Breakthrough Starshot er et forsknings- og ingeniørprojekt under Breakthrough Initiatives -programmet for at udvikle konceptet med en flåde af interstellare rumsonder ved hjælp af et let sejl kaldet StarChip [1] [2] [3] .
Denne type rumfartøjer vil ifølge forfatterne kunne rejse til stjernesystemet Alpha Centauri , 4,37 lysår væk fra Jorden, med en hastighed på op til 20 % af lysets hastighed [4] , hvilket vil tage ca. 20 år og omkring 5 år mere til at underrette Jorden om en vellykket ankomst. Samtidig er målet med projektet ikke specifikt denne rejse, men et bevis på muligheden for at implementere det koncept, der ligger til grund for det. I processen med at opnå det indebærer arbejdet inden for programmets rammer også andre nyttige punkter for den moderne astronomis opgaver, såsom studiet af solsystemet og beskyttelse mod asteroider [1] [5] [2] [6] .
Projektlederen er Pete Worden ; Holdet af videnskabelige rådgivere ledet af Avi Loeb omfatter også 25 førende videnskabsmænd og specialister, herunder den britiske astronom Royal Martin Rees , nobelprismodtager astrofysiker Saul Perlmutter fra University of California i Berkeley , Ann Druyan , executive producer af dokumentarserien Space : rum og tid " og enken efter Carl Sagan , samt matematikeren Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study [4] [1] [7] .
De grundlæggende konceptuelle principper for interstellar rejse blev beskrevet i Roadmap to Interstellar Flight [8] [9] af Dr. Philip Lubin fra University of California, Santa Barbara . Men ideen om at accelerere et rumfartøj med superkraftig laserstråling rettet mod et sejl blev udtrykt tilbage i 1970'erne af fysikeren og science fiction-forfatteren Robert Forward [10] , og forskellige variationer af det blev efterfølgende fremsat, i især af NASA-specialist og forfatter Geoffrey Landis , deltager i det aktuelle projekt [11] [12] . Men indtil nu har det ikke modtaget praktisk udvikling på grund af store tekniske vanskeligheder og utilstrækkeligt niveau af nødvendige teknologier [13] [7] [14] .
Projektet blev annonceret den 12. april 2016 (på 55-årsdagen for den første menneskelige rumflyvning ) på en pressekonference afholdt i New York af den russiske iværksætter Yuri Milner og astrofysikeren Stephen Hawking , der fungerede som medlemmer af initiativrådet. Også i initiativbestyrelsen var Facebooks administrerende direktør Mark Zuckerberg . Projektet har modtaget en indledende finansiering på 100 millioner USD (til at starte forskning i de næste 5-10 år), som er planlagt brugt på en feasibility-undersøgelse af konceptet. Næste trin er at lave en model i skala 1/100. Milner anslår de endelige omkostninger ved missionen til mellem US$5 milliarder og US$10 milliarder i håb om, at andre private investorer vil følge trop i fremtiden, og foreslår også, at det første rumfartøj kan blive opsendt om 20 år [4] [2] [ 15] [6 ] ] [14] .
Umiddelbart efter den officielle annoncering af programmet ramte en bølge af kritik fra videnskabsmænd og tekniske eksperter inden for forskellige områder projektets forfattere [16] . Nogle kritikpunkter blev taget i betragtning, og Lubins oprindelige flyveplan blev justeret lidt i den første iteration [6] . En offentlig diskussion [17] blev åbnet , hvor alle kan diskutere tekniske vanskeligheder med hensyn til projektimplementering og måder at overvinde dem på; medlemmer af projektgruppen [5] deltager aktivt i det .
I august 2016 afholdt forskere involveret i Breakthrough Starshot-projektet det første videnskabelige møde, hvor de diskuterede udsigterne til at udvikle et system, der vil sende nanosonder til Alpha og Proxima Centauri i midten af århundredet [18] .
