokat használják a vitorla (és űrhajójának) előretekeréséhez. A vitorla azonban az űrbe mártott módon kerül be: rakéták.

A Starshot azt állítja, hogy egy fénysugárzó - egy kilométeres skálán létrehozott lézerek tömbje - potenciálisan akár 100 gigawattnyi sugárzó energiát is biztosíthat. Nem használnánk egy ultra-nagy lézert, hanem sok kisebbet. Talán több millió vagy több száz millió.

Lehet, hogy elég erő lenne ahhoz, hogy a nanocraftokat kiszabadítsák a Föld légköréből és a gravitációs húzásból? Talán. Milner úgy gondolja, hogy a Starshot jobb eséllyel áll azáltal, hogy egy nagy magasságú környezetben, például az Atacama-sivatagban állítja fel az indítópultot. (Íme négy javaslatunk, amelyeket ma tettünk.) A viszonylag száraz is ahhoz, hogy csökkentse annak a valószínűségét, hogy a vízgőz felépülhet, és hozzáadott súlyt teremthet az űrhajóra, vagy akadályozhatja a lézer erejét, amikor az űrhajót felemeli.

Ha minden jól megy, akkor a szondák az Alpha Centauri felé haladnak óránként 100 millió mérföldre, és 20 éven belül elérik a rendszert.

A Lightsails szuper vékony és szuper finom. Hogyan kell ez a dolog túlélni a dobásról? Hogyan kéne húsz éven át túlélni a tér körül forogó sziklákat és port?

A fénysáv egy ultra-vékony „metamateriális anyagból (a kísérleti anyagokra utaló elkapási kifejezésből) készült, amely úgy tervezték, hogy egy fényforrásból felvegye a közeledő fotonokat, és a nyomást kifejező erőként használja, amely magára a vitorlára hat. Ennek eredményeképpen a vitorla képes előre haladni és még ennél is nagyobb sebességre gyorsulni.

Ahogy már említettem, a lightsails nem új. Bill Nye és a Planetáris Társaság egy olyan lightsail projekten dolgozik, amely egy ilyen technológia életképességének bizonyítására törekszik, mint egy költséghatékony űrhajó meghajtó tervezés. A NASA 2018-ban indítja el a közel-föld aszteroida cserkészét (NEA Scout) Orion az űrrakéta rendszer alapító missziójához, amely egy kibővíthető szolár vitorlás útján egy közeli aszteroida felé halad.

Mindkét lightsails ugyanazzal a problémával szembesül, mintha a csillagközi por és a törmelék ütközne volna, ami lyukakat bocsáthatna a vitorlába, és eldobhatná az egészet. Ez egy nagyon különös lehetőség, de néhány szempontból korlátozott.

Először: a tér nagy. Rengeteg anyag van, ami lebeg a környéken, de nem olyan, mint itt a Földön, ahol a levegőben lévő részecskék mindenhol megfordulnak. Az űrben lévő tárgyak egymástól egymástól távol vannak - akár 10-től akár millióig, de mérföldig. Az a lehetőség, hogy valamit - bár valódi - üti meg, még mindig viszonylag távoli.

Másodszor, ezeket a vitorlákat kifejezetten úgy tervezték, hogy viszonylag szilárd maradjanak a sérülés alatt. Vegyük például a NEA Scout-ot. A NASA tesztelte, mennyire képes a lightsail megőrizni a strukturális integritást, még akkor is, ha itt van benne néhány bitnyi junk. Mindaddig, amíg nincs katasztrofális sérülés (mint pl. Egy Texas űrhajó méretének egy aszteroida), a NEA Scout továbbra is előreléphet és manőverezheti magát a NASA parancsai alapján.

A Starshot nanocraftoknak is megbirkózniuk kell ezzel a problémával. A világítótestek várhatóan néhány méterre kinyúlnak valamire, így elég kicsik lesznek. De csak néhány száz atom lesz, és a tömege körülbelül egy gramm. Elég kicsi ahhoz, hogy elkerüljék az űrben lebegő szinte mindenféle közeledő számú tárgyat - de a szerencsétlen esélyeikben az egész űrhajó valószínűleg megsemmisül. És semmit sem tudunk az Alpha Centauri por tartalmáról.

De van egy nagy probléma, amellyel egyedül a nanocraftnak kell foglalkoznia - nem szétesik a fénysugár indításakor. A vitorlát várhatóan egy sugár fogja elérni, amely körülbelül 60-szorosa a napfénynek, amely bármely pillanatban eléri a Földet. A vitorlának nemcsak az olvadásnak kell maradnia, hanem sikerül űrbe kerülnie anélkül, hogy a légköri erők szétzúzzák őket. A lézer 100 000-ének becsült része egynél több lenne ahhoz, hogy elpárologjon a vitorla. Ez még soha nem történt meg. Nem mondja el, hogy a Starshot projektnek mennyi tesztet kell végrehajtania, mielőtt ezt a jogot megszerzi.

Hogyan működik a StarChip? Milyen adatokat kell gyűjtenie?

