Gradnja jader za majhne medzvezdne sonde bo težka - vendar ne nemogoča

Preboj Starshot jadralne umetnosti

Umetnikova ilustracija jadrnice Breakthrough Starshot, ki leti na potencialno bivalnem eksoplanetu Proxima b. (Slika: Laboratorij za planetarno nastanitev, Univerza v Portoriku v Arecibu)



Velikanski laserji bi lahko resnično izstrelili flote vesoljskih plovil Alfa Centauri , glede na preboje v znanosti za izredno tanka, neverjetno odsevna jadra, ki lahko ujamejo to lasersko svetlobo, ugotavlja nova študija.

Pobuda Breakthrough Starshot v vrednosti 100 milijonov dolarjev, ki je bila objavljena leta 2016, načrtuje uporabo močnih laserjev za izstrelitev rojev drobnih vesoljskih plovil v Alpha Centauri, najbližji zvezdniški sistem našemu. Medtem ko bi lahko uporaba laserskih topov za pogon vesoljskih plovil zvenela kot znanstvena fantastika, so prejšnje raziskave pokazale, da je lahko 'lahkotno jadranje' eden od edinih tehnično izvedljivih načinov, kako v času življenja človeka prestreči sondo na drugo zvezdo.





Čeprav je Alpha Centauri najbližji zvezdni sistem Zemlji, je še vedno oddaljen približno 4,37 svetlobnih let. To je enako 41,2 bilijonom kilometrov ali več kot 276.000 -krat večji razdalji od Zemlje do sonca. [ Prebojno zvezdno poslanstvo Starshota v slikah ]

Konvencionalne rakete niso dovolj učinkovite, da bi v človeškem življenju pokrile ogromno razdaljo do Alpha Centauri. Na primer, potrebovali bi NASA -ino Vesoljsko plovilo Voyager 1 - ki se je izstrelil leta 1977 in dosegel medzvezdni prostor leta 2012 - približno 75.000 let, da bi dosegel Alpha Centauri (če bi bila sonda usmerjena v pravo smer, pa ni).



Težava pri vseh potisnikih, ki jih sedanja vesoljska plovila uporabljajo za pogon, je, da ima pogonsko gorivo, ki ga nosijo s seboj, maso. Dolga potovanja potrebujejo veliko pogonskega goriva, zaradi česar so potisniki težki, kar posledično zahteva več pogonskega goriva, zaradi česar so težji itd. In ta problem se eksponentno poslabša, ko postaja vesoljsko plovilo večje. Starshot predlaga, da se vesoljska plovila, namesto pogona za pogon, opremijo z zrcalnimi jadri in se opirajo na laserje, da potisnejo te sonde navzven.

'To je res drzen cilj,' je za Space.com povedal vodilni avtor študije Harry Atwater, znanstvenik za materiale in uporabni fizik na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu v Pasadeni.



Čeprav svetloba ne pritiska veliko, je prejšnje delo pokazalo, da se sončna svetloba lahko uporablja za vesoljske polete. Japonska misija IKAROS (medplanetarna zmajska posoda, pospešena s sevanjem sonca), ki se je začela leta 2010, je bila prvo vesoljsko plovilo, ki je uspešno pokazalo tehnologijo sončnega jadra v medplanetarnem prostoru, ki je doseglo največjo hitrost približno 1495 km/h.

Starshot namerava izstreliti vesoljsko plovilo velikosti mikročipa proti Alpha Centauri z uporabo zemeljskega laserskega niza tako močnega kot 100 gigavatov. 'To bo daleč največji laserski človek,' je dejal Atwater.

'StarChips' bi letel s hitrostjo svetlobe do 20 odstotkov in v približno 20 letih dosegel Alpha Centauri, pri čemer bo vsak uporabljal 1-vatni laser in jadro za komunikacijo z Zemljo. Starshot namerava na leto izstreliti do deset tisoč StarChipsov. Zato upamo, da bodo, tudi če mnogi ne uspejo, številni drugi dosegli oddaljeni sistem-in si morda od blizu ogledali Proximo b, potencialno naseljiv planet, ki obkroža eno od treh zvezd v sistemu.

Jadro za vsak StarChip je oblikovano z velikostjo približno 10 kvadratnih metrov (10 kvadratnih metrov) in maso manj kot 1 gram, kar pomeni, da bi moralo biti debelo le približno 100 atomov, v skladu z novo študijo, ki je bila objavljena danes na spletu (7. maj) v reviji Naravni materiali . Ustvarjanje jadra, ki bo odsevno, lahko in dovolj močno, da bo potovanje v Alpha Centauri, je izziv, ki premika meje obstoječe znanosti, so ugotovili raziskovalci.

