5 Великі запитання про технологію нанокрафт Starshot

У вівторок російський мільярдер Юрій Мілнер і знаменита астрофізика Стівен Хокінг оголосили про свій план на 100 мільйонів доларів для вивчення Alpha Centauri, найближчої зоряної системи до Землі (всього на відстані 4,37 світлових років). Мета, серед кількох різних наукових досліджень, полягає в тому, щоб в основному знайти, чи існують інопланетяни в цій шиї лісу, або, принаймні, якщо є якісь планети або супутники в системі, здатні підтримувати життя.

Закликав прорив Starshot, проект складається з відправки ультра-легкий космічний корабель (під назвою "Starchips") на їхньому шляху до Альфа Центавра перевозяться lightsail просувається 100 gigawatt світловий промінь.

Це лише вершина айсберга. Весь план сприймається як божевільний геній, або просто розумний. Чим більше ви копаєтеся, тим більше все більше здається, що план Мілнера і його команди насправді може бути здійсненним.

Це пояснюється тим, що технологія, яку вони пропонують, насправді далека від можливості. Це, безумовно, розтягує уяву, але це не розбиває. Технологія lightail вже випробовується багатьма дослідницькими групами, в тому числі організованою Біллом Най. Зростання CubeSats як економічно ефективного розміру, недорогого способу проведення космічних досліджень дійсно показало, скільки можна отримати, створивши менший, легший космічний апарат. Nanocrafts як розбили за Starshot є лише логічним кроком у цьому напрямку.

Тим не менш, є багато питань, які залишаються про те, як пекло Мілнер, Хокінг, і навіть засновник Facebook Марк Цукерберг (інвестор) збираються це зробити. Ось п'ять найважливіших питань про нанотехнологічну технологію та систему пуску світлового променя - і деякі відповіді, які можуть дати деяке уявлення.

Промінь світла як рушійна техніка - будь ласка, поясніть!

У планах "Старшот" для запуску цих новонароджених дітей не використовується паливо і вогонь - він використовує світло і лазери. Високопотужні, орієнтовані лазери стали джерелом інтриг для інженерів пропульсії протягом десятиліть, але тільки недавно ми можемо остаточно уявити собі використання такої технології в декількох додатках - включаючи переміщення орбітального сміття з шляху критичних супутників. Зрештою, світло - це енергія, здатна прикладати силу до системи.

Це ключове слово: зачати. Нам ще потрібно побудувати лазерний промінь, який може знімати інший об'єкт в простір через чисту силу фотонів. Вчені працюють над гібридними технологіями руху, які б використовували лазери в поєднанні з більш традиційними методами, але не в якості єдиного палива.

Ви могли б сказати: "Але як же сонячна вітрила повинна працювати в космосі?" Ну, технологія сонячних вітрил вимагає використання фотонів, вироблених сонячними променями, для просування вітрила (і його космічного апарату) вперед. Хоча вітрило потрапляє в космос, але: ракети.

Стрілець стверджує, що світловий промінь - масив лазерів, встановлених у кілометровому масштабі - може потенційно забезпечити до 100 гігаватт енергії з пучком. Ми не будемо використовувати один ультра-великий лазер, а натомість багато дрібних. Можливо, мільйони, або сотні мільйонів.

Чи може це бути достатньою силою, щоб вивести нанотруби з атмосфери Землі і тяжіння? Може бути. Мілнер вважає, що у «Зірці» є більше шансів, встановивши стартову площадку на високогірній обстановці, як пустеля Атакама. (Ось чотири пропозиції, які ми зробили сьогодні.) Це також досить досить сухе, щоб зменшити ймовірність того, що водяна пара зможе нарощуватися і створювати додаткову вагу на космічному кораблі або перешкоджати лазерній силі, коли вона виштовхує космічний апарат.

Якщо все йде добре, зонди будуть на шляху до «Альфа Центавра» на відстані 100 мільйонів миль на годину і досягати системи протягом 20 років.

