Eksperimentel kosmologgruppe lancerer sine første iterationer af rumrejsende waferfartøjer

Dette er eventyrene fra "StarChip Wafersize".

UC Santa Barbara studerende sendt op, via ballon, en prototype af miniature-rumfartøjer, der i sidste ende kan blive det "waferfartøj", som forskerne mener, kunne drives frem af lasere for at opnå rumrejser med relativistiske hastigheder for at nå nærliggende stjernesystemer og exoplaneter.

Så begynder en rejse, finansieret af NASA og flere private fonde, som en dag kan føre til interstellar rejser.

"Det er en del af en proces med at bygge til fremtiden, og undervejs tester du hver del af systemet for at forfine det, " sagde UC Santa Barbara fysikprofessor og eksperimentel kosmolog Philip Lubin. "Det er en del af et langsigtet program til at udvikle miniaturerumfartøjer til interplanetarisk og i sidste ende til interstellar flyvning."

Prototypen wafer scale spacecraft (WSS) er lille nok til at passe i håndfladen. Det blev sendt ind i stratosfæren over Pennsylvania, til en højde af 105, 000 fod (32 km) - tre gange så meget som kommercielle fly - for at måle dets funktionalitet og ydeevne.

Opsendelsen blev gennemført i samarbejde med United States Naval Academy i Annapolis den 12. april, 2019—58 år til den dag, hvor den russiske kosmonaut og pilot Yuri Gagarin blev det første menneske til at fuldføre orbital rumflyvning.

"Det blev designet til at have mange af funktionerne i meget større rumfartøjer, såsom billeddannelse, datatransmission, herunder laserkommunikation, holdningsbestemmelse og magnetfeltføling, " sagde Nic Rupert, en udviklingsingeniør i Lubins laboratorium. "På grund af de hurtige fremskridt inden for mikroelektronik kan vi krympe et rumfartøj til et meget mindre format, end det er blevet gjort før til specialiserede applikationer som vores."

Rumfartøjets prototype fungerede fejlfrit og samlede mere end 4000 billeder af Jorden i, hvad Rupert sagde var "en fremragende første flyvning, og den vil udvikle sig dramatisk herfra."

Projektets mål, som enhedens navn antyder, er at bygge en ultralet (gramskala) siliciumwafer med indlejret elektronik, i stand til at blive skudt ud i rummet, mens data videresendes tilbage til Jorden. For den distance, forskerne ønsker at opnå - omkring 25 billioner miles, eller 40 billioner kilometer, sejler med en betydelig brøkdel af lysets hastighed – den nødvendige teknologi er skræmmende.

"Almindelig kemisk fremdrift, som det, der førte os til månen for næsten 50 år siden i dag, ville tage næsten hundrede tusinde år at komme til det nærmeste stjernesystem, Alpha Centauri, " sagde Lubin. "Og selv avanceret fremdrift, såsom ionmotorer, ville tage mange tusinde år. Der er kun én kendt teknologi, der er i stand til at nå de nærliggende stjerner inden for et menneskeligt liv, og det er at bruge selve lyset som fremdriftssystem."

Kendt som rettet energifremdrift, teknologien kræver opbygning af et ekstremt stort udvalg af lasere for at fungere som fremdrift. Dette system rejser ikke med rumfartøjet; den forbliver på Jorden.

"Hvis du har et stort nok lasersystem, du kan faktisk skubbe waflerne med et lasersejl for at nå vores mål på 20 procent af lysets hastighed, " sagde Rupert. "Så ville du være på Alpha Centauri om noget i retning af 20 år."

En del af en NASA-finansieret bestræbelse kaldet Starlight, indsatsen er også støttet af Breakthrough Foundation, hvor det er kendt som Starshot. UC Santa Barbara indledte projektet i 2009 med beskeden finansiering fra NASAs Spacegrant-program, modtage yderligere midler i 2015 via NASA Advanced Concepts.

