Rumrejsevisionærer løser problemet med interstellar afmatning ved Alpha Centauri

I april sidste år, milliardær Yuri Milner annoncerede Breakthrough Starshot Initiative. Han planlægger at investere 100 millioner amerikanske dollars i udviklingen af ​​et ultralet let sejl, der kan accelereres til 20 procent af lysets hastighed for at nå Alpha Centauri-stjernesystemet inden for 20 år. Problemet med, hvordan man bremser dette projektil, når det når sit mål, er fortsat en udfordring. René Heller fra Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen og hans kollega Michael Hippke foreslår at bruge strålingen og tyngdekraften fra Alpha Centauri-stjernerne til at bremse fartøjet. Den kunne så endda blive omdirigeret til den røde dværgstjerne Proxima Centauri og dens jordlignende planet Proxima b.

I den seneste science fiction-film Passagerer , et stort rumskib flyver med halvdelen af ​​lysets hastighed på en 120 år lang rejse mod den fjerne planet Homestead II, hvor dens 5000 passagerer skal etablere et nyt hjem. Denne drøm er umulig at realisere med den nuværende teknologiske tilstand. "Med dagens teknologi, selv en lille sonde ville skulle rejse næsten 100, 000 år til at nå sit mål, " siger René Heller.

På trods af de tekniske udfordringer, Heller og hans kollega Michael Hippke undrede sig, "Hvordan kunne du optimere det videnskabelige udbytte af denne type mission?" Sådan en hurtig sonde ville dække afstanden fra Jorden til Månen på kun seks sekunder. Den ville derfor skynde sig forbi stjernerne og planeterne i Alpha Centauri-systemet.

Løsningen er, at sondens sejl omplaceres ved ankomsten, så rumfartøjet ville blive optimalt bremset af den indkommende stråling fra stjernerne i Alpha Centauri-systemet. René Heller, en astrofysiker en astrofysiker, der arbejder på forberedelserne til den kommende Exoplanet-mission PLATO, fandt en venlig ånd i it-specialisten Michael Hippke, som opsætter computersimuleringerne.

De to videnskabsmænd baserede deres beregninger på en rumsonde, der vejer mindre end 100 gram i alt, som er monteret på en 100, 000 kvadratmeter sejl, svarende til arealet af 14 fodboldbaner. Under tilgangen til Alpha Centauri, bremsekraften ville stige. Jo stærkere bremsekraften er, jo mere effektivt kan rumfartøjets hastighed reduceres ved ankomst. Omvendt, den samme fysik kunne bruges til at accelerere sejlet ved afgang fra solsystemet, bruge solen som en fotonkanon.

Det lille rumfartøj skulle først nærme sig stjernen Alpha Centauri A så tæt på som omkring fire millioner kilometer, svarende til fem stjerneradier, med en maksimal hastighed på 13, 800 kilometer i sekundet (4,6 procent af lysets hastighed). Ved endnu højere hastigheder, sonden ville simpelthen overskride stjernen.

Under sit stjernemøde, sonden ville ikke kun blive frastødt af stjernestrålingen, men det ville også blive tiltrukket af stjernens gravitationsfelt. Denne effekt kunne bruges til at afbøje den omkring stjernen. Disse swing-by-manøvrer er blevet udført adskillige gange af rumsonder i vores solsystem. "I vores nominelle missionsscenarie, sonden ville tage lidt mindre end 100 år - eller cirka dobbelt så lang tid, som Voyager-sonderne nu har rejst. Og disse maskiner fra 1970'erne er stadig i drift, siger Michael Hippke.

Teoretisk set, de autonome, aktive lette sejl foreslået af Heller og Hippke kunne slå sig ned i en bundet bane omkring Alpha Centauri A og muligvis udforske dens planeter. Imidlertid, de to videnskabsmænd tænker endnu større. Alpha Centauri er et tredobbelt stjernesystem. De to dobbeltstjerner A og B kredser om deres fælles massecenter i en relativt tæt bane, mens den tredje stjerne, Proxima Centauri, er 0,22 lysår væk, mere end 12, 500 gange afstanden mellem Solen og Jorden.

Sejlet kunne konfigureres således, at stjernetrykket fra stjerne A bremser og afbøjer sonden mod Alpha Centauri B, hvor det ville ankomme efter blot et par dage. Sejlet ville derefter blive bremset igen og katapulteret mod Proxima Centauri, hvor den ville ankomme efter yderligere 46 år - omkring 140 år efter dens opsendelse fra Jorden.

Proxima Centauri vakte sensation i august 2016, da astronomer ved European Southern Observatory (ESO) opdagede en exoplanet-ledsager, der er omtrent lige så massiv som Jorden, og som kredser om stjernen i dens såkaldte beboelige zone. Dette gør det teoretisk muligt for flydende vand at eksistere på dens overflade - vand er en vigtig forudsætning for liv på Jorden.

"Dette fund fik os til at tænke over muligheden for at stoppe et interstellart lyssejl med høj hastighed ved Proxima Centauri og dens planet, " siger René Heller. Max Planck-forskeren og hans kollega foreslår endnu en ændring af strategien for Starshot-projektet:i stedet for en enorm energikrævende laser, solens stråling kunne bruges til at accelerere en nanosonde ud over solsystemet. "Den ville være nødt til at nærme sig Solen inden for omkring fem solradier for at opnå det nødvendige momentum, " siger Heller.

De to astronomer diskuterer nu deres koncept med medlemmerne af Breakthrough Starshot Initiative, hvem de skylder inspirationen til deres studie. "Vores nye missionskoncept kan give et højt videnskabeligt udbytte, men kun vore børnebørns børnebørn ville modtage det. Stjerneskud, på den anden side, arbejder på en tidsskala på årtier og kunne realiseres på én generation. Så vi kunne have identificeret en langsigtet, opfølgningskoncept for Starshot, " siger Heller.

Selvom det nye scenarie er baseret på en matematisk undersøgelse og computersimuleringer, sejlets foreslåede hardware udvikles allerede i laboratorier i dag:"Sejlet kunne være lavet af grafen, en ekstremt tynd og let, men mega-hård carbonfilm, " siger René Heller. Filmen skulle dækkes af et stærkt reflekterende cover for at kunne tåle de barske forhold i det dybe rum og varmen nær destinationsstjernen.

De optiske og elektroniske systemer skal være små. Men hvis du skulle fjerne alle de unødvendige komponenter fra en moderne smartphone, "kun et par gram funktionel teknologi ville være tilbage." I øvrigt, det lette rumfartøj skulle navigere uafhængigt og transmittere sine data til Jorden med laser. For at gøre det, det ville have brug for energi, som den kunne udnytte fra stjernestrålingen.

Gennembrud Starshot giver derfor skræmmende udfordringer, som hidtil kun er løst teoretisk. Alligevel, "mange store visioner i menneskehedens historie måtte kæmpe med tilsyneladende uoverstigelige forhindringer, " siger Heller. "Vi kan snart gå ind i en æra, hvor mennesker kan forlade deres eget stjernesystem for at udforske exoplaneter ved hjælp af fly-by-missioner."