I begyndelsen af 2017 sluttede European Southern Observatory (ESO) sig til det overordnede Breakthrough Initiatives- projekt. I henhold til den underskrevne aftale vil Breakthrough Initiatives finansiere opgraderingen af VISIR-instrumentet ved ESO's Very Large Telescope i Chile for at forbedre det og øge sin søgen efter potentielt beboelige exoplaneter i Alpha Centauri-stjernesystemet, hvor Breakthrough Starshot-missionen kunne være sendes i fremtiden. ESO vil give Breakthrough Initiatives Very Large Telescope i 2019 for at udføre detaljerede observationer [19] [20] .
Den næste videnskabelige konference, hvor de seneste opdagelser af potentielt beboelige exoplaneter i nærliggende stjernesystemer ( Alfa Centauri og TRAPPIST ) blev diskuteret, blev afholdt i april 2017 på Stanford University [21] .
I juni 2017 blev de første fungerende prototyper af nanosonder med succes lanceret i lav kredsløb om Jorden - chips, der måler 3,5 gange 3,5 cm og vejer omkring 1 gram, med et solpanel, en mikroprocessor, en sensor og et kommunikationssystem. Enhederne, kaldet "Sprites" ("Sprites") [22] , blev udviklet af projektdeltageren Zach Manchester og lanceret i kredsløb ved hjælp af den lettiske satellit "Venta" og den italienske "Max Valle" (begge fremstillet til uddannelsesformål af Det tyske firma OHB System AG ), modtages signaler med succes fra dem [23] [24] .
StarShot-konceptet er at opsende et grundlæggende rumfartøj, der vil bære omkring tusinde små (1 gram masse) [2] rumfartøjer i høj kredsløb og derefter opsende dem én efter én. Hver mikrosonde er forbundet med kraftige slynger til et solsejl , der måler omkring 4×4 m, 100 nm tykt og vejer 1 g [25] . Derefter fokuserer jordbaserede lasere en 50-100 GW stråle på sejlet i 10 minutter [26] . Laserkraftværket er et faseopdelt array på 20 millioner små (med en åbning på 20-25 cm) laseremittere på 1 × 1 km i størrelse; ved hjælp af faseinddeling (dvs. faseændring på hver enkelt emitter), er det meningen, at den skal fokusere stråling med en bølgelængde på 1,06 μm fra hele arrayet til en plet med en diameter på flere meter i en afstand på op til 2⋅10 6 km (den maksimal fokuseringsnøjagtighed er 10 −9 radianer). Dette vil give en acceleration på omkring 30.000 g , på grund af hvilken proberne vil nå målhastigheden på 20 % af lyshastigheden [5] .
Flyveturen til Alpha Centauri vil vare omkring 20 år. Hvis der er planeter på størrelse med Jorden inden for den beboelige zone (og indtil videre er kun én af dem, Proxima b [27] , blevet bekræftet at eksistere ), vil Breakthrough Starshot forsøge at målrette rumfartøjer inden for 1 astronomisk enhed af dem. Fra denne afstand vil kameraerne være i stand til at tage et billede af høj nok kvalitet til at se planetens topografi. For at opnå en sådan opløsning med et rumteleskop i kredsløb om Jorden, skulle dette teleskop være i størrelsesordenen 300 km i diameter [28] .
Yderligere skal denne information overføres til Jorden; ifølge projektets forfattere, ved målet manøvrer sonden på en sådan måde, at sejlet bliver til en Fresnel-linse , der fokuserer sondesignalet i retning af Jorden. Ifølge estimater forstærker en ideel linse med ideel fokus og ideel orientering et signal med en effekt på 1 W til 10 13 W i isotropisk ækvivalent. Så hvert lille rumfartøj vil transmittere data ved hjælp af et kompakt laserkommunikationssystem om bord, ved at bruge sit eget sejl som en antenne. Fem år senere modtages disse data på Jorden ved hjælp af det samme lasersystem [26] [6] . Det forventes ikke, at proberne selv vender tilbage, da der ikke er noget system for deres deceleration [13] .
