Nye fotoniske enheder siges at være klar til at muliggøre det næste spring i udforskning af dybe rum

Nye styrede energifremdrivningssystemer muliggør muligvis de første interstellare missioner, med små, robot rumfartøj, der udforsker nærliggende solsystemer, ifølge eksperimentel kosmolog Philip Lubin. Han vil præsentere disse og andre fremskridt på The Optical Society's (OSA) Laserkongres, Tænd Future Speaker Series, 4-8 november i Boston.

Forestil dig et skive-tyndt rumfartøj drevet af laserlys, der er i stand til at overstige en fjerdedel af lysets hastighed-hurtigt nok til at nå den nærmeste nabostjerne til vores solsystem inden for 20 år, eller noget tættere på hjemmet, som at få folk til Mars om en måned. Ved at trykke på fotonisk drevet fremdrift, forskere er godt i gang med at gøre denne tilsyneladende umulige science-fiction-præstation til virkelighed, sagde Lubin, der er professor i fysik ved University of California, Santa Barbara.

Forskningsresultaterne, Lubin vil beskrive, stammer fra NASAs Starlight- og Breakthrough Starshot -programmer, som begge understøtter avanceret forskning inden for fotonik. Lubin er direktør for Starlight -programmet.

"Fotonik, produktion og manipulation af lys, er allerede en del af vores daglige liv-fra mobiltelefoner til computere til lysemitterende (LED) pærer til fiberoptik, der bærer dine data overalt-selvom du muligvis ikke kan se det, "sagde Lubin." Du kan pege på praktiske eksempler på fotonik i hverdagen, og det ser ikke ud til at have noget at gøre med interstellar flyvning, men det gør det faktisk, fordi det er synergistisk med den teknologi, du har brug for for at opnå interstellar flyvning. "

En af de største udfordringer ved validering af dette fotoniske koncept, når det drejer sig om fremdrift, er demonstrationen af ​​den lasereffekt, der kræves for at accelerere det foreslåede/hypotetiske rumfartøj, ifølge Lubin.

Syntetiseret optik til styrede energifremdrivningssystemer

Store styrede energisystemer er ikke bygget ved hjælp af en enkelt gigantisk laser, men i stedet stole på strålekombination, hvilket indebærer brug af mange meget beskedne laserforstærkere.

"Vores system udnytter en etableret typologi kaldet 'Master Oscillator Power Amplifier' design, "sagde Lubin." Det er et distribueret system, så hver laserforstærker "byggesten" er mellem 10 og 1000 watt. Du kan holde den i hånden. I stedet for at bygge en gigantisk laser, du kombinerer en masse små laserforstærkere, der, når det kombineres, danne et ekstremt kraftfuldt og revolutionerende system. "

Lubin foreslår en analogi med supercomputere, som er bygget ved hjælp af et stort antal centrale processorenheder (CPU'er). "Ved sammenhængende at kombinere milliarder af lavponerede lasereffektforstærkere - svarende til den samme effekt som en typisk moderne husholdnings -LED - har du pludselig dette utroligt dygtige styrede energisystem, " han sagde.

Interstellare prober drevet via laserlys

Dirigerede energisystemer kan muliggøre interstellare sonder som en del af menneskelig udforskning i en ikke alt for fjern fremtid, og de er kernen i NASA Starlight -programmet og Breakthrough Starshot Initiative for at muliggøre menneskehedens første interstellare missioner. Den samme kerneteknologi har mange andre applikationer, såsom hurtig interplanetarisk rejse til missioner med høj masse, herunder dem, der bærer mennesker; planetarisk forsvar; og søgningen efter udenjordisk intelligens (SETI).

"Vores primære fokus er i øjeblikket på meget små robotfartøjer. De vil ikke bære mennesker ombord - det er ikke målet for den interstellare del af vores program, "sagde Lubin." Hvis menneskeheden ønsker at udforske andre verdener uden for vores solsystem, der er ingen andre fysisk tilgængelige fremdriftsmuligheder til at gøre dette - med to undtagelser.

"En måde ville være, hvis vi kunne mestre en teknologisk fremgangsmåde kendt som antimateriale tilintetgørelsesmotorer, som er teoretiske fremdriftssystemer, der genererer fremdrift baseret på energi frigivet ved interaktioner på niveau med subatomære partikler. Men vi har i øjeblikket ikke en måde at gøre det på, "Sagde Lubin, "og det involverer en række kompleksiteter, vi ikke har en nuværende vej til at løse.

"Den anden mulighed er rettet energi eller fotonisk fremdrift, som er den, vi fokuserer på, fordi det ser ud til at være muligt, "Sagde Lubin. I en variant, styret energipropulsion ligner at bruge kraften fra vand fra en haveslange til at skubbe en kugle fremad. Miniscule interstellare rumfartøjer (typisk mindre end et kilo og nogle, der er rumfartøjer på en skive) kan fremdrives og styres via laserlys, han sagde.

"Miniaturiserende rumfartøjer er ikke påkrævet for alle de missionsscenarier, vi overvejer, men jo lavere rumfartøjets masse jo hurtigere kan du gå, "Lubin sagde." Dette system skalerer på andre måder end almindelig masseudkastning. "

Indtil nu, alle raketter, der er sprængt ud fra Jorden, er baseret på kemiske fremdriftssystemer, hvis grundlæggende design stammer fra anden verdenskrig. De er bare knap i stand til at komme ud af Jordens overflade og komme i kredsløb. At lave en større raket får det ikke til at gå hurtigere, det tillader bare raketten at bære mere masse. Fotonisk fremdrift fungerer anderledes, fordi jo mindre tæt nyttelasten er, jo hurtigere går du. Så du vil sænke massen for at gå hurtigere.

