5 store spørgsmål om Starshot Nanocraft Technology

På tirsdag meddelte den russiske milliardær, Yuri Milner og den berømte astrofysik Stephen Hawking, at deres $ 100 millioner planlægger at studere Alpha Centauri, det nærmeste stjernesystem til Jorden (kun 4,37 lysår væk). Målet er blandt flere forskellige videnskabelige undersøgelser at finde ud af, om udlændinge eksisterer i skovens hals eller i det mindste hvis der er planeter eller måner i systemet, der er i stand til at støtte livet.

Kaldet Breakthrough Starshot, projektet består i at sende ultra-lightweight rumfartøjer (kaldet "StarChips") på vej til Alpha Centauri båret af en lyssejl, der drives af en 100 gigawatt lysstråle.

Dette er bare toppen af ​​isbjerget. Hele planen kommer ud som enten sint geni eller bare galt. Jo mere du graver i, jo mere og mere ser det ud til, at planen fra Milner og hans besætning måske faktisk ville være muligt.

Dette skyldes, at den teknologi, de foreslår, ikke er langt væk fra mulighederne. Det strækker helt sikkert fantasien, men det bryder det ikke. LightSail-teknologien er allerede ved at blive testet af ganske få forskergrupper, herunder en af ​​Bill Nye. Stigningen i CubeSats som en størrelse-effektiv, billig måde at udføre rumforskning på, har virkelig vist, hvor meget der kan opnås ved at skabe mindre, lettere rumfartøjer. Nanocrafts som pitched af Starshot er bare et logisk skridt i den retning.

Stadig er der masser af spørgsmål, der forbliver om, hvordan helvede Milner, Hawking, og selv Facebook-grundlægger Mark Zuckerberg (en investor) kommer til at trække dette ud. Her er de fem største spørgsmål om nanocraft-teknologien og lysstråle-lanceringssystemet - og nogle svar, der kan give noget indblik.

Lysstråler som fremdrivningsteknologi - forklar venligst!

Starshot planlægger at lancere disse nanocraft babyer bruger ikke brændstof og ild - det bruger lys og lasere. Højdrevne, fokuserede lasere har været en kilde til intriger for fremdriftsingeniører i årtier nu, men det er først for nylig, at vi endelig kan tænke på at bruge sådan teknologi i flere applikationer - herunder at flytte orbitalrester ud af vejen til kritiske satellitter. Lyset er trods alt en energi, der er i stand til at udøve kraft på et system.

Det er det centrale ord, selvom: forestille sig. Vi har endnu ikke faktisk opbygget en laserstråle, der kan skyde et andet objekt væk ind i plads gennem ren kraft af fotoner. Forskere arbejder på hybrid fremdrivning teknologier, der ville bruge lasere i kombination med mere konventionelle metoder, men ikke som eneste drivmiddel.

Du kan måske sige, "men hvordan skal solseglen fungere i rummet?" Nå kræver solsigsteknologien brug af fotoner produceret af solens stråler for at fremdrive sejlet (og dets rumfartøj) fremad. Seilet kommer til at rumme den gammeldags måde selvom: raketter.

Starshot hævder, at en lysbjælker - en serie af lasere opstillet i en kilometer bred skala - potentielt kunne give op til 100 gigawatt af strålet energi. Vi ville ikke bruge en ultra stor laser, men i stedet mange mindre. Måske millioner eller hundredvis af millioner.

Kunne det nok være nok til at få nanokraften ud af Jordens atmosfære og gravitationstræk? Måske. Milner mener, at Starshot er en bedre chance ved at oprette lanceringspuden i et højhøjt miljø, som Atacama ørkenen. (Her er fire forslag, vi lavede i dag.) Det er også forholdsvis tørt nok til at reducere sandsynligheden for, at vanddamp kunne bygge op og skabe større vægt på rumfartøjet eller forhindre laserens kraft, da det skubber rumfartøjet op.

Hvis alt går godt, vil proberne være på vej til Alpha Centauri på 100 millioner miles i timen, og nå systemet inden for 20 år.