Ud over at studere exoplaneter i Alpha Centauri-systemet er det muligt at organisere en mission til et andet stjernesystem, dog vil en flyvning til den nærmeste af dem, selv med en hastighed på 0,2 s , tage 50 år. Der er dog andre muligheder for den nyttige anvendelse af Breakthrough Starshot- komponenterne i astrofysik. Laseranlægget, den dyreste del af projektet, kan senere bruges til flyvninger af andre rumfartøjer både i solsystemet og ud over det [4] [29] . Så en rumnanosonde, accelereret til 20% af lysets hastighed, er i stand til at flyve til Mars på en time (hvorimod en moderne enhed tager omkring 9 måneder at gøre dette), til Pluto (hvor New Horizons -enheden fløj i 9 år) - på en dag og om ugen for at komme ind i det interstellare rum. Selv en hastighed på 2 % af lysets hastighed vil reducere flyvetiden markant. Derudover kan laserfaciliteten hypotetisk bruges både som et teleskop af hidtil uset størrelse og som et asteroideforsvarsværktøj , der er i stand til at detektere potentielt farlige objekter på stor afstand og endda ændre deres bane ved hjælp af laserablationsteknologi [ ] [28] [ 5] [31] .
Men under alle omstændigheder vil de første flyvninger ifølge Philip Lubin blive foretaget inden for solsystemet: ”Fordi vi kan sende et enormt antal sonder, giver det os mange forskellige muligheder. Vi kan også sende lignende små (wafer-skala, det vil sige på en chip) sonder på konventionelle raketter og bruge de samme teknologier til at studere Jorden eller planeter og deres satellitter i solsystemet” [6] [5] .
Hvis menneskeheden i sin videnskabelige og teknologiske udvikling er i stand til at udføre en sådan mission, kan vi antage en sådan mulighed for en anden hypotetisk udenjordisk civilisation . Så inden for rammerne af SETI-projektet kan en af retningerne være et forsøg på at rette tegn på driften af en laserbooster på grund af dens exceptionelle kraft. Ifølge beregninger, udstrålende i mikrobølgeområdet, kunne det skabe en strøm af flere yang i en afstand på 100 parsecs i flere titusinder af sekunder, som kunne detekteres med en sandsynlighed på 10% med en observationsvarighed på 5 år [32] .
Brugen af lys til fremdrift kræver enorm kraft: en gigawatt-laser vil kun give 7 Newtons tryk [13] . Rumfartøjet vil kompensere for lavt tryk på grund af dets lave masse, kun et par gram. Og hver af dem skal bære et kamera, et kontrolmodul, en kommunikationsknude, et orienteringssystem og en energikilde [13] [17] . Men at placere så meget nyttelast i et ekstremt lille volumen er ganske muligt i dag takket være fremskridt inden for mikroelektronik sammen med billigere produktion i overensstemmelse med Moores lov , bemærker Milner [2] [26] . Prober kan drives af en radioaktiv miniaturekilde , såsom americium-241 , der bruges i røgdetektorer, eller traditionel plutonium-238 [4] [7] [33] .
Alle komponenter skal være designet til at modstå ekstreme accelerationer (det er stadig at se, hvordan al elektronik vil opføre sig under sådanne forhold), kulde, vakuum og kollisioner med protoner. Rumfartøjet skal også modstå adskillige kollisioner med kosmisk støv . Det forventes, at hver frontal kvadratcentimeter vil kollidere med høj hastighed (hvilket i høj grad øger den potentielle fare) med omkring tusinde partikler på 0,1 mikron og større [13] [34] [7] . Interaktion med interstellar gas og støv kan føre til forvrængning af køretøjers bane, deres overophedning, mekanisk skade og endda fuldstændig ødelæggelse, afhængigt af materialet; ifølge projektspecialisternes skøn er grafit mindre sårbar end kvarts [35] . Sandsynligheden for kollisioner med partikler på selv 1 mikron i størrelse i et relativt sjældent rum for miniatureanordninger forbliver dog ret lille [7] ; for større størrelser er den fuldstændig ubetydelig [34] . Det er muligt at minimere kollisionstværsnittet ved at dreje køretøjerne i længderetningen langs bevægelseslinjen eller ved generelt at lave dem i form af tynde nåle. Det foreslås også at bruge en belægning med et beskyttende lag, for eksempel fra randol . Selv belægningsmuligheder overvejes med sådanne egenskaber, der ville gøre det muligt at indsamle den termiske energi fra kollisioner og gøre den til nyttig [36] . Afvigelser fra banen er ret små og kan let kompenseres ved hjælp af fotoniske attitude thrustere [34] [9] . Endelig er det store antal nanosonder beregnet til at kompensere for tab [26] [7] [4] .
