Præcis hvordan vi ville sende vores første laserdrevne sonde til Alpha Centauri

Drømmen om at rejse til et andet stjernesystem, og måske endda finde befolkede verdener der, er en, der har optaget menneskeheden i mange generationer. Men det var ikke før rumforskningens æra, at forskere har været i stand til at undersøge forskellige metoder til at foretage en interstellar rejse. Mens mange teoretiske designs er blevet foreslået gennem årene, meget opmærksomhed på det seneste har været fokuseret på laserdrevne interstellare sonder.

Det første konceptuelle designstudie, kendt som Project Dragonfly var vært for Initiative for Interstellar Studies (i4iiS) i 2013. Konceptet opfordrede til brug af lasere til at accelerere et let sejl og et rumfartøj til 5 procent af lysets hastighed, og nåede således Alpha Centauri på omkring et århundrede. I en nylig avis, et af de hold, der deltog i designkonkurrencen, vurderede gennemførligheden af ​​deres forslag til et let- og magnetsejl.

Papiret, med titlen "Project Dragonfly:Sejl til stjernerne, " blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Astra Astronautica . Undersøgelsen blev ledet af Tobias Häfner, en kandidat fra Université Paul Sabatier (UPS) Toulouse og en nuværende systemingeniør hos Open Cosmos Ltd. Han fik selskab af medlemmer af Oxford Space Systems, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), og AKKA Technologies.

Når det kommer til interstellare missionskoncepter, en af ​​de største anstødssten har altid været den involverede rejsetid. Som vi viste i en tidligere artikel, det ville tage alt fra 1, 000 til 81, 000 år ved at bruge den nuværende teknologi for at komme til Alpha Centauri. Mens der findes flere teoretiske metoder, der kunne tilbyde kortere rejsetider, de involverer enten fysik, der endnu ikke er blevet bevist, eller ville være uoverkommeligt dyre.

Derfor tiltrækningen af ​​et lyssejl, som udnytter den seneste udvikling inden for miniaturisering til at skabe et mindre og billigere rumfartøj. En anden fordel, i det mindste teoretisk, er, at et sådant rumfartøj kunne accelereres til en brøkdel af lysets hastighed, og ville derfor være i stand til at dække den enorme afstand mellem vores solsystem og den nærmeste stjerne i løbet af få årtier eller et enkelt århundrede.

Som nævnt, i4iS – en frivillig organisation, der er dedikeret til at gøre interstellar rumrejse til en realitet i den nærmeste fremtid – lancerede den første konceptuelle designundersøgelse for lyssejl tilbage i 2013. Dette blev fulgt i 2014 med en konkurrence om at designe et rumfartøj, der ville være i stand til at nå Alpha Centauri inden for 100 år ved hjælp af eksisterende eller nærliggende teknologier.

De fire finalister præsenterede deres design på en workshop afholdt i British Interplanetary Society i juli 2015. Konceptet indsendt af Technical University of Munich team vandt, som derefter lancerede en Kickstarter-kampagne for at rejse penge til deres design. Designet indsendt af teamet fra University of California, San Diego, har efterfølgende udviklet sig til designet til Breakthrough Initiatives' Breakthrough Starshot.

Hovedforfatter Hafner og hans kolleger var en del af teamet CranSEDS, som bestod af ingeniører og videnskabsmænd fra Cranfield University i Storbritannien, Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Rusland, og UPS i Frankrig. I denne seneste undersøgelse, han og nogle af hans tidligere teammedlemmer præsenterede deres missionskoncept som en del af en forundersøgelse.

Af hensyn til denne undersøgelse, de overvejede alle aspekter af et lyssejls missionsarkitektur. Dette varierede fra sejlets størrelse, materialerne brugt til at bygge det, størrelsen af ​​laserblænden, placeringen af ​​laseren, rumfartøjets vægt, og den metode, som rumfartøjet brugte til at bremse, når det nærmede sig sin destination.

Til sidst, missionsarkitekturen, de fandt på, krævede brugen af ​​100 GWs laserkraft til at accelerere et 2750 kg (~6000 lbs) rumfartøj til 5 procent af lysets hastighed – hvilket resulterede i en rejsetid på omkring et århundrede til Alpha Centauri. Sejlet ville være sammensat af et grafen monolag, der måler 29,4 km i diameter (18,26 mi), kræver således en laser med en åbning på 29,4 km (18,26 mi) i diameter.

