5 Velké otázky o technologii Starshot Nanocraft

V úterý ruský miliardář Jurij Milner a slavná astrofyzika Stephen Hawking oznámili svůj plán 100 milionů dolarů na studium Alpha Centauri, nejbližšího hvězdného systému na Zemi (pouhých 4,37 světelných let daleko). Cílem, mezi několika různými vědeckými výzkumy, je v zásadě zjistit, zda mimozemšťané existují v tom krku lesa, nebo přinejmenším v případě, že jsou v systému schopny podporovat život planety nebo měsíce.

Tento projekt, nazvaný průlomový hvězdný snímek, spočívá v poslání ultralehkých kosmických lodí (přezdívaných „StarChips“) na cestě k Alpha Centauri nesené světelným kuželem poháněným světelným paprskem o výkonu 100 gigawattů.

To je jen špička ledovce. Celý plán přichází jako šílený génius, nebo prostě šílený. Čím více budete kopat, nicméně, tím víc a víc to vypadá, že plán Milnera a jeho posádky může být skutečně proveditelný.

Je to proto, že technologie, kterou navrhují, není ve skutečnosti daleko od možnosti. Určitě to protáhne představivost, ale neporušuje to. Technologie lightsail je již testována v několika málo výzkumných skupinách, včetně těch, které organizuje Bill Nye. Vzestup CubeSats jako cenově efektivního a levného způsobu průzkumu vesmíru skutečně ukázal, jak moc lze získat vytvořením menších, lehčích kosmických lodí. Nanocrafts, jak je postavil Starshot, je jen logickým krokem v tomto směru.

Stále existují spousta otázek, které zůstávají o tom, jak se peklo Milner, Hawking, a dokonce i zakladatel Facebooku, Mark Zuckerberg (investor), chystají tento krok stáhnout. Zde je pět největších otázek týkajících se nanokraftové technologie a systému spouštění světelného paprsku - a některé odpovědi, které by mohly poskytnout určitý náhled.

Světelné paprsky jako pohonná technika - prosím vysvětlete!

Starshot plán na spuštění těchto nanokraftových dětí nepoužívá palivo a oheň - používá světlo a lasery. Vysoce výkonné, zaostřené lasery jsou zdrojem intrik pro inženýry pohonů již několik desetiletí, ale teprve nedávno můžeme konečně představit použití této technologie v několika aplikacích - včetně pohybu orbitálních úlomků z cesty kritických satelitů. Světlo je totiž energií schopnou vyvíjet sílu na systém.

To je klíčové slovo: otěhotnět. Ještě jsme vlastně nevytvořili laserový paprsek, který by mohl střílet další objekt do vesmíru prostou silou fotonů. Vědci pracují na hybridních pohonných technologiích, které by používaly lasery v kombinaci s více konvenčními metodami, ale ne jako jediný hnací plyn.

Mohli byste říci: „Ale jak by měla fungovat solární plachta ve vesmíru?“ Technologie solární plachty vyžaduje použití fotonů produkovaných slunečními paprsky k pohonu plachty (a její kosmické lodi) vpřed. Plachta se však dostane do prostoru, jak se vyrábějí: rakety.

Starshot tvrdí, že světelný maják - řada laserů nastavených v kilometrovém měřítku - může potenciálně poskytnout až 100 gigawattů paprskové energie. Nebudeme používat jeden ultra-velký laser, ale místo toho mnoho menších. Možná miliony, nebo stovky milionů.

Mohlo by to být dost síly, aby se nanokrafty dostaly z atmosféry Země a gravitační tah? Možná. Milner si myslí, že Starshot má lepší šanci tím, že připraví odpalovací rampu ve vysokém nadmořské výšce, jako je poušť Atacama. (Zde jsou čtyři návrhy, které jsme dnes udělali.) Je také poměrně dost suché, aby se snížila pravděpodobnost, že by se vodní pára mohla hromadit a vytvářet větší váhu na kosmické lodi nebo bránit síle laseru, když tlačí kosmickou loď nahoru.

Pokud vše půjde dobře, sondy budou na cestě do Alpha Centauri na 100 milionů mil za hodinu a dostanou se do systému do 20 let.