Sejlet vil også blive udsat for ekstremt høje belastninger, så kravene til det er også meget høje. I den originale version af Lyubin [9] var dens areal kun 1 m2 , men med sådanne parametre modstår den muligvis ikke opvarmning under acceleration inden for laserstråling, så den nye version bruger et sejl med et areal på 16 m2 , så det termiske regime vil være, om end ret barskt , men bør ifølge foreløbige skøn ikke smelte eller ødelægge sejlet [25] . Opgaven forenkles af, at sejlet ikke skal absorbere stråling af kun en bestemt frekvens [13] , hvilket gør det muligt at bruge dielektriske spejle frem for metalliserede belægninger som grundlag for det . Som sejlets materiale betragtes flerlags dielektriske spejle, der reflekterer 99,999% af det indfaldende lys (ifølge foreløbige beregninger skulle dette være nok til at forhindre sejlet i at smelte i strålingsfeltet fra en 100-GW laser). En alternativ lovende tilgang, der gør det muligt at gøre tykkelsen af sejlet mindre end bølgelængden af det reflekterede lys, er at bruge et monolag af et metamateriale med et negativt brydningsindeks som sin base (sådan et materiale har også nanoperforeringer, hvilket yderligere reducerer dens masse). En anden mulighed er et enkeltlags dielektrisk spejl lavet af et materiale med lav absorption (10 −9 ), såsom optiske materialer til lysledere . Et sådant spejl vil have en relativt lille refleksionskoefficient sammenlignet med et flerlags spejl , men det vil have en mindre masse [6] [25] . På den anden side opstår der yderligere kompleksitet fra accelerationen af systemet - det forårsager et gradvist stigende Doppler - frekvensskift af den accelererende stråling, der rammer sejlet, mere end 20% i alt. Derfor bliver man enten nødt til dynamisk at indstille frekvensen af lasere, eller designe et reflektormateriale med en tyve procents båndbredde [5] . For at bevare formen foreslås det at forstærke sejlet med grafen . Nogle grafen-baserede kompositmaterialer kan trække sig sammen, når de udsættes for en påført elektrisk spænding til aktiv kontrol. Til stabilisering kan sejlet vrides ud eller formes til en omvendt kegle til passiv selvstabilisering i laserstrålingsfeltet [6] [34] [37] . Nyere beregninger viser dog, at den kugleformede form er fordelagtig i mange henseender [38] .
Ydermere præsenterer jordfremdrivningssystemet til overclocking af systemet også en meget vanskelig designudfordring på grund af dets hidtil usete omfang og effekt svarende til 10-20 Krasnoyarsk vandkraftværker ; stråling på 100 GW i 100 sekunder svarer til en energi i størrelsesordenen 1 terajoule [39] . Det forenkles dog af det faktum, at kræfter i størrelsesordenen 100 GW ikke kræves kontinuerligt, samtidigt og i lang tid: ifølge projektets forfattere kunne laseren fungere i strømakkumuleringstilstanden ved en slags kæmpe kondensator og efterfølgende udsendelse af korte impulser på cirka 20 GW [7] . Dette er ikke så meget sammenlignet med moderne energiomkostninger for traditionelle raketflyvninger - omkring 45 GW til opsendelse og opnåelse af kinetisk energi i de første 10 minutter af flyvningen er kun flere gange mindre end det, et nanoskib, der bevæger sig med en hastighed på 0,2 s. , som bemærket af Philip Lubin [13] . Som en mulighed foreslås det at designe et system baseret på master oscillatorer , hvoraf de fleste elementer blot er forstærkere med en effekt på kun 0,1-3 kW. For hver lancering af nanoenheder kræves 100-300 sekunders kontinuerlig drift af accelerationsenheden, hvilket på den ene side gør spørgsmålet om køling ikke så kritisk (du kan bruge et simpelt varmevekslingssystem eller endda materialer, der er i stand til at absorbere varme under faseovergange ) [40] , på den anden side - tillader ikke brug af moderne petawatt- lasere, der kun er i stand til at generere submikrosekundimpulser [ 41] . Men i øjeblikket, på grund af den intensive udvikling af informationsteknologi, er der en betydelig reduktion i omkostningerne (to gange hvert halvandet år fra 1990 til 2015) og en stigning i omfanget af den nødvendige kapacitet til databehandling og lagring systemer; fremskridt inden for solenergi spiller også en vigtig rolle; derudover er militærets interesse traditionelt stor på dette område. Alt dette gør den nødvendige effekt af laserstråling ikke så uopnåelig [13] [41] .
