Breakthrough Starshot este un proiect de cercetare și inginerie în cadrul programului Breakthrough Initiatives pentru a dezvolta conceptul de flotă de sonde spațiale interstelare folosind o velă ușoară numită StarChip [1] [2] [3] .
Acest tip de navă spațială, potrivit autorilor, va putea călători către sistemul stelar Alpha Centauri , la 4,37 ani lumină distanță de Pământ, cu o viteză de până la 20% din viteza luminii [4] , ceea ce va dura aproximativ. 20 de ani și încă vreo 5 ani pentru a anunța Pământul despre o sosire reușită. În același timp, scopul proiectului nu este în mod specific această călătorie, ci o dovadă a posibilității de implementare a conceptului care stă la baza acestuia. În procesul de realizare, munca în cadrul programului implică și alte puncte utile pentru sarcinile astronomiei moderne, cum ar fi studiul sistemului solar și protecția împotriva asteroizilor [1] [5] [2] [6] .
Liderul proiectului este Pete Worden ; Echipa de consilieri științifici condusă de Avi Loeb include, de asemenea, 25 de oameni de știință și specialiști de seamă, printre care astronomul britanic Royal Martin Rees , astrofizicianul laureat al Premiului Nobel Saul Perlmutter de la Universitatea California din Berkeley , Ann Druyan , producător executiv al serialului de documentare Space . : spațiu și timp ” și văduva lui Carl Sagan , precum și matematicianul Freeman Dyson de la Institutul pentru Studii Avansate [4] [1] [7] .
Principiile conceptuale de bază pentru călătoria interstelară au fost descrise în Roadmap to Interstellar Flight [8] [9] de Dr. Philip Lubin de la Universitatea din California, Santa Barbara . Cu toate acestea, ideea de a accelera o navă spațială cu radiații laser super-puternice îndreptate către o velă a fost exprimată încă din anii 1970 de către fizicianul și scriitorul de science fiction Robert Forward [10] , iar mai multe variante ale acesteia au fost ulterior prezentate, în în special, de către specialistul și scriitorul NASA Geoffrey Landis , participant la actualul proiect [11] [12] . Dar până acum, nu a primit o dezvoltare practică din cauza dificultăților tehnice uriașe și a nivelului insuficient de tehnologii necesare [13] [7] [14] .
Proiectul a fost anunțat pe 12 aprilie 2016 (cu ocazia împlinirii a 55 de ani de la primul zbor spațial uman ) la o conferință de presă susținută la New York de către antreprenorul rus Yuri Milner și astrofizicianul Stephen Hawking , care au acționat ca membri ai consiliului de inițiativă. Tot în consiliul de inițiativă a fost și CEO -ul Facebook Mark Zuckerberg . Proiectul a primit o finanțare inițială de 100 de milioane USD (pentru a începe cercetarea în următorii 5-10 ani), care este planificat să fie cheltuită pentru un studiu de fezabilitate al conceptului. Următorul pas este crearea unui model la scară 1/100. Milner estimează costul final al misiunii între 5 și 10 miliarde USD, sperând că alți investitori privați vor urma exemplul în viitor și sugerează, de asemenea, că prima navă spațială ar putea fi lansată în 20 de ani [4] [2] [ 15] [6 ] ] [14] .
Imediat după anunțul oficial al programului, un val de critici din partea oamenilor de știință și experților tehnici din diverse domenii i-a lovit pe autorii proiectului [16] . Au fost luate în considerare unele critici, iar planul de zbor inițial al lui Lubin a fost ușor ajustat în prima iterație [6] . A fost deschisă o discuție publică [17] , unde toată lumea poate discuta despre dificultățile tehnice privind modul de implementare a proiectului și modalitățile de depășire a acestora; membrii echipei de proiect [5] participă activ la acesta .
În august 2016, oamenii de știință implicați în proiectul Breakthrough Starshot au susținut prima întâlnire științifică, unde au discutat despre perspectivele dezvoltării unui sistem care să trimită nanosonde către Alpha și Proxima Centauri la jumătatea secolului [18] .