Lightsails jsou super tenké a super jemné. Jak má tahle věc přežít start? Jak má přežít skály a prach, který se otáčí kolem vesmíru dvacet let?

Lightail je vyroben z ultratenkého metamateriálu (tzv. Catchall termín, který odkazuje na experimentální materiály) navržený tak, aby zachytil blížící se fotony ze světelného zdroje a použil je jako sílu tlaku, který se vyvíjí na samotnou plachtu. Výsledkem je, že plachta se může pohybovat dopředu a dokonce urychlit na mnohem vyšší rychlosti.

Jak jsem zmínil, lightsails nejsou nové. Bill Nye a Planetární společnost pracují na projektu lightsail, který se snaží dokázat životaschopnost takové technologie jako nákladově efektivní konstrukce kosmických lodí. NASA spouští v roce 2018 na palubě Asteroid Scout (NEA Scout) Orion pro inaugurační misi pro vesmírný spouštěcí systém, který se dostane k blízkému asteroidu přes rozšiřitelnou sluneční plachtu.

Oba tyto světelné závory se dostanou do stejného problému s kolizí s mezihvězdným prachem a troskami, které by mohly vniknout do plachty a vykolejit celou věc. To je docela odlišná možnost, ale je omezena několika úvahami.

Za prvé: prostor je velký. Kolem se vznáší spousta kousků hmoty, ale není to jako tady na Zemi, kde jsou částice ve vzduchu všude, kam se otočíme. Objekty ve vesmíru jsou na míle od sebe - jen 10 až miliony, ale míle. Možnost zasažení něčeho - i když reálného - je stále relativně vzdálená.

Za druhé, tyto plachty byly speciálně navrženy tak, aby zůstaly relativně pevné v poškození. Vezměte si například NEA Scout. NASA testovala, jak dobře si světelný maják může zachovat strukturální integritu, i když je tady a tam zasažen několika kousky vesmírného odpadu. Dokud není katastrofické zranění (jako například asteroid o velikosti Texasu, který se vrhá do kosmické lodi), skautka NEA se může stále pohybovat vpřed a manévrovat na základě příkazů NASA.

S těmito problémy se musí potýkat i nanokomunikací Starshot. Předpokládá se, že jejich lightsails se natáhnou k něčemu v měřítku několika metrů, takže budou dost malé. Ale budou mít jen několik set atomů a budou mít hmotnost asi jednoho gramu. Jsou dost malé na to, aby se vyhnuly téměř všem druhům blížících se objektů, které se pohybují kolem vesmíru - ale v nešťastných šancích, které zasáhnou, bude celá kosmická loď pravděpodobně zničena. A my víme, že vedle Alpha Centauri nic není.

Ale je tu jeden velký problém, s nímž se nanocraft musí vypořádat - při rozjezdu světelného paprsku se nerozpadá. Očekává se, že plachta bude zasažena paprskem, který bude činit asi 60násobek slunečního světla dopadajícího na Zemi v daném okamžiku. Plachta se musí nejen udržet od tání, ale také se jí podaří dostat se do vesmíru, aniž by se roztrhla na kousky atmosférickými silami. Odhaduje se, že jedna část ze 100 000 laserů by byla více než dost na to, aby vyprázdnila plachtu. To se nikdy předtím nestalo. Neexistují žádné informace o tom, kolik testů bude projekt Starshot muset provést, než se dostane do správné části.

Jak funguje StarChip? Jaké údaje má shromažďovat?

StarChips - postavený na měřítku jednoho gramu a schopný zapadnout do dlaně jedné ruky - nebude nejmodernějším systémem, který nám pomáhá něco jako rovinář zvědavosti nebo kosmický dalekohled Kepler Space Telescope. studovat různé světy ve vesmíru. Budou velmi základní. Cílem je na čipu připevnit čtyři kamery (dva megapixely), což umožní některé velmi elementární zobrazení Alpha Centauri a různých planet a měsíců systému.

Tato data by byla přenášena zpět na Zemi pomocí zatahovací antény dlouhé metry nebo snad i pomocí světelného paprsku, aby se usnadnila laserová komunikace, která by mohla zaměřit signál zpět na Zemi.

