5 store spørsmål om Starshot Nanocraft Technology

På tirsdag annonserte den russiske milliardæren Yuri Milner og den berømte astrofysikken Stephen Hawking sine $ 100 millioner plan for å studere Alpha Centauri, det nærmeste stjernesystemet til jorden (bare 4,37 lysår unna). Målet, blant flere forskjellige vitenskapelige undersøkelser, er å i utgangspunktet finne ut om romvesen eksisterer i den nesen av skogen, eller i det minste om det er noen planeter eller måner i systemet som er i stand til å støtte livet.

Kalt Breakthrough Starshot, består prosjektet av å sende ultralette romfartøy (kalt "StarChips") på vei til Alpha Centauri, båret av en lysseil som drives av en 100 gigawatt lysstråle.

Dette er bare toppen av isfjellet. Hele planen kommer av som enten sint geni, eller bare helt sint. Jo mer du graver i, jo mer og mer ser det ut til at planen fra Milner og hans mannskap kanskje faktisk var mulig.

Dette er fordi teknologien de foreslår, ikke er langt unna muligheten. Det strekker seg sikkert fantasien, men det bryter det ikke. LightSail-teknologien blir allerede testet av ganske få forskergrupper, inkludert en organisert av Bill Nye. Stigningen i CubeSats som en størrelse-effektiv, billig måte å utføre romforskning på, har virkelig vist hvor mye som kan oppnås ved å skape mindre, lettere romfartøy. Nanokraft som bestilt av Starshot er bare et logisk skritt i den retningen.

Likevel er det rikelig av spørsmål som forblir om hvordan helvete Milner, Hawking, og til og med Facebook-grunnlegger Mark Zuckerberg (en investor) kommer til å trekke dette av. Her er de fem største spørsmålene om nanocraft-teknologien og lysstrålespillsystemet - og noen svar som kan gi litt innsikt.

Lysstråler som fremdriftsteknologi - vær så snill å forklare!

Starshot planlegger å lansere disse nanocraft babyene bruker ikke brensel og brann - det bruker lys og lasere. Høydrevne, fokuserte lasere har vært en kilde til intriger for fremdriftsingeniører i flere tiår nå, men det er bare nylig at vi endelig kan tenke på å bruke slik teknologi i flere applikasjoner - inkludert bevegelse av orbitalavfall ut av veien til kritiske satellitter. Tross alt er lys en energi som er i stand til å utøve kraft på et system.

Det er nøkkelordet, skjønt: unnfange. Vi har ennå ikke faktisk bygget en laserstråle som kan skyte et annet objekt av inn i plass gjennom ren kraft av fotoner. Forskere jobber med hybridfremdriftsteknologier som vil bruke lasere i kombinasjon med mer konvensjonelle metoder, men ikke som eneste drivmiddel.

Du kan kanskje si, "men hvordan skal solseglet fungere i rommet?" Vel, solenergi seilteknologien krever bruk av fotoner produsert av solens stråler for å drive seilet (og romfartøyet) fremover. Seilet kommer til å plassere den gammeldags måten skjønt: raketter.

Starshot hevder at en lysbjelker - en rekke lasere satt opp i en kilometer-bred skala - kunne potensielt gi opptil 100 gigawatt med strålet energi. Vi ville ikke bruke en ultra stor laser, men i stedet mange mindre. Kanskje millioner, eller hundrevis av millioner.

Kunne det være nok kraft til å få nanokraftene ut av jordens atmosfære og gravitasjonstrykk? Kan være. Milner mener Starshot er en bedre sjanse ved å sette opp lanseringsplaten i et høyt miljø, som Atacama-ørkenen. (Her er fire forslag vi laget i dag.) Det er også forholdsvis tørt nok til å redusere sannsynligheten for at vanndamp kan bygge opp og skape ekstra vekt på romfartøyet eller hindre lasers kraft når det skyver romfartøyet opp.