La începutul lui 2017, Observatorul European de Sud (ESO) s-a alăturat proiectului general Breakthrough Initiatives . În conformitate cu termenii acordului semnat, Breakthrough Initiatives va finanța modernizarea instrumentului VISIR la Very Large Telescope al ESO din Chile pentru a-l îmbunătăți și pentru a-și crește căutarea de exoplanete potențial locuibile în sistemul stelar Alpha Centauri, unde ar putea fi misiunea Breakthrough Starshot. trimis în viitor. ESO va oferi Breakthrough Initiatives cu Very Large Telescope în 2019 pentru a efectua observații detaliate [19] [20] .
Următoarea conferință științifică, unde au fost discutate ultimele descoperiri ale exoplanetelor potențial locuibile în sistemele stelare din apropiere ( Alpha Centauri și TRAPPIST ), a avut loc în aprilie 2017 la Universitatea Stanford [21] .
În iunie 2017, primele prototipuri funcționale de nanosonde au fost lansate cu succes pe orbita joasă a Pământului - cipuri care măsoară 3,5 pe 3,5 cm și cântăresc aproximativ 1 gram, care poartă un panou solar, un microprocesor, un senzor și un sistem de comunicare. Dispozitivele, numite „Sprites” (“Sprites”) [22] , au fost dezvoltate de participantul la proiect Zach Manchester și lansate pe orbită folosind satelitul leton „Venta” și italianul „Max Valle” (ambele fabricate în scopuri educaționale de către Compania germană OHB System AG ), semnalele sunt recepționate cu succes de la aceștia [23] [24] .
Conceptul StarShot este de a lansa o navă spațială de bază care va transporta aproximativ o mie de nave spațiale minuscule (masa de 1 gram) [2] pe orbită înaltă și apoi le va lansa una câte una. Fiecare microsondă este conectată prin slinguri rezistente la o pânză solară care măsoară aproximativ 4×4 m, 100 nm grosime și cântărește 1 g [25] . Apoi, laserele de la sol concentrează un fascicul de 50–100 GW pe velă timp de 10 minute [26] . Centrala electrică cu laser este o matrice în fază de 20 de milioane de emițători laser mici (cu o deschidere de 20-25 cm) cu dimensiunea de 1 × 1 km; folosind defazarea (adică schimbarea de fază pe fiecare emițător individual), se presupune că focalizează radiația cu o lungime de undă de 1,06 μm din întreaga matrice într-un punct cu un diametru de câțiva metri la o distanță de până la 2⋅10 6 km ( precizia maximă de focalizare este de 10 −9 radiani). Aceasta va asigura o accelerație de aproximativ 30.000 g , datorită căreia sondele vor atinge viteza țintă de 20% din viteza luminii [5] .
Zborul către Alpha Centauri va dura aproximativ 20 de ani. Dacă există planete de dimensiunea Pământului în zona locuibilă (și până acum doar una dintre ele, Proxima b [27] , a fost confirmată că există ), Breakthrough Starshot va încerca să țintească navele spațiale la o unitate astronomică a acestora. De la această distanță, camerele vor putea surprinde o imagine de o calitate suficient de înaltă pentru a vedea topografia planetei. Pentru a obține o astfel de rezoluție cu un telescop spațial pe orbita Pământului, acest telescop ar trebui să aibă un diametru de ordinul a 300 km [28] .
Mai mult, aceste informații trebuie transmise Pământului; conform autorilor proiectului, la țintă sonda manevrează în așa fel încât vela să se transforme într- o lentilă Fresnel , concentrând semnalul sondei în direcția Pământului. Potrivit estimărilor, un obiectiv ideal cu focalizare ideală și orientare ideală amplifică un semnal cu o putere de 1 W până la 10 13 W în echivalent izotrop. Așadar, fiecare navă spațială minusculă va transmite date folosind un sistem de comunicații laser compact de la bord, folosind propria sa velă ca antenă. Cinci ani mai târziu, aceste date sunt primite pe Pământ folosind același sistem laser [26] [6] . Revenirea sondelor în sine nu este așteptată, deoarece nu există un sistem de decelerare a acestora [13] .