Zdá se to dost standardní. Jaké jsou přesně ty obrázky, které nám mají ukázat?

Zde leží další neznámý. Když astronomové hodnotí potenciál jiných světů, aby byli obývatelní, dívají se na různé údaje, od teplot planety, složení, vzdálenosti od hostitelské hvězdy, od příznaků současné atmosféry - a ještě mnohem víc. Hodně z těchto věcí je měřitelné pouze různými typy kamer, které lze vidět přes elektromagnetické spektrum. Nanocrafty v tomto bodě by běžely na kamerách, ne příliš na rozdíl od toho, co používáme na našich smartphonech. To je sotva užitečné pro to, abychom pochopili, zda planeta nebo měsíc dokáže udržet jakýkoliv život, nebo již projevuje známky života.

Přesto, když si myslíte, že cílem je poslat více malých kosmických lodí do vzdáleného systému, který je násobek za necelé dvě desetiletí světelné roky, musíte někde snížit náklady.

I když tato věc přežije cestu do Alpha Centauri, jak má žít dost dlouho, aby shromáždila dostatek užitečných údajů?

Pro projekt Starshot je klíčová dlouhověkost. Nanokraft musí zůstat po několik desetiletí napájen, aby skutečně využil svého plného výzkumného potenciálu. Iniciativa Breakthrough proto navrhuje palubní zdroj energie založený na plutoniu-238 nebo Americium-241 o hmotnosti nejvýše 150 miligramů.

V podstatě, jak izotop plutonia nebo Americium se rozpadne, to by účtovalo ultrakondenzátor, který přepne na StarChip komponentách nutných pro uchopit obrazy a přenášet je zpátky na Zemi. Termoelektrický zdroj energie by také mohl být realizován, aby se využily teploty nanokraftů čelního povrchu, které stoupají, jakmile se blíží atmosférám jiných světů.

Také se zvažuje fotovoltaika - přeměna slunečního světla na energii. Jeden prototyp solární plachty, který byl testován Japonskem asi před šesti lety, IKAROS, namaloval povrch své solární plachty fotovoltaikou. To je nepraktické, když ho nanokraft konečně z hranic sluneční soustavy vyloučí, ale může být užitečný pro tuto dobu, aby ušetřil ještě více energie z baterie.

Velkou otázkou je, zda můžete udržet takové levné materiály životaschopné po dobu 20 až 50 let. V ideálním případě je pravděpodobnější, že dojde k tomu, že se od každého nanokraftu očekává, že bude sbírat data pouze po relativně krátkou dobu - přibližně několik měsíců. Pokud jsou Milner a společnost skutečně postaveni na masové produkci těchto věcí, pak by neměli mít problém poslat parta ve všech směrech, aby prozkoumali co nejvíce o Alpha Centauri. Očekávání, že každý z nich bude působit celé roky, je poměrně nepraktické, pokud nemůžeme přímo zasáhnout a přesunout jejich pohyby novými směry.

Náklady

Milnerovým vyjádřeným cílem je vytvořit každý nanocraft za cenu, kterou potřebuje na vybudování iPhone. Každé combo SmartChip a lightsail by neměly být více než několik set dolarů - a cílem je udržet přidávání lepších technologií, protože se v průběhu let stávají méně a méně nákladné.

Ve skutečnosti je nejdražší (a pravděpodobně nejméně proveditelnou) součástí tohoto projektu světelný paprsek. Mluvíme o 100 gigawattech energie po dobu dvou minut, abychom tu zatracenou věc vypálili. Jeden gigawatt může pohánět 700.000 domácností. To je dost pro 70 000 000 domácností.

To je dost na to, abychom mohli udržet několik malých zemí. To je stokrát více, než je množství typické jaderné elektrárny. Je to ohromující, když si uvědomíme, jak budou shromažďovat tolik energie na jedno místo, aby vyrazili do vesmíru spoustu nanokraftů.

Celkové náklady na jeden světelný paprsek jsou podle jednoho komentáře na webových stránkách Průlom 70 000 dolarů.

Jo, uvidíme o tom …