5 Lielie jautājumi par Starshot Nanocraft tehnoloģiju

Otrdien Krievijas miljardieris Jurijs Milners un slavens astrofizika Stephen Hawking paziņoja par savu 100 miljonu ASV dolāru plāno studēt Alfa Centauri, tuvāko Zemes zvaigzni (tikai 4,37 gaismas gadus). Mērķis, starp vairākiem dažādiem zinātniskiem pētījumiem, ir būtībā atrast, vai ārvalstnieki atrodas šajā meža kaklā vai vismaz tad, ja sistēmā ir planētas vai pavadoņi, kas spēj atbalstīt dzīvi.

Projekts saucas „Breakthrough Starshot”, kas sastāv no ultra-vieglu kosmosa kuģu (dēvētu par “StarChips”) nosūtīšanu uz Alpha Centauri, ko ved ar gaismas ventiļu, ko darbina 100 gigavatu gaismas staru kūlis.

Tas ir tikai aisberga gals. Viss plāns iznāk kā traks ģēnijs vai vienkārši traks. Jo vairāk jūs izrakt, tomēr, jo vairāk un vairāk šķiet, ka Milnera un viņa komandas plāns varētu būt iespējams.

Tas ir tāpēc, ka piedāvātā tehnoloģija patiesībā nav tālu no iespējas. Tas noteikti izstiepj iztēli, bet tas to neizjauc. Lightsail tehnoloģiju jau pārbauda vairākas pētniecības grupas, tostarp viena no tām, ko organizē Bill Nye. CubeSats pieaugums kā izmēra ziņā efektīvs, lēts kosmosa izpētes veids ir pierādījis, cik daudz var iegūt, veidojot mazākus, vieglākus kosmosa kuģus. Nanotehnoloģijas, ko rada Starshot, ir tikai loģisks solis šajā virzienā.

Tomēr ir daudz Jautājumi, kas paliek par to, kā ellē Milner, Hawking un pat Facebook dibinātājs Marks Zuckerbergs (investors) šo iespēju pametīs. Šeit ir pieci lielākie jautājumi par nanocraft tehnoloģiju un gaismas staru palaišanas sistēmu - un dažas atbildes, kas varētu sniegt zināmu ieskatu.

Gaismas sijas kā dzinējspēka tehnoloģija - lūdzu, paskaidrojiet!

Starshot plāns uzsākt šo nanocraft bērnu izmantošanu neizmanto degvielu un uguni - tas izmanto gaismu un lāzerus. Lieljaudas, koncentrēti lāzeri jau gadu desmitiem ir bijuši dzinējspēka inženieru intrigas avots, bet tikai nesen mēs varam beidzot iedomāties šādu tehnoloģiju izmantošanu vairākās lietojumprogrammās, tostarp pārvietojot orbitālos atkritumus no kritisko satelītu ceļa. Galu galā, gaisma ir enerģija, kas spēj iedarbināt spēku uz sistēmu.

Tas ir atslēgas vārds, lai gan: iedomāties. Mums vēl ir jāveido lāzera stari, kas var noņemt citu objektu vērā telpu caur milzīgo fotonu spēku. Zinātnieki strādā pie hibrīda piedziņas tehnoloģijām, kas izmantotu lāzerus kombinācijā ar tradicionālākām metodēm, bet ne kā vienīgo dzinēju.

Jūs varētu teikt, "bet tad kā saules bura ir jāstrādā kosmosā?" Nu, saules buru tehnoloģija prasa izmantot fotonus, ko rada saules stari, lai virzītu buru (un tās kosmosa kuģi) uz priekšu. Buru izpaužas kosmosa formā, kaut arī: raķetes.

Starshot apgalvo, ka gaismas staru kūlis - lāzeru masīvs, kas izveidots kilometru mērogā, potenciāli varētu nodrošināt līdz 100 gigawatiem staru enerģijas. Mēs nebūtu izmantojuši vienu ļoti lielu lāzeru, bet daudzus mazākus lāzerus. Varbūt miljoniem vai simtiem miljonu.

Vai tas varētu būt pietiekami spēcīgs spēks, lai iegūtu nanocraftus no Zemes atmosfēras un gravitācijas vilces? Var būt. Milner uzskata, ka Starshot ir labāka iespēja, izveidojot starta spilventiņu augstā augstumā, piemēram, Atakamas tuksnesī. (Šeit ir minēti četri ieteikumi.) Tas ir arī pietiekami sauss, lai samazinātu varbūtību, ka ūdens tvaiks varētu uzkrāties un radīt papildu svaru kosmosa kuģim vai traucēt lāzera spēku, kad tas spiež kosmosa kuģi.

Ja viss iet labi, zondes būtu ceļā uz Alpha Centauri 100 miljonu jūdžu stundā un sasniegs sistēmu 20 gadu laikā.