Pe lângă studierea exoplanetelor în sistemul Alpha Centauri, este posibil să se organizeze o misiune către un alt sistem stelar, totuși, un zbor către cel mai apropiat dintre ele, chiar și cu o viteză de 0,2 s , va dura 50 de ani. Cu toate acestea, există și alte opțiuni pentru aplicarea utilă a componentelor Breakthrough Starshot în astrofizică. Instalația laser, cea mai scumpă parte a proiectului, poate fi folosită ulterior pentru zboruri ale altor nave spațiale atât în sistemul solar, cât și dincolo de acesta [4] [29] . Deci, o nanosondă spațială, accelerată la 20% din viteza luminii, este capabilă să zboare pe Marte într-o oră (în timp ce un dispozitiv modern durează aproximativ 9 luni pentru a face acest lucru), până la Pluto (unde dispozitivul New Horizons a zburat timp de 9 luni). ani) - într-o zi și în săptămână pentru a ajunge în spațiul interstelar. Chiar și o viteză de 2% din viteza luminii va reduce semnificativ timpul de zbor. În plus, instalația laser poate fi folosită ipotetic atât ca telescop de dimensiuni fără precedent, cât și ca instrument de apărare împotriva asteroizilor , capabil să detecteze obiecte potențial periculoase la o distanță mare și chiar să-și schimbe traiectoria folosind tehnologia de ablație cu laser 30] [28] [ 5] [31] .
Dar, în orice caz, potrivit lui Philip Lubin, primele zboruri vor fi făcute în cadrul sistemului solar: „Deoarece putem trimite un număr mare de sonde, acest lucru ne oferă multe oportunități diferite. De asemenea, putem trimite sonde similare mici (la scară de napolitană, adică pe un cip) pe rachete convenționale și să folosim aceleași tehnologii pentru a studia Pământul sau planetele și sateliții acestora din sistemul solar” [6] [5] .
Dacă omenirea în dezvoltarea sa științifică și tehnologică este capabilă să îndeplinească o astfel de misiune, putem presupune o astfel de posibilitate pentru o altă civilizație extraterestră ipotetică . Deci, în cadrul proiectului SETI , una dintre direcții poate fi încercarea de a remedia semnele de funcționare a unui amplificator laser datorită puterii sale excepționale. Conform calculelor, radiind în intervalul microundelor, ar putea crea un flux de mai multe yang la o distanță de 100 parsecs timp de câteva zeci de secunde, care ar putea fi detectat cu o probabilitate de 10% cu o durată de observație de 5 ani [32] .
Utilizarea luminii pentru propulsie necesită o putere enormă: un laser gigawatt va oferi doar 7 Newtoni de forță [13] . Nava spațială va compensa forța scăzută datorită masei sale reduse, doar câteva grame. Și fiecare dintre ele trebuie să aibă o cameră, un modul de control, un nod de comunicare, un sistem de orientare și o sursă de energie [13] [17] . Dar plasarea atât de multă sarcină utilă într-un volum extrem de mic este destul de fezabilă astăzi datorită progresului în microelectronică împreună cu producția mai ieftină în conformitate cu legea lui Moore , notează Milner [2] [26] . Sondele pot fi alimentate de o sursă radioactivă miniaturală, cum ar fi americiu-241 utilizat în detectoarele de fum sau plutoniu-238 tradițional [4] [7] [33] .
Toate componentele trebuie proiectate pentru a rezista la accelerații extreme (rămâne de văzut cum se vor comporta toate electronicele în astfel de condiții), frig, vid și ciocniri cu protoni. Nava spațială va trebui, de asemenea, să reziste la numeroase ciocniri cu praful cosmic . Este de așteptat ca fiecare centimetru pătrat frontal să se ciocnească cu viteză mare (ceea ce crește foarte mult pericolul potențial) cu aproximativ o mie de particule de 0,1 microni și mai mari [13] [34] [7] . Interacțiunea cu gazul și praful interstelar poate duce la denaturarea traiectoriei vehiculelor, supraîncălzirea acestora, deteriorarea mecanică și chiar distrugerea completă, în funcție de material; conform estimărilor specialiștilor proiectului, grafitul este mai puțin vulnerabil decât cuarțul [35] . Cu toate acestea, probabilitatea de a se ciocni cu particule chiar și de 1 micron într-un spațiu relativ rarefiat pentru dispozitive miniaturale rămâne destul de mică [7] ; pentru dimensiuni mai mari, este complet neglijabil [34] . Este posibil să se minimizeze secțiunea transversală de coliziune rotind vehiculele în direcția lungimii de-a lungul liniei de mișcare sau făcându-le în general sub formă de ace subțiri. De asemenea, se recomandă utilizarea unei acoperiri cu un strat protector, de exemplu, din randol . Chiar și opțiunile de acoperire sunt luate în considerare cu astfel de proprietăți care ar face posibilă colectarea energiei termice a coliziunilor și transformarea acesteia în utilă [36] . Abaterile de la traiectorie sunt destul de mici și pot fi ușor compensate cu ajutorul propulsoarelor fotonice de atitudine [34] [9] . În cele din urmă, numărul mare de nanosonde este destinat să compenseze pierderile [26] [7] [4] .