'Raziskovalcem smo zagotovili začetni načrt za nadaljnji napredek pri doseganju tega medzvezdnega cilja,' je dejal Atwater. [ Galerija: Visions of Interstellar Starship Travel ]

Laserski niz Starshot bo verjetno sprožil žarke specifičnih valovnih dolžin skoraj infrardeče svetlobe, za katere je zemeljska atmosfera prozorna. Zvezdna jadra ne smejo le odražati teh valovnih dolžin, ampak v najboljšem primeru absorbirati le majhno količino njihove energije, da se ne segrejejo in uničijo, ko jih udarijo z izjemno intenzivnimi laserji Starshota. Poleg tega morajo biti jadra dovolj lahka in tanka, da jih laserji čim bolj potisnejo.

Poleg tega, kolikor se reševalna sirena sliši višje, ko se vozilo pelje proti vam, in nižje, ko se odmika, ko se jadra oddaljujejo od laserjev, bo svetloba, ki jo prejmejo, pordela v procesu, imenovanem Dopplerjev premik . V idealnem primeru bi morala jadra odražati tudi te rdeče valovne dolžine, da bi dobili čim več pogona iz laserskih žarkov, so pojasnili raziskovalci.

Znanstveniki so ugotovili, da noben znani material nima popolne kombinacije lastnosti, ki bi služile kot Starshot jadra. Na primer, čeprav so kovine, kot sta zlato in srebro, odlični odsevniki skoraj infrardeče svetlobe, bi absorbirali preveč energije iz Starshot laserji preživeti.

Kljub temu imajo številni materiali vsaj nekaj zahtevanih lastnosti, kar nakazuje, da bi lahko služili kot Starshot jadra. Ti vključujejo kristalni silicij in molibdenov disulfid.

Kar zadeva odkrivanje jadra, ki odbija čim več svetlobe, medtem ko ostane pri majhni masi, so znanstveniki priporočili jadra s šesterokotnimi rešetkami za zmanjšanje njihove teže. Raziskovalci so tudi ugotovili, da bi nadzor nad mikroskopsko strukturo jadra - na primer z uporabo izmeničnih plasti materiala, debeline le vsakega nanometra (milijardinke metra) - lahko povečal njegovo odbojnost in zmanjšal absorpcijsko sposobnost.

Pri izredno velikih hitrostih, s katerimi bodo potovali StarChipsi, bi lahko celo majhni udarci uničili te sonde. Kljub temu je predhodno delo pokazalo, da lahko molekule vodika in helija preidejo skozi jadra, ne da bi to povzročilo takšne učinke. Poleg tega, čeprav so prejšnje raziskave nakazovale, da bi lahko vsako jadro na poti do Alpha Centauri naletelo na približno milijardo prašnih delcev, bi takšni udarci verjetno naredili luknje, ki predstavljajo manj kot 0,1 odstotka skupne površine jadra.

Prihodnji izzivi vključujejo raziskovanje delovanja različnih materialov, ko so izpostavljeni močnim laserjem, in neverjetno visoke stopnje pospeševanja. Poleg tega morajo znanstveniki raziskati, kako izdelati in ravnati z velikimi listi izjemno tankih filmov ter kako sestaviti tako občutljive sestavne dele skupaj v jadro, so dejali raziskovalci.

'Izzivi pri izdelavi bodo zagotovo, vendar nič s področja možnosti,' je dejal Atwater. 'To so pravi materiali, ne' unobtanium '.'

Poleg tega bi morale nadaljnje raziskave raziskati, kako lahko oblika jadra in odtis laserskega žarka na jadru pomagata izboljšati stabilnost letenja po vesolju. Znanstveniki lahko na primer raziščejo sferična jadra in grede v obliki krofa.

'Če pomislite na puhalo za listje, lahko učinkovito raznese list, dokler ga ne potisne iz toka zraka, nato pa se nestabilno premika,' je dejal Atwater. 'Rahli pritisk, ki potiska ta jadra, se sooča z isto težavo. Jadra in niz moramo oblikovati tako, da jadra lahko stabilno vozijo po gredi.

'Soočamo se z vznemirljivimi težavami,' je dodal Atwater. 'Vendar menimo, da obstajajo rešitve.'

Spremljajte Charlesa Q. Choija na Twitterju @cqchoi . Sledi nam @Spacedotcom , Facebook in Google+ . Izvirni članek o Space.com .