Przełomowa Gwiezdna Strzała - Breakthrough Starshot

24 sierpnia 2016 r. ESO zorganizowało konferencję prasową poświęconą zapowiedziom egzoplanety Proxima b w swojej centrali w Niemczech. Na tym zdjęciu Pete Worden wygłasza przemówienie.

Przełom Starshot jest projektem badawczym i inżynieria przez Breakthrough Inicjatyw opracowanie proof-of-concept flotę lekkiego żagla międzygwiezdnych sond nazwanych Starchip , aby być w stanie dokonać podróż do Alpha Centauri systemu gwiezdnego 4.37 lat świetlnych stąd. Została założona w 2016 roku przez Yuri Milnera , Stephena Hawkinga i założyciela Facebooka Marka Zuckerberga .

Zaproponowano misję przelotu do Proxima Centauri b , egzoplanety wielkości Ziemi w ekosferze swojej gwiazdy macierzystej , Proxima Centauri , w układzie Alpha Centauri. Przy prędkości między 15% a 20% prędkości światła ukończenie podróży zajęłoby od dwudziestu do trzydziestu lat, a około czterech lat na przesłanie wiadomości zwrotnej ze statku na Ziemię.

Zasady koncepcyjne umożliwiające realizację tego projektu międzygwiezdnej podróży zostały opisane w „A Roadmap to Interstellar Flight” autorstwa Philipa Lubina z UC Santa Barbara . Wysłanie lekkiego statku kosmicznego wymaga wielokilometrowego, fazowanego układu laserów sterowanych wiązką o łącznej spójnej mocy wyjściowej do 100 GW .

Ogólny

Projekt został ogłoszony 12 kwietnia 2016 r. podczas wydarzenia zorganizowanego w Nowym Jorku przez fizyka i inwestora venture capital Yuri Milnera wraz z kosmologiem Stephenem Hawkingiem , który pełnił funkcję członka zarządu inicjatyw. Inni członkowie zarządu to dyrektor generalny Facebooka Mark Zuckerberg . Projekt ma początkowe finansowanie w wysokości 100 mln USD na rozpoczęcie badań. Milner szacuje ostateczny koszt misji na 5–10 miliardów dolarów i szacuje, że pierwszy statek może zostać wystrzelony około 2036 roku. Pete Worden jest dyrektorem wykonawczym projektu, a profesor Harvardu Avi Loeb przewodniczy radzie doradczej projektu.

Liderzy

Komitet Zarządzający i Doradczy

Cele

Program Breakthrough Starshot ma na celu zademonstrowanie słuszności koncepcji ultraszybkiego, napędzanego światłem nano statku kosmicznego i położenie podwalin pod pierwszy start do Alpha Centauri w następnej generacji. Cele drugorzędne to eksploracja Układu Słonecznego i wykrywanie asteroid przecinających Ziemię . Statek kosmiczny przeleci obok i prawdopodobnie sfotografuje wszystkie podobne do Ziemi światy, które mogą istnieć w systemie.

Planeta docelowa

Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) ogłosiła wykrycie planety orbitującej trzecią gwiazdę w systemie Alfa Centauri, Proxima Centauri w sierpniu 2016 roku planeta, zwana Proxima Centauri b , orbity wewnątrz mieszkalnej strefie swojej gwiazdy. Mógłby być celem jednego z projektów Inicjatyw Przełomowych.

W styczniu 2017 r. przełomowe inicjatywy i Europejskie Obserwatorium Południowe rozpoczęły współpracę w poszukiwaniu planet nadających się do zamieszkania w pobliskim systemie gwiezdnym Alfa Centauri. Porozumienie dotyczy inicjatywy Breakthrough Initiatives, która zapewnia finansowanie modernizacji instrumentu VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared) na należącym do ESO Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Chile . To ulepszenie zwiększy prawdopodobieństwo wykrycia planet w systemie.

Pojęcie

Koncepcja żagla słonecznego

Koncepcja Starshot przewiduje wystrzelenie „ statku- matki ” przewożącego około tysiąca małych statków kosmicznych (w skali centymetrów) na orbitę okołoziemską na dużej wysokości w celu rozmieszczenia. Fazowane laserów naziemnych skupią się wiązkę światła na żagle rzemiosła przyspieszyć je jeden po drugim, aby prędkości docelowej w ciągu 10 minut, a średnie przyspieszenie, rzędu 100 km / s ² (10000  ɡ ) , oraz energia oświetlenia rzędu 1 TJ dostarczona do każdego żagla. Sugeruje się, aby wstępny model żagla miał powierzchnię 4 m × 4 m. W październiku 2017 r. prezentacja modelu systemu Starshot zbadała żagle okrągłe i wykazała, że ​​koszt kapitałowy kierownika belki jest zminimalizowany dzięki średnicy żagla wynoszącej 5 metrów.