Lightsails супер тонкий і супер делікатний. Як ця річ повинна пережити старт? Як це повинно вижити в скелях і пилу, що обертається навколо простору протягом двадцяти років?

Світловий лист зроблений з ультратонкого «метаматеріалу» (термін, який посилається на експериментальні матеріали), призначений для підбору зустрічних фотонів від джерела світла, і використовує їх як силу тиску, що діє на сам вітрил. В результаті, вітрило здатне рухатися вперед і навіть прискорюватися до набагато більш високих швидкостей.

Як я вже згадував, lightails не є новим. Білл Най і Планетарне товариство працювали над проектом lightail, який прагне довести життєздатність такої технології, як економічно ефективний проект рушійної сили космічного апарату. NASA запускає біля Землі астероїдний скаут (NEA Scout) у 2018 році на борту Оріон для інавгураційної місії космічної системи запуску, яка зробить свій шлях до сусіднього астероїда за допомогою розширюваного сонячного вітрила.

Обидві ці світлові справи зіштовхуються з тією ж проблемою зіткнення з міжзоряним пилом і сміттям, які могли б підштовхнути отвори до вітрила і зірвати все це. Це досить чітка можливість, але вона обмежена кількома міркуваннями.

Перше: простір є великий. Існує велика кількість частин речовини, що плавають навколо, але це не так, як на Землі, де частинки в повітрі знаходяться скрізь, де ми звертаємося. Об'єкти в просторі знаходяться на відстані миль - всього лише від 10 до мільйонів, але тим не менше. Можливість потрапляння чогось - в той час як реальна - залишається відносно віддаленою.

По-друге, ці вітрила були спеціально розроблені для того, щоб залишатися відносно твердими при пошкодженні. Візьміть скаута NEA, наприклад. НАСА перевірила, наскільки добре її світловий засіб може підтримувати структурну цілісність, навіть якщо вона потрапила з кількома частинами космічного сміття тут і там. Поки немає катастрофічної травми (як, наприклад, астероїд розміром з Техасу, що впадає в космічний апарат), скаут NEA все ще може рухатися вперед і маневрувати за командами NASA.

Наркоприводи Starshot також повинні боротися з цими проблемами. Передбачається, що їхні ліхтарі розтягуються до чогось у масштабі декількох метрів, тому вони будуть досить маленькими. Але вони становитимуть лише кілька сотень атомів і мають масу близько одного граму. Вони достатньо маленькі, щоб уникнути майже кожного виду зустрічного об'єкту, що плаває навколо простору, - але в нещасливих випадках вони потрапляють, весь космічний корабель, швидше за все, буде знищений. І ми майже нічого не знаємо про вміст пилу в Альфа Центавра.

Але є одна велика проблема, з якою має справлятися тільки нанотрафт - не розвалюючись під час запуску світлового променя. Очікується, що вітрило буде вражене пучком, який складе приблизно в 60 разів більше сонячного світла, який вражає Землю в будь-який момент. Парус повинен не просто триматися від розплавлення, а й вдатися в космос, не впавши на шматки атмосферних сил. За оцінками, одна частина в 100 000 лазерів буде більш ніж достатньо для випаровування вітрила. Це ніколи раніше не робилося. Не можна сказати, скільки тестування проекту Starshot потрібно буде провести перед тим, як виправити цю частину.

Як працює StarChip? Які дані він збирає?

StarChips - побудовані в масштабі одного граму і здатні вписатися в долоні - не буде сучасною системою, яка допомагає нам щось на зразок ровера Curiosity або космічного телескопа Kepler. вивчати різні світи в просторі. Вони будуть дуже базовими. Мета полягає в тому, щоб приклеїти чотири камери (по два мегапікселі кожна) на чіп, що дозволить отримати дуже елементарні зображення Альфа Центавра та різних планет і супутників системи.

Ці дані будуть передані назад на Землю за допомогою висувної антени довжиною метра, або, можливо, навіть за допомогою світлового шнура для полегшення зв'язку на основі лазера, які могли б зосередити сигнал назад до Землі.

Це здається достатньо стандартним. Що саме повинні показувати ці образи?