Vela va fi, de asemenea, supusă la sarcini extrem de mari, astfel încât cerințele asupra ei sunt și ele foarte mari. În versiunea originală a lui Lyubin [9] , suprafața sa era de numai 1 m2 , dar cu astfel de parametri este posibil să nu reziste la încălzire în timpul accelerației în câmpul radiației laser, astfel încât noua versiune folosește o velă cu o suprafață de 16 m2. , deci regimul termic va fi, deși destul de dur, dar, conform estimărilor preliminare, nu ar trebui să topească sau să distrugă vela [25] . Sarcina este simplificată de faptul că vela nu ar trebui să absoarbă radiația doar cu o anumită frecvență [13] , ceea ce permite utilizarea oglinzilor dielectrice mai degrabă decât a acoperirilor metalizate ca bază pentru aceasta . Ca material al pânzei, sunt luate în considerare oglinzile dielectrice multistrat, care reflectă 99,999% din lumina incidentă (conform calculelor preliminare, acest lucru ar trebui să fie suficient pentru a preveni topirea pânzei în câmpul de radiație al unui laser de 100 GW). O abordare alternativă promițătoare care face posibilă ca grosimea pânzei să fie mai mică decât lungimea de undă a luminii reflectate este utilizarea unui monostrat dintr-un metamaterial cu un indice de refracție negativ ca bază (un astfel de material are și nanoperforări, ceea ce reduce și mai mult). masa acestuia). O altă opțiune este o oglindă dielectrică cu un singur strat realizată dintr-un material cu absorbție scăzută ( 10-9 ), cum ar fi materiale optice pentru ghidajele de lumină . O astfel de oglindă va avea un coeficient de reflexie relativ mic, comparativ cu unul multistrat , dar va avea o masă mai mică [6] [25] . Pe de altă parte, o complexitate suplimentară apare din accelerarea sistemului - determină o schimbare treptată a frecvenței Doppler a radiației de accelerare care lovește vela, mai mult de 20% în total. Prin urmare, va trebui fie să reglați dinamic frecvența laserelor, fie să proiectați un material reflector cu o lățime de bandă de douăzeci de procente [5] . Pentru a păstra forma, se propune întărirea pânzei cu grafen . Unele materiale compozite pe bază de grafen se pot contracta atunci când sunt supuse unei tensiuni electrice aplicate pentru control activ. Pentru stabilizare, vela poate fi nerăsucită sau modelată într-un con inversat pentru auto-stabilizare pasivă în câmpul de radiație laser [6] [34] [37] . Calculele recente arată însă că forma sferică este avantajoasă în multe privințe [38] .