Ziemia planeta wielkości Proxima Centauri B jest w ramach systemu Alpha Centauri w strefie mieszkalnej . Idealnie, Breakthrough Starshot wycelowałby swój statek kosmiczny w jedną jednostkę astronomiczną (150 milionów kilometrów lub 93 miliony mil) od tego świata. Z tej odległości kamery statku mogły uchwycić obraz o wystarczająco wysokiej rozdzielczości, aby rozróżnić cechy powierzchni.

Flota miałaby mieć około 1000 statków kosmicznych. Każdy z nich, zwany StarChip, byłby bardzo małym, centymetrowym pojazdem, ważącym kilka gramów. Miałyby być napędzane przez układ laserów naziemnych o mocy 10 kW i łącznej mocy do 100 GW. Rój około 1000 jednostek zrekompensowałby straty spowodowane zderzeniami międzygwiazdowego pyłu w drodze do celu. W szczegółowym badaniu z 2016 roku Thiem Hoang i współautorzy stwierdzili, że łagodzenie zderzeń z pyłem , wodorem i promieniowaniem kosmicznym może nie być tak poważnym problemem inżynieryjnym, jak początkowo sądzono.

Wyzwania techniczne

Lekki napęd wymaga ogromną moc: laser z GW mocy (około wyjściu z dużej elektrowni jądrowej) zapewni tylko kilku niutonów z pchnięciem . Statek kosmiczny zrekompensuje niski ciąg dzięki masie zaledwie kilku gramów. Kamera, komputer, laser komunikacyjny, jądrowe źródło energii i żagiel słoneczny muszą zostać zminiaturyzowane, aby zmieściły się w limicie masy. Wszystkie komponenty muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać ekstremalne przyspieszenie , zimno, próżnię i protony. Statek kosmiczny będzie musiał przetrwać zderzenia z kosmicznym pyłem ; Starshot oczekuje, że każdy centymetr kwadratowy przekroju czołowego zderzy się z dużą prędkością z około tysiącem cząstek o wielkości co najmniej 0,1 μm. Skupienie zestawu laserów o łącznej mocy stu gigawatów na żaglu słonecznym będzie trudne ze względu na turbulencje atmosferyczne , dlatego sugeruje się wykorzystanie kosmicznej infrastruktury laserowej. Według The Economist , co najmniej kilkanaście gotowych technologii będzie musiało zostać ulepszonych o rzędy wielkości .

StarChip

StarChip to nazwa używana przez Breakthrough Initiatives dla bardzo małego, centymetrowego, międzygwiezdnego statku kosmicznego w skali grama, przewidzianego dla programu Breakthrough Starshot, proponowanej misji napędzania floty tysiąca sond kosmicznych w podróży do systemu gwiezdnego Alfa Centauri , najbliższe gwiazdy pozasłoneczne , około 4,37 lat świetlnych od Ziemi . Podróż może obejmować przelot w pobliżu Proxima Centauri b , egzoplanety o rozmiarach Ziemi, która znajduje się w ekosferze swojej gwiazdy macierzystej. Ultralekki StarChip nanocraft roboty, wyposażone w lekkie żagle , planowane są do podróży z prędkością 20% i 15% prędkości światła , biorąc między 20 a 30 lat, aby osiągnąć system gwiezdny, odpowiednio, a około 4 lat do powiadomić Ziemię o pomyślnym przybyciu. Konceptualne zasady umożliwiające praktyczne podróże międzygwiezdne zostały opisane w "A Roadmap to Interstellar Flight" Philipa Lubina z UC Santa Barbara , który jest doradcą projektu Starshot.