UC Santa Barbara-teamet henvendte sig derefter til milliardæren teknologiinvestor Yuri Milners Breakthrough Foundation i 2016 for at dele implikationerne af teknologien. I april samme år, fonden meddelte, at den ville påtage sig en indsats på $100 millioner for at støtte dette program.

Formålet er at besvare et af menneskehedens største eksistentielle spørgsmål:Er vi alene i universet? Og en måde at finde ud af, ifølge forskerne, er at besøge nærliggende exoplaneter ved at sende et væld af disse små rumfartøjer til nærliggende stjernesystemer. Disse chips ville indeholde kameraer i nanoskala, navigationsudstyr, kommunikationsteknologi og andre systemer til at søge nærliggende exoplaneter langt ud over vores solsystem efter bevis på liv.

Endnu en facet af UC Santa Barbara-projektet involverer at sende liv fra Jorden ud i rummet. Forskerne ønsker at teste ideen om at transportere liv over store afstande ved hjælp af strålingshærdede, kan kryo søvn, pladshårdføre små dyr – specifikt, tardigrader og nematoden c. elegans.

Men først, teknologien skal eksistere. Takket være fremskridt inden for fotonik og siliciumelektronik, frø af de endelige produkter er blevet plantet, siger forskerne. Gentagne forsøg på at sende den udviklende hardware ud i stadigt længere rækker af vores atmosfære, og gradvist ud i det ydre rum og videre, er, hvad de håber vil forsegle aftalen.

"Pointen med at bygge disse ting er at vide, hvad vi vil inkludere i den næste version, i den næste chip, " sagde David Mc Carthy, en kandidatstuderende på Institut for Elektro- og Computerteknik. "Du starter med hyldekomponenter, fordi du kan gentage hurtigt og billigt." På dette tidspunkt, han sagde, ideen er at se, hvor godt hardwaren fungerer under stadig mere barske forhold, inklusive frostgrader, forlænget eksponering for stråling såsom kosmiske stråler og kollisioner med partikler mellem Jorden og stjernerne (det interstellare medium), og rummets hårde vakuum.

Fremdriften er ved at opbygge. En tværfaglig bachelorgruppe, bestående af studerende fra fysik, ingeniørarbejde, kemi og biologi, udfører ballonflyvninger for at indsamle data, der i sidste ende kan informere udviklingen af ​​fremtidige versioner af waferfartøjet. Efterhånden som teknologien bliver mere og mere sofistikeret, sagde forskerne, de kan engagere halvlederindustrien til at levere disse små rumchips i bulk til lave omkostninger.

I mellemtiden innovationer inden for siliciumoptik og integreret wafer-skala fotonik gør det muligt at reducere omkostningerne ved laserarrayet, der bruges til at opsende disse rumfartøjer. Fakultet og forskere i UC Santa Barbaras elektro- og computeringeniørafdeling spiller en afgørende rolle.

"Det er ikke så urealistisk at tro, at vi kan lave et gram stykker silicium, der har alt, hvad vi vil have på dem, " sagde Mc Carthy.

I sidste ende skyder du efter det interstellare rum, hvilket stadig er et stykke væk, gruppen sigter mod en suborbital første flyvning næste år. Udviklingen af ​​sådan teknologi baner vejen mod en række rummissioner, der ville have været anset for at være for dyre eller umulige med konventionel kemisk raketdrevet teknologi.

Potentielle fordele ved kerneteknologien? Meget kortere rejsetider til Mars, end det er muligt i øjeblikket; planetarisk forsvar mod asteroider og kometer; afbødende rumaffald, boosting af satellitter, der kredser om jorden, eller fjernforsyne fjerne solsystemers forposter, blandt mange andre, bemærkede Lubin.

"Det muliggør en hel klasse af teknologiske evner, " han sagde, af rettet energifremdrift. "Nogle af de mere interessante, kortsigtede vil involvere interplanetariske missioner."

UCSB-gruppen har udgivet over 50 tekniske artikler om den transformationsteknologi, de udvikler, og de radikale implikationer, det har for menneskelig udforskning.