Denne laser ville blive placeret i nærheden af ​​solen (enten ved Jord-solens L1 Lagrange Point eller i Cislunar kredsløb) og ville blive drevet af massive solpaneler. For at bremse, rumfartøjet ville kaste det lette sejl og udsætte et magnetisk sejl bestående af metaltråde. Dette sejl ville danne en løkkestruktur på cirka 35 km (22 mi) i diameter og veje 1000 kg (2200 lbs).

Når først de er indsat, det magnetiske sejl ville opsnappe plasma fra det interstellare medium og solvind fra Alpha Centauri for at bremse og komme ind i systemet. Denne arkitektur, de konkluderer, ville opnå en balance mellem masse og hastighed, tillade missionen at nå Alpha Centauri om lidt over 100 år, og tillade det at udføre videnskabelige operationer ved ankomsten.

Som de angiver i deres undersøgelse, denne type missionsarkitektur giver mange fordele, ikke mindst det faktum, at et større rumfartøj ville være i stand til at bære mere i vejen for instrumenter og samle flere videnskabelige data end et rumfartøj i gramskala (som med Breakthrough Starshots StarChip). Som de konkluderede:

"Både [laser- og magnetiske sejl] har den fordel, at der ikke skal transporteres drivmiddel i rumfartøjet... Missionen er baseret på teknologier, der i øjeblikket er tilgængelige eller under udvikling, men ville have brug for omfattende forbedringer for faktisk at bygge den nødvendige ruminfrastruktur... Med en baseline for missioner med flere rumfartøjer, lasersystemet bruges over et rimeligt tidsrum. Erfaringer og data indsamlet fra det første rumfartøj kunne bruges til at forbedre de følgende."

De anerkender også de udfordringer, som en sådan mission ville medføre, som omfatter behovet for kilometerstore strukturer i rummet. Sådanne strukturer skal bygges i kredsløb, hvilket ville kræve udvikling af orbitalfabrikationsfaciliteter først. Og selvfølgelig, laseren og andre afgørende systemer vil have brug for yderligere forfining og udvikling. Alligevel, konceptet, ifølge deres undersøgelse, er gennemførligt og teknisk forsvarligt.

Nogle, imidlertid, har deres tvivl. For eksempel, der er Dr. Claudius Gros, en teoretisk fysiker fra Institut for Teoretisk Fysik ved Goethe Universitet Frankfurt. Gros er en langvarig fortaler for at bruge lasersejlteknologi for at bygge et interstellart rumfartøj, og har udført teoretisk arbejde om brugen af ​​magnetiske sejl til at bremse et sådant rumfartøj.

Han er også grundlæggeren af ​​Project Genesis, et forslag om at sende lasersejldrevne rumfartøjer udstyret med genfabrikker eller kryogene bælg til andre stjernesystemer, hvor de ville distribuere mikrobielt liv til "forbigående beboelige exoplaneter - dvs. planeter, der er i stand til at understøtte liv, men vil sandsynligvis ikke give anledning til det af sig selv. Som han udtrykte til Universe Today via e-mail:

"Med hensyn til decelerationen med et magnetfelt, det er faktisk ikke muligt inden for de forudsatte parametre. Det ville kræve et magnetisk sejl, der vejer flere hundrede tons, for at gøre arbejdet, når fartøjet sejler med 5 procent af lysets hastighed, og når det skal stoppe inden for 20 år, som antaget i nærværende papir. At accelerere et så tungt fartøj, meget stærkere affyringssystemer ville være påkrævet."

Konceptet med at bruge lasere eller solsejl til at udføre interstellare missioner har dybe rødder. Imidlertid, det har først været inden for de seneste år, at bestræbelserne på at skabe sådanne rumfartøjer virkelig er gået sammen. På nuværende tidspunkt, der er mange koncepter, der tilbyder forskellige missionsarkitekturer, som alle har deres del af udfordringer og fordele.

Med flere forslag nu under udvikling – som inkluderer forslaget fra Haefner og hans kollegas, ii4S's Dragonfly-koncept og Breakthrough Starshot – det bliver meget interessant at se, hvilke (hvis nogen) af de nuværende lyssejlskoncepter, der vil forsøge at tage turen til Alpha Centauri i de kommende årtier.

Vil det være en, der kommer derhen i vores liv, eller en, der er i stand til at sende mere tilbage i form af videnskabelige data? Eller kan det være en kombination af de to, en slags kortsigtet/langsigtet slags aftale? Svært at sige. Pointen er, drømmen om at besætte en interstellar mission forbliver måske ikke en drøm ret meget længere.