În plus, sistemul de propulsie la sol pentru overclockarea sistemului prezintă, de asemenea, o provocare de proiectare foarte dificilă datorită dimensiunii sale fără precedent și a puterii echivalente cu 10-20 de hidrocentrale Krasnoyarsk ; o radiație de 100 GW timp de 100 de secunde corespunde unei energii de ordinul a 1 terajoule [39] . Cu toate acestea, este simplificat prin faptul că puteri de ordinul a 100 GW nu sunt necesare în mod continuu, simultan și pentru o lungă perioadă de timp: conform autorilor proiectului, laserul ar putea funcționa în modul de acumulare a puterii printr-un fel de condensator gigant și emisia ulterioară de impulsuri scurte de aproximativ 20 GW [7] . Acest lucru nu este atât de mult în comparație cu costurile moderne de energie pentru zborurile tradiționale cu rachete - aproximativ 45 GW pentru lansarea și obținerea energiei cinetice în primele 10 minute de zbor este doar de câteva ori mai mică decât cea pe care o nanonavă care se deplasează cu o viteză de 0,2 s. , după cum a remarcat Philip Lubin [13] . Opțional, se propune proiectarea unui sistem bazat pe oscilatoare master , ale căror elemente sunt pur și simplu amplificatoare cu o putere de doar 0,1-3 kW. Pentru fiecare lansare de nanodispozitive, sunt necesare 100–300 de secunde de funcționare continuă a unității de accelerare, ceea ce, pe de o parte, face ca problema răcirii să nu fie atât de critică (puteți folosi un sistem simplu de schimb de căldură sau chiar materiale capabile să absoarbă). căldura în timpul tranzițiilor de fază ) [40] , pe de altă parte — nu permite utilizarea laserelor moderne petawatt capabile să genereze doar impulsuri submicrosecunde [41] . Cu toate acestea, în prezent, datorită dezvoltării intensive a tehnologiei informației, se constată o reducere semnificativă a costurilor (de 2 ori pe an și jumătate din 1990 până în 2015) și o creștere a dimensiunii capacităților necesare procesării și stocării datelor. sisteme; progresul în domeniul energiei solare joacă, de asemenea, un rol important; în plus, interesul militarilor este în mod tradițional mare în acest domeniu. Toate acestea fac ca puterea necesară a radiației laser să nu fie atât de neatins [13] [41] .
Cu toate acestea, o dificultate separată este focalizarea întregii puteri laser pe pânze solare cu dimensiunea de 4 × 4 m de la o distanță de până la 2⋅10 6 km - aceasta corespunde cu precizia maximă de focalizare de 2⋅10 -9 radiani sau 0,4 . milisecunde - pentru radiația cu lungimea de undă de 1 µm este limita de difracție a unui sistem cu o lungime de bază de 1 km [42] . În acest caz, atmosfera turbulentă va estompa fasciculul într-un loc de aproximativ 1 secundă în dimensiune (10 -5 radiani) [6] . Sarcina de ghidare este complicată de rotația Pământului în jurul axei sale - cu 2 ° în 10 minute, necesară pentru accelerare [43] . Se așteaptă să se obțină o îmbunătățire a rezoluției cu câteva ordine de mărime folosind optica adaptivă (AO), care va compensa distorsiunile atmosferice [44] . Cele mai bune sisteme AO din telescoapele moderne reduc neclaritatea la zeci de milisecunde de arc, adică mai rămân aproximativ două ordine de mărime înainte de ținta intenționată [45] . Sistemul Starshot este fundamental diferit de un telescop convențional [46] în sarcinile sale și, prin urmare, necesită o abordare diferită [44] . Instalarea va fi un array bazat pe principiul phased array [42] . „Pentru a învinge turbulențele atmosferice la scară mică, matricea în fază trebuie să fie descompusă în elemente foarte mici, dimensiunea elementului emițător pentru lungimea noastră de undă nu ar trebui să fie mai mare de 20-25 cm”, explică Philip Lubin. - Sunt cel puțin 20 de milioane de emițători, dar acest număr nu mă sperie. Pentru feedback în sistemul AO, intenționăm să folosim multe surse de referință - geamanduri - atât pe sondă, cât și pe nava-mamă și în atmosferă. În plus, vom urmări sonda în drum spre țintă. De asemenea, dorim să folosim stelele ca o geamandură pentru a regla fazarea matricei atunci când primim un semnal de la sondă la sosire, dar pentru fiabilitate vom urmări sonda” [6] [5] . Tehnologia propusă este deja utilizată în rețelele moderne de radiotelescoape, oferind o rezoluție de până la 60⋅10 -6 " [47] (pentru radiații cu o lungime de undă de 1 μm, aceasta este exact ordinea necesară de 10 -9 radiani) , deși nu s-a încercat încă o matrice în fază de această scară din lasere, admite Lubin [7] [42] .
Pe de altă parte, amplasarea instalației laser pe Pământ implică, de asemenea, efectul radiațiilor asupra atmosferei, mediului și sateliților artificiali ai Pământului care apar în calea acestuia - toate acestea sunt, de asemenea, important de luat în considerare [7]. ] [48] . Concentrarea unei astfel de puteri uriașe, în general, o face o armă potențial foarte periculoasă: 10 minute de funcționare a unei centrale de 100 de gigawați eliberează energie echivalentă cu explozia unei bombe atomice la Hiroshima . Dacă acest fascicul îngust este reflectat din spațiu înapoi în direcția Pământului, poate avea consecințe catastrofale [13] . Este necesar să se reglementeze funcționarea unei rețele laser super-puternice la nivel internațional [14] [31] .