Lightsails er super tynde og super delikate. Hvordan skulle denne ting overleve lanceringen? Hvordan er det meningen at overleve klipperne og støvet spinder rundt i rummet i tyve år?

Et lyssignal er lavet af et ultra-tyndt "metamateriale (et fangstbegreb, der refererer til eksperimentelle materialer), der er designet til at samle imod fotoner fra en lyskilde og bruge dem som en trykkraft, der udøves på selve seglet. Resultatet er, at sejl er i stand til at bevæge sig fremad og endda accelerere til meget højere hastigheder.

Som jeg nævnte, lyslys er ikke nye. Bill Nye og Planetary Society har arbejdet på et lightail projekt, der søger at bevise levedygtigheden af ​​en sådan teknologi som et omkostningseffektivt rumfartøj fremdrift design. NASA lancerer Near Earth Asteroid Scout (NEA Scout) i 2018 ombord Orion til den indledende mission for Space Launch System, som vil gøre sin vej til et nærliggende asteroide via et ekspanderbart solsejl.

Begge disse lyslys løber ind i det samme problem med at kollidere med interstellært støv og snavs, som kan pege huller i sejlet og spore hele grebet. Det er en temmelig særskilt mulighed, men det er begrænset af et par overvejelser.

Første: plads er stor. Der er masser af stykker af materiel, der flyder rundt, men det er ikke som her på Jorden, hvor partikler i luften er overalt, vi vender om. Objekter i rummet er miles fra hinanden - så lidt som 10 til så meget som millioner, men miles alligevel. Muligheden for at ramme noget - mens det er rigtigt - er stadig forholdsvis fjernt.

For det andet var disse sejl specifikt designet til at forblive relativt solide under skade. Tag f.eks. NEA Scout. NASA har testet, hvor godt dets lyssignal kan opretholde strukturel integritet, selvom det rammes med et par stykker rumskramme her og der. Så længe der ikke er en katastrofal skade (som f.eks. En asteroide, som Texas springer ind i rumfartøjet), kan NEA Scout stadig bevæge sig fremad og manøvrere sig selv på kommandoer fra NASA.

Starshot nanocraften skal også kæmpe med disse problemer. Deres lyssignaler forventes at strække sig ud på noget på skalaen af ​​nogle få meter, så de bliver ret små. Men de vil kun være et par hundrede atomer tykke og have en masse på omkring et gram. De er små nok til at undgå næsten enhver form for imødekommende antal genstande, der flyder rundt i rummet - men i de uheldige odds, de bliver ramt, vil hele rumfartøjet sandsynligvis blive ødelagt. Og vi ved næsten ingenting om støvindholdet i Alpha Centauri.

Men der er et stort problem, som nanocraft alene har at gøre med - ikke falder fra hinanden under lysstråle lanceringen. Seilet forventes at blive ramt af en stråle, der vil svare til omkring 60 gange sollyset, der rammer jorden på et hvilket som helst tidspunkt. Seilet behøver ikke kun at smelte, men klarer også at komme ind i rummet uden at blive revet til strimler af atmosfæriske kræfter. En anslået en del i 100.000 af laseren ville være mere end nok til at fordampe sejlet. Dette har aldrig været gjort før. Der er ingen at fortælle, hvor meget test, Starshot-projektet skal udføre, før du får denne del rigtigt.

Hvordan virker StarChip? Hvilke typer data skal den indsamle?

StarChips - bygget på en grams skala og i stand til at passe i håndens håndflade - vil ikke være det ultramoderne system, som noget som nysgerrighedsrover eller Kepler Space Telescope har været med til at hjælpe os at studere forskellige verdener i rummet. De vil være meget grundlæggende. Målet er at holde fire kameraer (to megapixel hver) på chipet, der giver mulighed for nogle meget elementære billeder af Alpha Centauri og de forskellige planeter og måner i systemet.

Disse data ville blive transmitteret tilbage til Jorden ved hjælp af en tilbagetrækningsmåler-lang antenne, eller måske endda ved hjælp af lysspidsen for at lette laserbaseret kommunikation, som kunne fokusere et signal tilbage mod jorden.