У цьому полягає ще одна невідома. Коли астрономи оцінюють потенціал інших світів для житла, вони дивляться на безліч різних даних, починаючи від температур планети, складу, відстані від зірки-господаря, ознак справжньої атмосфери - і багато іншого. Багато цього матеріалу можна виміряти лише за допомогою різних типів камер, які можуть бачити по всьому електромагнітному спектру. Нанотехнології на цьому етапі будуть працювати на камерах не дуже на відміну від того, що ми використовуємо на наших смартфонах. Це практично не корисно для розуміння того, чи може планета або місяць витримати будь-який спосіб життя, або вже має ознаки життя.

Тим не менш, коли ви вважаєте, мета полягає в тому, щоб відправити кілька малих космічних апаратів на віддалену систему, що є кілька від світлових років відстань за два десятиліття, вам доведеться десь скоротити витрати.

Навіть якщо ця річ переживає подорож до Альфа Центавра, як вона повинна жити досить довго, щоб зібрати достатньо корисних даних?

Довговічність має вирішальне значення для проекту Starshot. Необхідно, щоб нанокристал залишався під напругою протягом декількох десятиліть, щоб реально використовувати їхній повний дослідницький потенціал. З цією метою ініціатива "Прорив" пропонує бортовий джерело енергії на основі плутонію-238 або америцію-241, вагою не більше 150 міліграмів.

В основному, як розпаду ізотопу плутонію або америцію, він заряджає ультраконденсатор, який перемикає компоненти StarChip, необхідні для зняття зображень і передачі їх назад на Землю. Термоелектричне джерело енергії також може бути реалізовано для того, щоб скористатися підвищенням температури фронтальних поверхонь нанокрила, коли він починає наближатися до атмосфер інших світів.

Також розглядається фотоелектрична енергія - перетворення сонячного світла на енергію. Один прототип сонячного вітрила, який був перевірений Японією близько шести років тому, ІКАРОС, розфарбував поверхню свого сонячного вітрила фотоелектрикою. Це непрактично, коли нанопристрій, нарешті, виводить його з меж Сонячної системи, але може бути корисним для такої тривалості, щоб заощадити ще більше енергії акумулятора.

Велике питання полягає в тому, чи можна зберегти такі недорогі матеріали більш ніж 20-50 років. У ідеальному сценарії, що, ймовірно, більш ймовірно, що кожен нанокристал буде тільки очікувати, щоб зібрати дані за відносно короткий проміжок часу - близько декількох місяців. Якщо Мілнер і компанія дійсно налаштовані на масове виробництво цих речей, то вони не повинні мати жодної проблеми, посилаючи пучок у кожному напрямку, щоб дослідити як можна більше про Альфу Центавра. Очікування кожного з них працювати протягом багатьох років досить непрактично, якщо ми не можемо безпосередньо втрутитися і перенести їхні рухи в нові напрямки.

Вартість

Висловлена ​​мета Мілнера полягає в тому, щоб кожен нанокристал витрачався на витрати, які потрібні для побудови iPhone. Кожен SmartChip і світловий комбо не повинен перевищувати кількох сотень доларів, а мета полягає в тому, щоб продовжувати додавати кращі технології, оскільки вони стають все менш і менш дорогими протягом багатьох років.

Насправді, найдорожчим (і, можливо, найменш можливим) частиною цього проекту є світловий промінь. Ми говоримо про 100 гігаватт електроенергії протягом двох хвилин, щоб звільнити цю прокляту річ. Один гігават може живити 700 000 будинків. Це достатньо для 70 000 000 будинків.

Цього достатньо для того, щоб утримати кілька малих країн. Це в 100 разів перевищує суму, вироблену типовою АЕС. Це приголомшливо навіть зрозуміти, як вони збираються зібрати стільки енергії в одному місці, щоб запустити купу наноприкладів у космос.

Загальна вартість одного випуску світлового пучка може бути, за словами одного з коментаторів на сайті Breakthrough, $ 70,000.

Так, ми побачимо …