Hvis alt går bra, vil probene være på vei til Alpha Centauri på 100 millioner miles i timen, og nå systemet innen 20 år.

Lightsails er super tynn og super delikat. Hvordan skal denne tingen overleve lanseringen? Hvordan er det meningen å overleve steinene og støvet spinner rundt plass i tjue år?

En lysseil er laget av et ultra-tynt "metamateriale" (et fangstbegrep som refererer til eksperimentelle materialer) designet for å hente imøtekommende fotoner fra en lyskilde og bruke dem som trykkraft som utøves på selve seglet. Som et resultat er seilet i stand til å bevege seg fremover og til og med akselerere til mye høyere hastigheter.

Som jeg nevnte, er lightsails ikke nye. Bill Nye og Planetary Society har jobbet med et lysprosjekt som søker å bevise levedyktigheten til en slik teknologi som en kostnadseffektiv romfartøy fremdrift design. NASA lanserer Near Earth Asteroid Scout (NEA Scout) i 2018 ombord Orion for det introduserte oppdraget til Space Launch System, som vil gjøre veien til en nærliggende asteroide via et utvidbart solsegl.

Begge disse lyslysene løper inn i det samme problemet med å kollidere med interstellært støv og rusk som kan peke hull i seilet og spore hele greia. Det er en ganske tydelig mulighet, men det er begrenset av et par hensyn.

Først: Plassen er stor. Det er mange biter av materie som flyter rundt, men det er ikke som her på jorden der partikler i luften er overalt vi vender. Objekter i rommet er miles fra hverandre - så lite som 10 til så mye som millioner, men miles likevel. Muligheten for å slå noe - mens det egentlig er - er fortsatt relativt eksternt.

For det andre var disse seilene spesielt designet for å forbli relativt solid under skade. Ta NEA Scout, for eksempel. NASA har testet hvor godt lyslyset kan opprettholde strukturell integritet, selv om det er rammet med et par biter av plassøppel her og der. Så lenge det ikke er en katastrofal skade (for eksempel, en asteroide som er stor i Texas), kan NEA Scout fremdeles bevege seg fremover og manøvrere seg selv på kommandoer fra NASA.

Starshot nanocraft må også kjempe med disse problemene. Lyslysene deres forventes å strekke seg ut til noe på en skala av noen få meter, så de blir ganske små. Men de er bare noen få hundre atomer tykk, og har en masse på omtrent ett gram. De er små nok til å unngå nesten alle slags motstridende antall gjenstander som flyter rundt i rommet - men i de uheldige oddsene de blir rammet, vil hele romskipet trolig bli ødelagt. Og vi vet nesten ingenting om støvinnholdet i Alpha Centauri.

Men det er et stort problem som nanocraften alene har å håndtere - ikke falle fra hverandre under lysstrålespillet. Seglet forventes å bli rammet av en stråle som vil utgjøre omtrent 60 ganger sollyset som treffer jorden til enhver tid. Seilet må ikke bare holde seg fra å smelte, men klarer også å komme seg inn i rommet uten å bli revet til makter av atmosfæriske krefter. Anslått en del i 100.000 av laseren ville være mer enn nok til å fordampe seilet. Dette har aldri blitt gjort før. Det er ingen å fortelle hvor mye testing Starshot-prosjektet må gjennomføre før du får denne delen riktig.

Hvordan jobber StarChip? Hvilke typer data skal den samle inn?

StarChips - som bygges på en skala på ett gram og kan passe i håndens hånd - vil ikke være det toppmoderne systemet som noe som nysgjerrighetsroveren eller Kepler Space Telescope har vært i å hjelpe oss å studere forskjellige verdener i rommet. De vil være veldig grunnleggende. Målet er å holde fire kameraer (to megapiksler hver) på brikken som vil tillate noen svært elementære avbildning av Alpha Centauri og de forskjellige planetene og månene i systemet.