En særskilt vanskelighed er imidlertid fokuseringen af al denne laserkraft på solsejl 4 × 4 m i størrelse fra en afstand på op til 2⋅10 6 km - dette svarer til den ultimative fokuseringsnøjagtighed på 2⋅10 -9 radianer eller 0,4 millisekunder - for stråling med en bølgelængde på 1 µm er diffraktionsgrænsen for et system med en basislængde på 1 km [42] . I dette tilfælde vil den turbulente atmosfære sløre strålen til en plet på ca. 1 sekund i størrelse (10 −5 radianer) [6] . Opgaven med vejledning kompliceres af Jordens rotation omkring sin akse - med 2° på 10 minutter, hvilket er nødvendigt for acceleration [43] . En forbedring i opløsning med flere størrelsesordener forventes at blive opnået ved hjælp af adaptiv optik (AO), som vil kompensere for atmosfæriske forvrængninger [44] . De bedste AO-systemer i moderne teleskoper reducerer sløringen til titusvis af millisekunders bue, det vil sige, at der stadig er omkring to størrelsesordener tilbage før det tilsigtede mål [45] . Starshot-systemet er fundamentalt anderledes end et konventionelt teleskop [46] i sine opgaver og kræver derfor en anden tilgang [44] . Installationen vil være et array baseret på princippet om et phased array [42] . "For at besejre atmosfærisk turbulens i lille målestok skal faseopstillingen opdeles i meget små elementer, størrelsen af det emitterende element for vores bølgelængde bør ikke være mere end 20-25 cm," forklarer Philip Lubin. - Det er mindst 20 millioner emittere, men det her tal skræmmer mig ikke. Til feedback i AO-systemet planlægger vi at bruge mange referencekilder - bøjer - både på sonden og på moderskibet og i atmosfæren. Derudover vil vi spore sonden på vej mod målet. Vi ønsker også at bruge stjernerne som en bøje til at justere array-fasen, når vi modtager et signal fra sonden ved ankomsten, men for pålidelighedens skyld vil vi spore sonden” [6] [5] . Den foreslåede teknologi bruges allerede i moderne arrays af radioteleskoper, hvilket giver en opløsning på op til 60⋅10 -6 " [47] (for stråling med en bølgelængde på 1 μm er dette præcis den nødvendige rækkefølge på 10 -9 radianer) , selvom et faseopdelt array af denne skala fra lasere endnu ikke er blevet oprettet prøvet, indrømmer Lubin [7] [42] .
På den anden side medfører placeringen af laserinstallationen på Jorden også effekten af stråling på jordens atmosfære, miljø og kunstige satellitter, der dukker op i dens vej - alt dette er også vigtigt at tage højde for [7 ] [48] . Koncentrationen af en så enorm kraft, generelt set, gør det til et potentielt meget farligt våben: 10 minutters drift af et 100-gigawatt-anlæg frigiver energi svarende til eksplosionen af en atombombe i Hiroshima . Hvis denne smalle stråle reflekteres fra rummet tilbage i retning af Jorden, kan det få katastrofale konsekvenser [13] . Det er nødvendigt at regulere driften af et superstærkt laserarray på internationalt plan [14] [31] .
