5 Големи въпроси за технологията на нанопластовете на Starshot

Във вторник руският милиардер Юрий Милнър и прочутата астрофизика Стивън Хокинг обявиха план за $ 100 милиона за изучаване на Алфа Кентавър, най-близката звезда към Земята (само на 4.37 светлинни години). Целта, наред с няколко различни научни изследвания, е да намерим, ако извънземните съществуват на тази врата на гората, или най-малкото, ако има някакви планети или луни в системата, способни да подкрепят живота.

Наричан Breakthrough Starshot, проектът се състои в изпращане на ултра-лек космически кораб (наречен "StarChips") по пътя им към Alpha Centauri, носен от светлинна светлина, задвижвана от светлинен лъч с 100 gigawatt.

Това е само върхът на айсберга. Целият план идва като луд гений или просто луд. Колкото повече копаете, толкова повече и повече изглежда, че планът на Милнер и екипажа му всъщност може да бъде осъществим.

Това е така, защото технологията, която те предлагат, всъщност не е далеч от възможността. Това със сигурност разтяга въображението, но не го разбива. Технологията на светлините вече се изпитва от няколко изследователски групи, включително и от Бил Най. Увеличаването на CubeSats като ефективен, евтин начин за провеждане на космически изследвания наистина показва колко много може да се спечели чрез създаването на по-малки, по-леки космически кораби. Нанопластовете, поставени от Starshot, са само логична стъпка в тази посока.

Все пак има много от въпроси, които остават за това как, по дяволите, Милнър, Хокинг и дори основателят на Facebook Марк Цукерберг (инвеститор) ще се справят с това. Ето петте най-големи въпроса за нанокристалната технология и системата за пускане на светлинния лъч - и някои отговори, които биха могли да дадат известна представа.

Светлинни лъчи като технология на задвижване - моля, обяснете!

Планът "Старшот" за пускане на тези нанопластови бебета не използва гориво и огън - използва светлина и лазери. Високомощните, фокусирани лазери са източник на интриги за двигателни инженери от десетилетия, но едва наскоро най-накрая можем да си представим използването на такава технология в няколко приложения - включително преместване на орбитални остатъци от пътя на критичните сателити. В крайна сметка, светлината е енергия, способна да упражнява сила върху системата.

Това обаче е ключовата дума: зачене, Все още трябва да изградим лазерен лъч, който да може да изстреля друг обект в пространство чрез чиста сила на фотоните. Учените работят по хибридни технологии за задвижване, които биха използвали лазери в комбинация с по-конвенционални методи, но не и като единствено гориво.

Може да се каже, "но тогава как е трябвало да работи слънчевото платно в космоса?" Е, технологията на слънчевите платна изисква да се използват фотоните, произведени от слънчевите лъчи, за да задвижат платно (и неговия космически кораб) напред. Пътуването стига до мястото на ол-образния начин: ракети.

Старшот твърди, че светлинният прожектор - редица лазери, разположени в мащаб в широк километър - би могъл потенциално да осигури до 100 гигавата енергия на лъча. Нямаше да използваме един ултра-голям лазер, а вместо това много по-малки. Може би милиони или стотици милиони.

Може ли това да е достатъчно сила, за да извади нанокрила от атмосферата на Земята и гравитационното привличане? Може би. Милнър смята, че Starshot има по-добър шанс, като постави стартовата площадка на висока надморска височина, като пустинята Атакама. (Това са четири предложения, които направихме днес.) Също така е сравнително суха, за да намали вероятността водните пари да се натрупат и да създадат допълнителна тежест на космическия кораб или да попречат на лазерната сила, която избутва космическия кораб.

Ако всичко върви добре, сондите ще бъдат на път за Алфа Кентавър на 100 милиона мили в час и ще достигнат до системата в рамките на 20 години.

Lightsails са супер тънки и супер деликатни. Как би трябвало това нещо да оцелее след старта? Как би трябвало да оцелее в скалите и прахта, която се върти около пространството в продължение на двадесет години?

Светлината е изработена от ултра-тънък метаматериал (термин, който се отнася до експериментални материали), предназначен да вземе предстоящи фотони от светлинен източник и да ги използва като сила на натиск, която се упражнява върху самото платно. В резултат на това платно може да се движи напред и дори да ускорява до много по-високи скорости.

Както споменах, светлините не са нови. Бил Най и Планетарното общество работят по проект за светкавица, който се стреми да докаже жизнеспособността на такава технология като разходно-ефективен проект за задвижване на космически кораб. НАСА стартира близо до земята астероиден скаут (NEA Scout) през 2018 г. на борда Орион за встъпителната мисия за космическата система за стартиране, която ще стигне до близкия астероид чрез разширяващо се слънчево платно.

И двете светлинни пътеки се сблъскват с един и същ проблем на сблъсъка с междузвездния прах и отломките, които могат да пробият дупки в платното и да провалят всичко. Това е доста различна възможност, но тя е ограничена от няколко съображения.

Първо: пространството е голям, Има много частици материя, плаващи наоколо, но не е като тук на Земята, където частиците във въздуха са навсякъде, където се обръщаме. Обектите в космическото пространство са на километри един от друг - най-малко 10 до милиона, но въпреки това мили. Възможността да се удари нещо - докато е реално - е все още относително отдалечена.

Второ, тези платна са специално проектирани да останат относително твърди при повреда. Вземете скаута на NEA, например. НАСА е проверила колко добре светлинната му поща може да поддържа структурна цялост, дори ако тя е ударена с няколко бита космически боклук тук и там. Докато няма катастрофално нараняване (като, например, астероид с размерите на Тексас в космическия кораб), скаутът на NEA все още може да се движи напред и да се маневрира с команди от НАСА.