A StarChips - amely egy gramm skála alapján épült, és képesek a tenyerébe illeszkedni - nem lesz a legmodernebb rendszer, amit valami olyan, mint a Curiosity rover vagy a Kepler Space Telescope segített nekünk különböző világok tanulmányozása az űrben. Nagyon alapvetőek lesznek. A cél az, hogy négy kamerát (mindegyik két megapixel) ragasszon a chipre, amely lehetővé teszi az Alpha Centauri, valamint a rendszer különböző bolygóinak és holdjainak néhány elemi képalkotását.

Az adatokat egy visszahúzható mérőhosszú antenna segítségével továbbítanák a Földre, vagy talán még a lightsail használatával is, hogy megkönnyítsék a lézer alapú kommunikációt, amely a jelet a Föld felé irányíthatja.

Ez elég szabványosnak tűnik. Pontosan mit jelentenek ezek a képek?

Ez egy másik ismeretlen. Amikor a csillagászok megítélik más világok potenciálját, hogy lakhatóak legyenek, különböző adatokat keresnek, a bolygó hőmérsékletétől, összetételétől, a vendéglátó-csillagtól való távolságtól, a jelenlegi légkör jeleitől - és még sok mástól. Sok ilyen anyag csak mérhető különböző típusú kamerákon keresztül, amelyek az elektromágneses spektrumon keresztül láthatók. Ezen a ponton a nanocraftok olyan kamerákon futnának, amelyek nem túlságosan ellentétesek azzal, amit az okostelefonjainkon használunk. Ez alig hasznos, ha igazán megértjük, hogy a bolygó vagy a hold képes-e bármilyen életet fenntartani, vagy már megmutatja az élet jeleit.

Mégis, ha a cél az, hogy több kis űrhajót küldjünk egy távoli rendszerbe többszörös két évtized alatt a fényévek alatt valahol csökkenteni kell a költségeket.

Még akkor is, ha ez a dolog túléli az Alpha Centauri útját, hogyan kell elég hosszú ideig élni ahhoz, hogy elég hasznos adatokat gyűjtsön?

A hosszú élettartam elengedhetetlen a Starshot projekthez. A nanocraftnak több évtizede kell maradnia, hogy teljes mértékben kihasználhassa a teljes kutatási potenciált. Ebből a célból az áttörési kezdeményezés egy plutónium-238 vagy Americium-241 alapú fedélzeti energiaforrást javasol, amely nem haladja meg a 150 mg-ot.

Alapvetően, mivel a plutónium vagy az Americium izotóp lebomlik, egy ultra-kondenzátort töltene fel, amely bekapcsolja a StarChip összetevőket, amelyek szükségesek a képek megragadásához és a Földre való visszajuttatásához. Termoelektromos energiaforrást is lehetne megvalósítani, hogy kihasználják a nanocraftok homlokfelületi hőmérsékleteinek emelkedését, amikor más világok légköréhez közeledik.

A napelemek energiává történő fordítása is megfontolás tárgyát képezi. Egy napsütéses vitorla prototípus, amelyet Japán kb. Hat évvel ezelőtt tesztelt, az IKAROS napfénytípussal festette a napsütő vitorla felületét. Ez nem praktikus, ha a nanocraft végül kiszabadítja a naprendszer határait, de hasznos lehet ebben az időtartamban, hogy még több energiát takarítson meg.

A nagy kérdés az, hogy az ilyen olcsó anyagokat 20–50 év alatt életképes-e. Ideális forgatókönyv szerint valószínűleg nagyobb valószínűséggel fordul elő, hogy mindegyik nanocraft várhatóan csak viszonylag rövid időre - körülbelül néhány hónapra - gyűjti az adatokat. Ha Milner és a vállalat valóban a tömeggyártásra állítaná ezeket a dolgokat, akkor nem lehetnek problémáik a csomó minden irányban történő küldésére, hogy felfedezzék az Alpha Centauri-ról. Az, hogy mindegyikük évek óta működik, eléggé praktikus, ha nem tudunk közvetlenül beavatkozni és mozgatni új irányba.

Költség

Milner kifejezett célja az, hogy minden egyes nanocraftot olyan költségekhez hozza létre, amelyekre szükség van egy iPhone építéséhez. Minden SmartChip és lightsail kombó nem lehet több, mint néhány száz dollár -, és a cél az, hogy az évek folyamán egyre kevésbé drágák legyenek a jobb technológiák.

A valóságban a projekt legdrágább (és legkevésbé megvalósítható) része a fénysugár. Beszélünk 100 gigawattos energiáról két percig, hogy meggyújtjuk az átkozott dolgot. Egyetlen gigawatt képes 700.000 lakást használni. Szóval ez elég 70.000.000 lakás számára.

Ez elég ahhoz, hogy több kis országot tartson. Ez 100-szorosa a tipikus atomerőmű által előállított mennyiségnek. Elképzelhetetlen, hogy még azt is elképzeljük, hogyan fogják összegyűjteni ezt a sok energiát egy helyre, hogy elindítsanak egy csomó nanocraftot az űrbe.

Az egyik fénysugár-tüzelés összköltsége egy áttörő weboldalon lévő kommentár szerint $ 70,000.

Ja, látni fogjuk, hogy …