W lipcu 2017 roku naukowcy ogłosili, że prekursory sondy kosmicznej, zwane Sprites, zostały pomyślnie wystrzelone i oblatane przez Polar Satellite Launch Vehicle przez ISRO z Satish Dhawan Space Center . 105 duszków zostało również przeniesionych na ISS w ramach misji KickSat- 2, która wystartowała 17 listopada 2018 r., skąd zostały rozmieszczone 18 marca 2019 r. Pomyślnie przesłały dane przed ponownym wejściem w atmosferę i spaleniem 21 marca.

składniki

Oczekuje się, że każda nanosonda kosmiczna będzie wyposażona w zminiaturyzowane kamery, sprzęt nawigacyjny, sprzęt komunikacyjny, pędniki fotonowe i zasilacz. Dodatkowo każdy nanosamolot byłby wyposażony w lekki żagiel w skali metra , wykonany z lekkich materiałów, o masie w skali grama.

Kamery

Pięć skali sub-g aparatów cyfrowych , każda z co najmniej 2- megapikseli rozdzielczości są sobie wyobrazić.

Procesory

Planowane są cztery procesory w skali subgramowej .

Silniki fotonowe

Planowane są cztery silniki fotonowe w skali subgramowej, z których każdy ma minimalną zdolność działania na poziomie lasera diodowego o mocy 1 W.

Bateria

Planowana jest bateria atomowa 150 mg , zasilana plutonem-238 lub amerykiem-241 .

Pokrycie ochronne

Planowana jest powłoka, prawdopodobnie wykonana z miedzi berylowej , która ma chronić nanoskraft przed zderzeniami pyłu i erozją cząstek atomowych .

Lekki żagiel

Przewiduje się, że lekki żagiel nie będzie większy niż 4 na 4 metry (13 na 13 stóp), prawdopodobnie z materiału kompozytowego na bazie grafenu . Materiał musiałby być bardzo cienki i odbijać wiązkę lasera, pochłaniając tylko niewielką część padającej energii, w przeciwnym razie żagiel wyparuje. Lekki żagiel może również służyć jako źródło energii podczas rejsu, ponieważ zderzenia z atomami ośrodka międzygwiazdowego dałyby 60 wat/m ² mocy.

Laserowy nadajnik danych

Komunikator laserowy, wykorzystujący lekki żagiel jako główny reflektor, byłby w stanie przesyłać dane z szybkością 2,6-15 bodów na wat przesyłanej mocy na odległość do Alfa Centauri, zakładając, że teleskop odbiorczy na Ziemi ma 30 m średnicy.

Orbita

Projekt Starshot jest przeznaczony do misji przelotowych, które mijają cel z dużą prędkością. Heller i in. zaproponowali, że wspomaganie fotograwitacyjne mogłoby być wykorzystane do spowolnienia takiej sondy i umożliwienia jej wejścia na orbitę (wykorzystując ciśnienie fotonów w manewrach podobnych do hamowania aerodynamicznego ). To wymaga żagla, który jest zarówno znacznie lżejszy, jak i znacznie większy niż proponowany żagiel Starshot. Poniższa tabela zawiera listę możliwych gwiazd docelowych dla spotkania z asystą fotograwitacyjną. Czasy podróży to obliczone czasy dla zoptymalizowanego statku kosmicznego do podróży do gwiazdy, a następnie wejścia na orbitę wokół gwiazdy.

• Kolejne asysty w α Cen A i B mogą wydłużyć czas podróży do 75 lat do obu gwiazd.
• Lekki żagiel ma nominalny stosunek masy do powierzchni (σ _nom ) 8,6 x ^10-4 gram m- ² dla nominalnego żagla klasy grafenu.
• Powierzchnia żagla lekkiego około 10 ⁵ m ² = (316 m) ²
• Prędkość do 37 300 km s ^-1 (12,5% c)

Inne aplikacje

Niemiecki fizyk Klaudiusz Gros zaproponowała, że technologia Przełom inicjatywy Starshot może być stosowany w drugim etapie do ustanowienia biosferę z jednokomórkowych mikroorganizmów na inaczej tylko przejściowo mieszkalnych egzoplanet . Sonda Genesis poruszałaby się z mniejszą prędkością, około 0,3% prędkości światła . Można go zatem wyhamować za pomocą żagla magnetycznego .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Oficjalna strona internetowa
• Wideo (00:35) – Uruchomienie StarChip – koncepcja na YouTube
• Wideo (02:06) – Going interstellar (NASA) na YouTube
• Wideo (12:16) – Czy podróż międzygwiezdna Starshot odniesie sukces? (PBS Digital Studios) na YouTube