Som at køre i en regnvejr - i rummet

En væsentlig udfordring for relativistiske rumfartøjer er hærdning af stråling, fordi "når vi begynder at opnå hastigheder tæt på lysets hastighed, partiklerne i det interstellare rum, især protoner, som du pløjer i - ignorer støvkornene i øjeblikket - er den primære strålekilde, "sagde Lubin." Pladsen er ikke tom; den har omtrent en proton og en elektron pr. kubikcentimeter, samt en smule helium og andre atomer. "

At smadre ind i disse partikler kan være betydeligt ved høje hastigheder, for mens de muligvis kører langsomt inden for deres egen referenceramme, for et hurtigt bevægeligt rumfartøj, de laver til højhastigheds-påvirkninger.

"Når du rammer dem, er det som at køre i et regnvejr. Selvom regnen kommer ned lige fra himlen, bliver din forrude pudset, fordi du kører hurtigt - og det er en ganske alvorlig effekt for os, "Lubin sagde." Vi får enorme strålingsbelastninger på forkanten, da fronten bare bliver helt tilstoppet, hvorimod resten af ​​rumfartøjet, der ikke er den forreste kant og vender i forskellige retninger, slet ikke bliver ramt meget. Det er et interessant og unikt problem, og vi arbejder på, hvad der sker, når du pløjer igennem dem. "

Med hensyn til en tidsramme for at få styret energipropulsionsteknologi til at fungere, "Vi producerer laboratoriedemoer af hver del af systemet, "sagde Lubin." Fuld kapacitet er mere end 20 år væk, selvom demonstrationsmissioner er mulige inden for et årti. "

Kom hurtigt til Mars

Den samme centrale fotonik -teknologi i NASA Starlight -programmet giver også mulighed for ekstremt hurtige interplanetære missioner, herunder missioner til Mars, der kunne transportere mennesker på ture så korte som en måned. Dette ville reducere farerne for mennesker på den lange rejse til den røde planet dramatisk og undersøges i øjeblikket som en mulighed.

Trillion Planet Survey

Fotoniske fremskridt betyder også, at vi nu kan forlade et lys for udenjordisk intelligens i universet, hvis vi vil blive fundet - hvis der er et andet intelligent liv, der også vil vide svaret på spørgsmålet, "er vi alene"?

Lubins elever udforsker dette koncept i deres "Trillion Planet Survey" -eksperiment. Dette eksperiment søger nu aktivt i den nærliggende galakse Andromeda, som har omkring en billion planeter, og andre galakser samt vores for lyssignaler.

Ved at kombinere Lubins forskning med sine elevers eksperiment, der er muligheder for at signalere liv. Når teknologiske fremskridt tillader demonstration af lasere, der er stærke nok til at drive det lille rumfartøj, disse lasere kunne også bruges til at skinne et fyrtårn mod Andromeda -galaksen i håb om, at enhver livsform der kunne opdage og opdage lysets kilde på deres himmel.

Den omvendte sag er mere interessant. Måske eksisterer en anden civilisation med lignende kapacitet til det, vi nu udvikler inden for fotonik. De kan indse, som vi gør, at fotonik er et ekstremt effektivt middel til at blive opdaget over store afstande langt uden for vores galakse. Hvis der er en udenjordisk civilisation, der sender deres tilstedeværelse via optiske stråler, ligesom dem, der foreslås til fotonisk fremdrift, de er kandidater til at blive opdaget ved en storstilet optisk undersøgelse såsom Lubin -teamets Trillion Planet Survey.

"Hvis transmissionsbølgelængden for en udenjordisk stråle er påviselig, og har været længe nok, vi burde være i stand til at opdage signalet fra en kilde overalt i vores galakse eller fra nærliggende galakser med relativt små teleskoper på Jorden, selvom ingen af ​​parterne ved, at den anden eksisterer og ikke ved 'hvor de skal pege, "" Sagde Lubin. Dette "blind-blinde" scenario er nøglen til "Søg efter Directed Intelligence", som Lubin kalder denne strategi.

Planetært forsvar

Måske er en af ​​de mest spændende anvendelser til fotonik - tættere på hjemmet - at trykke på den for at hjælpe med at forsvare Jorden mod ydre trusler såsom slag fra asteroider og kometer.

Det samme system, som forskerne begynder at udvikle til fremdrift, kan bruges til planetarisk forsvar ved at fokusere strålen på asteroiden eller kometen. Dette forårsager skader på overfladen, og da dele af overfladen skubbes ud under reaktionen med laserlyset, momentum ville skubbe affaldet en vej og asteroiden eller kometen i den modsatte retning. Dermed, lidt efter lidt, det vil aflede truslen, Sagde Lubin.

"De langsigtede konsekvenser for menneskeheden er ret vigtige, "tilføjede han." Selvom de fleste asteroide trusler ikke er eksistentielle trusler, de kan være ret farlige, som vi så i Chelyabinsk, Rusland i 2013 og i Tunguska, Rusland i 1908. Desværre, dinosaurerne manglede fotonik for at forhindre deres død. Måske bliver vi klogere. "