Наночастиците на Starshot също трябва да се справят с тези проблеми. Предполага се, че светлинните им грешки ще се простират до нещо по скалата от няколко метра, така че те ще бъдат доста малки. Но те ще бъдат с дебелина само няколкостотин атома и ще имат маса около един грам. Те са достатъчно малки, за да избегнат почти всякакъв вид насрещно движещи се обекти, но при нещастните шансове, които те ударят, целият космически кораб вероятно ще бъде унищожен. И ние знаем почти нищо за съдържанието на прах в Алфа Кентавър.

Но има само един голям проблем, с който трябва да се справи самият нанопласт - да не се разпада по време на пускането на светлинния лъч. Платното се очаква да бъде ударено от лъч, който ще достигне около 60 пъти повече от слънчевата светлина, която удари Земята във всеки един момент. Платната не само трябва да се пази от топене, но и да успее да влезе в космоса, без да бъде разкъсана от парчета от атмосферните сили. Приблизително една част от 100 000 лазера би била повече от достатъчна, за да изпари платно. Това никога не е правено. Няма никакво разбиране за това колко тестове ще трябва да извърши проектът Starshot, преди да получи тази част права.

Как работи StarChip? Какви видове данни трябва да събира?

СтарКипс - изграден на мащаб от един грам и способен да се побере в дланта на ръката - няма да бъде най-съвременната система, която ни помага в нещо като ровера за любопитство или космическия телескоп Кеплер. да изучаваме различни светове в космоса. Те ще бъдат много основни. Целта е да се поставят четири камери (по два мегапиксела всяка) на чипа, които ще позволят много елементарни изображения на Алфа Кентавър и различните планети и луни на системата.

Тези данни ще бъдат предадени обратно на Земята с помощта на подвижна антена с дължина от метър, или може би дори с помощта на светлинната светлина, за да се улеснят комуникациите на базата на лазер, които биха могли да насочат сигнал обратно към Земята.

Това изглежда достатъчно стандартно. Какво точно трябва да ни покажат тези образи?

В това се крие друго неизвестно. Когато астрономите оценяват потенциала на другите светове да бъдат обитаеми, те разглеждат множество различни данни, вариращи от температури на планетата, състав, отдалеченост от приемната звезда, признаци на настояща атмосфера - и много други. Много от тези неща са измерими само чрез различни типове камери, които могат да виждат в електромагнитния спектър. Наночастиците на този етап ще се движат с камери, които не са твърде различни от това, което използваме на нашите смартфони. Това едва ли е полезно за действителното разбиране дали една планета или луна биха могли да издържат на какъвто и да е вид живот или вече проявяват признаци на живот.

И все пак, когато смятате, че целта е да изпратите няколко малки космически кораба на далечна система, която е многократни светлинни години далеч след две десетилетия, трябва да намалите разходите някъде.

Дори ако това нещо оцелее в пътуването до Алфа Кентавър, как трябва да живее достатъчно дълго, за да събере достатъчно полезни данни?

Дълголетието е от решаващо значение за проекта Starshot. Необходимо е нанокристалите да останат захранвани за няколко десетилетия, за да се възползват от пълния им изследователски потенциал. За тази цел инициативата Breakthrough предлага бордов източник на енергия, базиран на плутоний-238 или Americium-241, с тегло не повече от 150 милиграма.

По принцип, тъй като плутониевият или америциевият изотоп се разпада, той ще зареди ултра-кондензатор, който превключва компонентите на StarChip, необходими за прихващане на снимки и предаването им обратно на Земята. Термоелектрически източник на енергия може също да бъде използван, за да се възползват от увеличаващите се температури на фронталната повърхност на нанопластовете, когато той започне да се доближава до атмосферите на други светове.

Фотоволтаиката - превръщането на слънчевата светлина в енергия - също се разглежда. Един прототип на слънчево платно, който беше тестван от Япония преди около шест години, ИКАРОС, нарисува повърхността на слънчевото платно с фотоволтаици. Това е непрактично, когато нанопластовете най-накрая го правят извън границите на слънчевата система, но биха могли да бъдат полезни за тази продължителност, за да се спести още повече енергия на батерията.

Големият въпрос е дали можете да запазите такива евтини материали за 20 до 50 години. В един идеален сценарий най-вероятно е да се случи, че всеки нанокристал ще може да събира данни само за относително кратък период от време - около няколко месеца. Ако Милнър и компанията са наистина настроени на масово производство на тези неща, тогава те не би трябвало да имат проблем да изпратят куп във всяка посока, за да изследват колкото могат за Алфа Кентавър. Очакването на всеки един от тях да работи години наред е доста непрактично, ако не можем да се намесим пряко и да изместим движенията им в нови посоки.

цена

Целта на Милнър е да направи всеки нанокрил за цената, необходима за изграждането на iPhone. Всяко SmartChip и lightail комбо трябва да бъде не повече от няколко стотин долара - и целта е да се добавят по-добри технологии, тъй като те стават все по-малко и по-скъпи през годините.

В действителност най-скъпата (и вероятно най-малко възможната) част от този проект е светлинният лъч. Говорим за 100 гигавата мощност за две минути, за да изстреляме проклетото нещо. Един гигават може да захрани 700 000 домове. Това е достатъчно за 70 000 000 домове.

Това е достатъчно, за да може много малки страни да продължат. Това е 100 пъти повече от количеството, произведено от типична атомна електроцентрала. Невероятно е дори да проумее как ще съберат толкова много енергия на едно място, за да пуснат куп нанопласти в космоса.

Общият разход на един светлинен лъч може да бъде, според един коментатор на уебсайта на Breakthrough, $ 70,000.

Да, ще видим за това…