Ikke desto mindre formodes det øverste trin at være placeret nøjagtigt på Jorden: et alternativ i form af f.eks. den anden side af Månens overflade , synes at være upraktisk i dag. Derudover ville dette skabe en endnu større sikkerhedsrisiko [14] . Placering i stor højde over havets overflade vil reducere atmosfærisk forvrængning noget - ca. 4 gange for 5 km over havets overflade. En ideel mulighed for at affyre sonder til Proxima Centauri, som har en deklination på -60°, ville være en base i Antarktis , men at skabe den helt fra bunden er også praktisk talt urealistisk, så en anden region på den sydlige halvkugle vil højst sandsynligt blive valgt, for eksempel i Atacama-ørkenen [45] .
En anden vanskelighed undervejs med planen er at sende data fra sonden på dens destination til Jorden ved hjælp af lasersendere, der er installeret på hver sonde, i burst-tilstand. Det er bedst at rette signalet direkte mod Jorden ved hjælp af naturlige og kunstige bøjer [49] [50] . For at lyset fra Proxima ikke skal formørke Solen så meget, kan dette gøres et par dage efter passagen af hovedmålet: efter 3 dage i en afstand på 100 AU. dvs. forholdet mellem Solens og Proximas lysstyrke vil stige med 4 størrelsesordener [51] .
En lige så ikke-triviel opgave er så at betragte dette signal på baggrund af en meget kraftigere (med 13-14 størrelsesordener!) stjernestråling. Fra en sådan afstand er et 4 × 4 m sejl, som er planlagt til at blive brugt som en antenne, fokuseret til et sted på 1 × 10 7 km i størrelse, derfor en række modtageenheder på 1 km i størrelse (det synes mest naturligt at bruge det samme til at overclocke en nanoflåde) vil opfange et signal, der er 14 størrelsesordener svagere end det transmitterede [49] . Men moderne teknologier, såsom Lunar Laser Com Demo (LLCD) baseret på superledende nanorør [52] , gør det muligt at detektere selv individuelle fotoner af laserstråling fra meget store afstande [51] . I mellemtiden svarer disse parametre også til diffraktionsgrænsen, ved hvilken radioteleskoper opererer, men endnu ikke (i dag) lasersystemer. For at nærme opløsningen til diffraktionsgrænsen foreslås det at sende signalet fra proberne gennem Fresnel-linsen, som sejlet omdannes til, når det når destinationen [49] . Hvordan man præcist skal implementere en sådan transformation af sejlets struktur og egenskaber, er endnu ikke fundet ud af; "Idéen om at lave et sejl til en Fresnel-linse baseret på et tyndfilmsdiffraktivt element er ret kompleks og kræver en masse på forhånd arbejde for at finde ud af præcis, hvordan man bedst gør det," siger Philip Lubin. "Denne vare er faktisk en af de vigtigste i vores projektplan." Hvad angår forholdet mellem lysstyrken af signalerne, med hans egne ord, "er lyset fra stjernen faktisk ret svagt, da linjebredden af vores laser er meget lille. Den smalle linje er en nøglefaktor i baggrundsreduktion” [6] . Den tilsvarende bølgelængde bør afvige fra den, som kraftværket er indstillet til under accelerationsstadiet, idet der tages højde for Doppler-forskydningen på grund af kildesondens bevægelse ved høj hastighed [49] .
Endelig, hvis der skabes et fasedelt array af optiske emittere / strålingsmodtagere med en total blænde på en kilometer, der er i stand til at modtage et signal fra sonder, så vil det i sig selv være et instrument, der vil se exoplaneter fra en afstand af titusinder af parsecs. Dette rejser et logisk spørgsmål, hvorfor der overhovedet er behov for sonder i dette tilfælde. Men som et længerevarende program planlægges sondens funktionalitet at blive udvidet ved at tilføje et infrarødt spektrometer ud over kameraet og andre sensorer [6] [5] , sagde Lubin .