Lightsails ir super plānas un smalks. Kā šai lietai vajadzētu izdzīvot? Kā ir paredzēts izdzīvot akmeņus un putekļus, kas vēršas ap telpu divdesmit gadus?

Lightsail ir izgatavots no ultra-plānas “metamateriāla (saķeršanās termins, kas attiecas uz eksperimentāliem materiāliem), kas paredzēts, lai paņemtu pretī esošos fotonus no gaismas avota un izmantotu tos kā spiedienu, kas iedarbojas uz burām. Tā rezultātā bura spēj virzīties uz priekšu un pat paātrināt ātrumu.

Kā jau minēju, lightsails nav jauns. Bils Nye un Planētu biedrība ir strādājuši pie lightsail projekta, kura mērķis ir pierādīt šādas tehnoloģijas dzīvotspēju kā rentablu kosmosa kuģu dzinējspēku. NASA 2018.gadā uzsāk lidmašīnu ar nulles asteroīdo skautu (NEA Scout) Orion par kosmosa palaišanas sistēmas atklāšanas misiju, kas dosies uz tuvējo asteroīdu, izmantojot paplašināmu saules buru.

Abi šie gaismiņi saskaras ar tādu pašu sadursmes problēmu ar starpzvaigžņu putekļiem un būvgružiem, kas varētu braukt caurumi burā un izkustināt visu. Tas ir diezgan atšķirīga iespēja, bet tas ir ierobežots ar pāris apsvērumiem.

Pirmkārt: telpa ir liels. Apmēram ir daudz peldošas vielas, bet tas nav tāds, kā šeit uz Zemes, kur daļiņas gaisā ir visur, kur mēs pagriezamies. Objekti kosmosā ir jūdžu attālumā - tikpat kā 10 līdz pat miljoniem, bet jūdzes tomēr. Iespēja nokļūt kaut ko, kaut arī reālā, joprojām ir samērā attālināta.

Otrkārt, šie buras bija īpaši konstruēti tā, lai tie paliktu relatīvi cieti bojājumu laikā. Ņemiet, piemēram, NEA skautu. NASA ir pārbaudījusi, cik lielā mērā tā gaismas spilvens var saglabāt strukturālo integritāti pat tad, ja tas ir ar dažiem bitu kosmosa junk šeit un tur. Kamēr nav katastrofāla trauma (piemēram, asteroīds, kas ir Teksasas stobra izmērs kosmosa kuģī), NEA Scout joprojām var virzīties uz priekšu un manevrēt pēc NASA komandām.

Starshot nanocrafts arī jārisina ar šīm problēmām. Tiek prognozēts, ka viņu gaismas ķermeņi izstiepsies kaut kādā mērogā dažu metru mērogā, tāpēc viņi būs diezgan mazi. Bet tie būs tikai daži simti atomu biezi, un to masa ir aptuveni 1 grams. Tie ir pietiekami mazi, lai izvairītos no gandrīz visa veida pretī esošu objektu skaita, kas peld ap kosmosu - bet nelaimīgajos izredzes, ko viņi saņem, viss kosmosa kuģis, iespējams, tiks iznīcināts. Un mēs neko nezinām par putekļu saturu Alpha Centauri.

Bet ir viena liela problēma, ar kuru vien ir jārisina nanocraftam - nesalaužoties gaismas staru palaišanas laikā. Paredzams, ka buru ietekmēs staru kūlis, kas būs aptuveni 60 reizes lielāks par saules gaismu, kas jebkurā brīdī skar Zemi. Buru ir jāuztur ne tikai no kausēšanas, bet arī jāspēj iekļūt kosmosā bez atmosfēras spēkiem. Aptuveni viena daļa no 100 000 lāzera būtu vairāk nekā pietiekami, lai iztvaikotu buru. Tas vēl nekad nav izdarīts. Nav ziņots, cik lielā mērā Starshot projektam būs jāveic testēšana, pirms iegūsit šo daļu.

Kā darbojas StarChip? Kādus datus vajadzētu vākt?

StarChips, kas ir uzbūvēta pēc viena grama skalas un spēj iederēties plaukstā, nebūs mūsdienīga sistēma, kas kaut kas līdzīgs zinātkāriem vai Keplera kosmiskā teleskopam ir palīdzējis mums mācīties dažādās pasaulēs kosmosā. Tās būs ļoti vienkāršas. Mērķis ir ielīmēt četrus kameras (katrs 2 megapikseļi) uz mikroshēmas, kas ļaus dažus ļoti elementārus attēlus no Alpha Centauri un dažādām sistēmas planētām un pavadoņiem.

Šie dati tiktu nosūtīti atpakaļ uz Zemi, izmantojot ievelkamu metru garu antenu, vai pat, izmantojot gaismas signālu, lai atvieglotu lāzera sakarus, kas var koncentrēt signālu atpakaļ uz Zemi.