Det virker som standard nok. Hvad skal disse billeder vise os?

Deri ligger en anden ukendt. Når astronomer vurderer potentialet i andre verdener til at være beboelige, ser de på en masse forskellige data, lige fra planetens temperaturer, sammensætning, afstand fra værtsstjernen, tegn på en nutidig atmosfære - og meget mere. En masse af disse ting er kun målbare gennem forskellige typer kameraer, der kan se på tværs af det elektromagnetiske spektrum. Nanokraften på dette tidspunkt ville køre på kameraer, ikke alt for, hvad vi bruger på vores smartphones. Det er næppe nyttigt for virkelig at forstå, bare om en planet eller måne kunne opretholde enhver form for liv eller allerede udviser tegn på liv.

Men når du overvejer, er målet at sende flere små rumfartøjer ud til et fjernt system, der er mange lysår væk i løbet af to årtier, skal du sænke omkostningerne et eller andet sted.

Selv om denne ting overlever rejsen til Alpha Centauri, hvordan skal den leve længe nok til at indsamle nok nyttige data?

Lang levetid er afgørende for Starshot-projektet. Nanocraft skal forblive drevet i adskillige årtier for virkelig at udnytte deres fulde forskningspotentiale. Med henblik herpå foreslår gennembrudsinitiativet en energikilde om bord baseret på plutonium-238 eller Americium-241, der vejer ikke mere end 150 milligram.

I grund og grund, som plutonium- eller Americium-isotopen falder, vil det oplade en ultrakondensator, der tænder de StarChip-komponenter, der er nødvendige for at snappe billeder op og sende dem tilbage til Jorden. En termoelektrisk energikilde kunne også implementeres for at udnytte nanokraftens frontoverfladetemperaturer, der stiger, da den begynder at nærme sig atmosfærerne i andre verdener.

Photovoltaics - omdanne sollys til energi - er også under overvejelse. En solseglingsprototype, der blev testet af Japan for cirka seks år siden, malede IKAROS overfladen af ​​sit solfangse med en fotovoltaik. Dette er upraktisk, når nanocraft endelig gør det uden for solsystemets grænser, men kan være nyttigt i den periode for at spare endnu mere batteristrøm.

Det store spørgsmål er, om du kan holde sådanne billige materialer levedygtige i løbet af 20 til 50 år. I et ideelt scenario er det sandsynligvis mere sandsynligt, at hver nanocraft kun forventes at indsamle data for et relativt kort tidsrum - omkring et par måneder. Hvis Milner og Company virkelig er sat på masse, der producerer disse ting, så burde de ikke have noget problem at sende en flok i alle retninger for at udforske så meget, som de kan om Alpha Centauri. Forvente, at hver enkelt arbejder i årevis, er temmelig upraktisk, hvis vi ikke direkte kan gribe ind og flytte deres bevægelser i nye retninger.

Koste

Milners udtrykte mål er at gøre hver nanocraft til om de omkostninger, det kræver at opbygge en iPhone. Hver SmartChip og lightail combo bør ikke være mere end et par hundrede dollars - og målet er at fortsætte med at tilføje bedre teknologier, da de bliver mindre og billigere gennem årene.

I virkeligheden er den dyreste (og sandsynligvis mindst mulige) del af dette projekt lysstrålen. Vi taler om 100 gigawatt af magt i to minutter for at afbrænde den forfærdelige ting. En enkelt gigawatt kan drive 700.000 boliger. Så det er nok for 70.000.000 boliger.

Det er nok til magt for at holde flere små lande i gang. Det er 100 gange mængden produceret af et typisk atomkraftværk. Det er overvældende at selv forstå hvordan de skal samle denne meget energi på ét sted for at lancere en flok nanokraft ud i rummet.

De samlede omkostninger ved en lysbjælkefyring kan ifølge en kommenterer på Breakthroughs hjemmeside være $ 70.000.

Ja, vi vil se om det …