Disse dataene ville bli overført tilbake til jorden ved hjelp av en uttrekkbar meter lang antenne, eller kanskje til og med ved hjelp av lyssporet for å lette laserbasert kommunikasjon som kunne fokusere et signal tilbake mot jorden.

Det virker som standard nok. Hva skal disse bildene vise oss?

Der ligger en annen ukjent. Når astronomer vurderer potensialet til andre verdener til å være beboelig, ser de på en rekke forskjellige data, alt fra planetens temperaturer, sammensetning, avstand fra vertsstjernen, tegn på en nåværende atmosfære - og så mye mer. Mange av disse tingene er bare målbare gjennom ulike typer kameraer som kan se over det elektromagnetiske spektret. Nanokraften på dette punktet ville kjøre på kameraer ikke altfor ulikt det vi bruker på våre smarttelefoner. Det er knapt nyttig for virkelig å forstå bare om en planet eller månen kunne opprettholde en hvilken som helst form for liv, eller har allerede tegn på liv.

Likevel, når du vurderer målet er å sende flere små romskip til et fjernt system som er flere lysår unna på under to tiår, må du kutte kostnader et sted.

Selv om denne tingen overlever reisen til Alpha Centauri, hvordan skal den leve lenge nok til å samle nok nyttige data?

Lang levetid er avgjørende for Starshot-prosjektet. Nanocraft trenger å være drevet i flere tiår for å virkelig få tak i deres fulle forskningspotensial. For dette formål foreslår gjennombruddsinitiativet en energikilde ombord basert på plutonium-238 eller Americium-241, som veier ikke mer enn 150 milligram.

I utgangspunktet, som plutonium eller Americium-isotopen faller, vil det lade en ultrakondensator som slår på StarChip-komponentene som er nødvendige for å knipse opp bilder og sende dem tilbake til jorden. En termoelektrisk energikilde kan også bli implementert for å utnytte frontflatets temperaturer i nanokraften, når den begynner å nærme atmosfæren til andre verdener.

Fotovoltaikk - snu sollys til energi - er også under vurdering. En solsikkeprototype som ble testet av Japan for omtrent seks år siden, malte IKAROS overflaten av solsilen med fotovoltaik. Dette er upraktisk når nanocraft endelig gjør det ut av solsystemets grenser, men kan være nyttig i den perioden for å spare enda mer batteristrøm.

Det store spørsmålet er om du kan holde slike billige materialer levedyktige i løpet av 20 til 50 år. I et ideelt scenario er det sannsynligvis mer sannsynlig at hver nanocraft kun forventes å samle data for et relativt kort tidsrom - om noen få måneder. Hvis Milner og selskapet virkelig er satt på masse som produserer disse tingene, burde de ikke ha noe problem å sende en gjeng i alle retninger for å utforske så mye som mulig om Alpha Centauri. Forvente at alle skal operere i mange år på slutten, er ganske upraktiske hvis vi ikke direkte kan gripe inn og flytte bevegelsene deres i nye retninger.

Koste

Milners uttrykte mål er å gjøre hver nanocraft for om kostnaden det tar å bygge en iPhone. Hver SmartChip og lightail combo bør ikke være mer enn noen få hundre dollar - og målet er å fortsette å legge til bedre teknologier etter hvert som de blir mindre og billigere gjennom årene.

I virkeligheten er den dyreste (og uten tvil minst mulig) del av dette prosjektet lysstrålen. Vi snakker om 100 gigawatt med strøm i to minutter for å brenne den forferdelige tingen. En enkelt gigawatt kan drive 700.000 boliger. Så det er nok for 70.000.000 boliger.

Det er nok å makt for å holde flere små land gått. Det er 100 ganger mengden produsert av et typisk kjernekraftverk. Det er overveldende å forstå hvordan de skal samle denne mye energi til ett sted for å starte en haug med nanokraft ut i rommet.

Den totale kostnaden for en lysbjelkeavfyring kan ifølge en kommentator på gjennombruddssiden være $ 70 000.

Ja, vi skal se om det …