Cu toate acestea, treapta superioară ar trebui să fie plasată exact pe Pământ: o alternativă sub forma, de exemplu, a părții îndepărtate a suprafeței Lunii , pare să fie imposibilă astăzi. În plus, acest lucru ar crea un risc de securitate și mai mare [14] . Locația la o altitudine mare deasupra nivelului mării va reduce oarecum distorsiunea atmosferică - de aproximativ 4 ori pentru 5 km deasupra nivelului mării. O opțiune ideală pentru lansarea sondelor către Proxima Centauri, care are o declinare de -60°, ar fi o bază în Antarctica , dar crearea acesteia complet de la zero este, de asemenea, practic nerealistă, așa că cel mai probabil va fi aleasă o altă regiune din emisfera sudică, de exemplu, în deșertul Atacama [ 45] .
O altă dificultate pe parcurs cu planul este de a trimite date de la sondă la destinație pe Pământ folosind transmițătoarele laser instalate pe fiecare sondă, în modul burst. Cel mai bine este să îndreptați semnalul direct către Pământ folosind geamanduri naturale și artificiale [49] [50] . Pentru ca lumina de la Proxima să nu întunece atât de mult Soarele, acest lucru se poate face la câteva zile după trecerea țintei principale: după 3 zile la distanță de 100 UA. adică raportul dintre luminozitatea Soarelui și a Proximei va crește cu 4 ordine de mărime [51] .
O sarcină la fel de netrivială este atunci să luăm în considerare acest semnal pe fundalul unei radiații stelare mult mai puternice (cu 13-14 ordine de mărime!). De la o astfel de distanță, o velă de 4 × 4 m, care este planificată să fie folosită ca antenă, este focalizată într- un loc cu dimensiunea de 1 × 10 7 km, prin urmare, o serie de dispozitive de recepție cu dimensiunea de 1 km (se pare că cele mai multe firesc să folosești același lucru pentru a overclocka o nanoflotă) va prelua un semnal cu 14 ordine de mărime mai slab decât cel transmis [49] . Cu toate acestea, tehnologiile moderne, precum Lunar Laser Com Demo (LLCD) bazate pe nanotuburi supraconductoare [52] , fac posibilă detectarea chiar și a fotonilor individuali ai radiației laser de la distanțe foarte mari [51] . Între timp, acești parametri corespund și limitei de difracție la care funcționează radiotelescoapele, dar nu încă (azi) sistemele laser. Pentru a apropia rezoluția la limita de difracție, se propune trecerea semnalului de la sonde prin lentila Fresnel, în care vela este convertită la atingerea destinației [49] . Cum să implementați exact o astfel de transformare a structurii și proprietăților velei încă nu a fost stabilit; „Ideea de a transforma o velă într-o lentilă Fresnel pe baza unui element difractiv cu peliculă subțire este destul de complexă și necesită multă muncă în avans pentru a afla exact cum să o faci”, spune Philip Lubin. „Acest articol este de fapt unul dintre cele mai importante din planul nostru de proiect.” În ceea ce privește raportul dintre luminozitatea semnalelor, în propriile sale cuvinte, „lumina de la stea este de fapt destul de slabă, deoarece lățimea liniei laserului nostru este foarte mică. Linia îngustă este un factor cheie în reducerea fondului” [6] . Lungimea de undă corespunzătoare ar trebui să difere de cea la care centrala este reglată în timpul etapei de accelerare, ținând cont de deplasarea Doppler datorată mișcării sondei sursei la viteză mare [49] .
În cele din urmă, dacă se creează o matrice în fază de emițători optici/receptoare de radiații cu o deschidere totală de un kilometru, capabile să primească un semnal de la sonde, atunci va fi el însuși un instrument care va vedea exoplanete de la o distanță de zeci de parsecs. Acest lucru ridică o întrebare logică, de ce sunt necesare probe în acest caz. Dar, ca program pe termen mai lung, funcționalitatea sondei este planificată să fie extinsă prin adăugarea unui spectrometru în infraroșu în plus față de cameră și alți senzori [6] [5] , a spus Lubin .