Tas šķiet pietiekami standarts. Kas tieši ir tie attēli, kurus mums vajadzētu parādīt?

Tajā atrodas vēl viens nezināms. Kad astronomi novērtē citu pasaules potenciālu, lai tie būtu apdzīvojami, viņi meklē dažādus datus, sākot no planētas temperatūras, sastāva, attāluma no saimniekzvaigznes, pašreizējās atmosfēras pazīmēm - un vēl daudz vairāk. Daudzas šīs lietas ir izmērāmas tikai ar dažāda veida kamerām, kuras var redzēt visā elektromagnētiskajā spektrā. Šajā brīdī nanocrafts darbotos ar kamerām, kas nav pārāk atšķirīgas no tā, ko mēs izmantojam mūsu viedtālruņos. Tas ir tikpat noderīgi, lai tiešām saprastu, vai planēta vai mēness spēj uzturēt jebkādu dzīvi, vai jau ir dzīvības pazīmes.

Tomēr, ja jūs domājat, ka mērķis ir nosūtīt vairākus mazus kosmosa kuģus uz attālinātu sistēmu, kas ir vairāki divus gadu desmitus prom no gaismas gadiem, jums kaut kur jāsamazina izmaksas.

Pat ja šī lieta izdzīvo ceļā uz Alpha Centauri, kā tas ir vajadzīgs, lai dzīvotu pietiekami ilgi, lai savāktu pietiekami daudz noderīgu datu?

Ilgmūžība ir būtiska Starshot projektam. Nanocraftam jāturpina darboties jau vairākus gadu desmitus, lai patiešām izmantotu to pilnīgu pētniecības potenciālu. Lai to panāktu, iniciatīva „Izrāviens” ierosina uz borta balstītu enerģijas avotu, kura pamatā ir plutonija-238 vai Americium-241, kas sver ne vairāk kā 150 miligramus.

Būtībā, tā kā plutonija vai Americium izotops izzūd, tas uzlādētu ultra-kondensatoru, kas ieslēdz StarChip komponentus, kas nepieciešami, lai attēlotu attēlus un pārraidītu tos atpakaļ uz Zemi. Var izmantot arī termoelektrisko enerģijas avotu, lai izmantotu nanocrafts frontālās virsmas temperatūras, kas sākas, tuvojoties citu pasaules atmosfērai.

Tiek apsvērta arī saules gaismas pārvēršana enerģijā. Viens saules buru prototips, ko Japāna pārbaudīja apmēram pirms sešiem gadiem, IKAROS, krāsoja saules buru virsmu ar fotoelementiem. Tas ir nepraktiski, ja nanocraft beidzot to izslēdz no saules sistēmas robežām, bet tas varētu būt noderīgs, lai saglabātu vēl lielāku akumulatora enerģiju.

Lielais jautājums ir, vai jūs varat saglabāt šādus lētus materiālus dzīvotspējīgus 20 līdz 50 gadu laikā. Ideālā scenārijā, visticamāk, ir lielāka iespēja, ka katrs nanocraftam būs jāapkopo dati tikai salīdzinoši īsā laika periodā - apmēram dažus mēnešus. Ja Milner un uzņēmums patiešām ir uzlikuši masu, kas ražo šīs lietas, tad viņiem nevajadzētu būt nekādai problēmai, nosūtot ķekaru katrā virzienā, lai izpētītu tik daudz, cik iespējams par Alpha Centauri. Gaidot, ka katrs darbosies ilgus gadus, ir diezgan nepraktiski, ja mēs nevaram tieši iejaukties un novirzīt to kustību jaunos virzienos.

Izmaksas

Milner izteiktais mērķis ir padarīt katru nanocraft par izmaksām, kas nepieciešamas, lai izveidotu iPhone. Katrai SmartChip un lightsail kombinācijai nevajadzētu būt vairāk par dažiem simtiem dolāru - un mērķis ir saglabāt labākas tehnoloģijas, jo tās gadu gaitā kļūst arvien lētākas.

Patiesībā visdārgākā (un varbūt vismazāk iespējama) projekta daļa ir gaismas staru kūlis. Mēs runājam par 100 gigavatiem jaudas divas minūtes, lai nopostītu nopeltās lietas. Viens gigawatt var izmantot 700 000 māju. Tātad tas ir pietiekami 70 000 000 māju.

Tas ir pietiekami, lai spētu saglabāt vairākas mazas valstis. Tas ir 100 reižu lielāks par to, ko ražo tipiska atomelektrostacija. Tas ir prātīgi, ka pat izdomāt, kā viņi gatavojas savākt šo daudz enerģiju vienā vietā, lai izlaistu kosmosā vairākus nanocraftus.

Vienas gaismas spuldzes piespiešanas kopējās izmaksas, saskaņā ar viena komentētāja sniegto informāciju Breakthrough tīmekļa vietnē, ir $ 70,000.

Jā, mēs to redzēsim…