5 grote vragen over de Starshot Nanocraft-technologie

Op dinsdag kondigde de Russische miljardair Yuri Milner en de beroemde astrofysica Stephen Hawking hun plan van $ 100 miljoen aan om Alpha Centauri te bestuderen, het dichtstbijzijnde sterrensysteem voor de aarde (slechts 4.37 lichtjaren verwijderd). Het doel, tussen verschillende wetenschappelijke onderzoeken, is om in principe te achterhalen of er aliens zijn in die nek van het bos, of op zijn minst als er planeten of manen in het systeem zijn die het leven kunnen ondersteunen.

Het project, dat de doorbraak Starshot wordt genoemd, bestaat uit het verzenden van ultra-lichtgewicht ruimtevaartuigen ("StarChips" genaamd) op weg naar Alpha Centauri, gedragen door een lichtstraal aangedreven door een lichtbundel van 100 gigawatt.

Dit is slechts het topje van de ijsberg. Het hele plan komt uit als ofwel een gek genie, of gewoon gek. Hoe meer je graaft, hoe meer het lijkt alsof het plan van Milner en zijn bemanning mogelijk haalbaar is.

Dit komt omdat de technologie die ze voorstellen niet echt ver van het rijk van de mogelijkheden ligt. Het spreekt beslist de verbeelding aan, maar het breekt het niet. De lightsail-technologie wordt al getest door een flink aantal onderzoeksgroepen, waaronder een georganiseerd door Bill Nye. De opkomst van CubeSats als een efficiënte, goedkope manier om ruimteonderzoek uit te voeren heeft echt laten zien hoeveel kan worden bereikt door kleinere, lichtere ruimtetuigen te maken. Nanocrafts zoals pitched door Starshot is slechts een logische stap in die richting.

Toch zijn er overvloed van vragen die blijven over hoe de hel Milner, Hawking, en zelfs Facebook-oprichter Mark Zuckerberg (een investeerder) dit gaan doen. Dit zijn de vijf grootste vragen over de nanocraft-technologie en het lanceringssysteem voor de lichtstraal - en enkele antwoorden die enig inzicht kunnen verschaffen.

Lichtstralen als voortstuwingstechnologie - graag uitleggen!

Het Starshot-plan om deze nanocraft-baby's te lanceren, gebruikt geen brandstof en vuur - het gebruikt licht en lasers. Krachtige, gerichte lasers vormen al decennia lang een bron van intriges voor voortstuwingsingenieurs, maar het is pas onlangs dat we eindelijk kunnen bedenken dat we dergelijke technologie in verschillende toepassingen kunnen gebruiken - inclusief het verplaatsen van baanresten buiten het pad van kritieke satellieten. Licht is immers een energie die in staat is om kracht op een systeem uit te oefenen.

Dat is echter het sleutelwoord: zwanger worden. We moeten nog een laserstraal bouwen die een ander object kan afschieten in ruimte door enorme kracht van fotonen. Wetenschappers werken aan hybride voortstuwingstechnologieën die lasers zouden gebruiken in combinatie met meer conventionele methoden, maar niet als het enige drijfgas.

Je zou kunnen zeggen, "maar hoe zou een zonnevracht dan moeten werken in de ruimte?" Welnu, de zonnevaarttechnologie vraagt ​​om het gebruik van de fotonen geproduceerd door de zonnestralen om het zeil (en zijn ruimteschip) voort te stuwen. Het zeil krijgt echter ruimte op de ouderwetse manier: raketten.

Starshot beweert dat een lichtbeamer - een reeks van lasers die op kilometer-brede schaal zijn opgesteld - mogelijk tot 100 gigawatt aan gestraalde energie kan leveren. We zouden geen ultra-grote laser gebruiken, maar in plaats daarvan vele kleinere. Misschien miljoenen of honderden miljoenen.

Zou dat genoeg kracht kunnen zijn om de nanocrafts uit de atmosfeer van de aarde en zwaartekracht te halen? Kan zijn. Milner denkt dat Starshot een grotere kans maakt door het lanceerplatform te installeren op een grote hoogte, zoals de Atacama-woestijn. (Hier zijn vier suggesties die we vandaag hebben gedaan.) Het is ook relatief droog genoeg om de kans te verminderen dat waterdamp zich kan opbouwen en extra gewicht op het ruimtevaartuig kan creëren of de kracht van de laser kan hinderen wanneer het het ruimtevaartuig omhoog duwt.

Als alles goed gaat, zijn de sondes op weg naar Alpha Centauri op 100 miljoen mijl per uur en bereiken het systeem binnen 20 jaar.

Lightsails zijn super dun en super delicaat. Hoe moet dit ding de lancering overleven? Hoe moet het de rotsen en het stof overleven dat twintig jaar in de ruimte ronddraait?

Een lichtzeil is gemaakt van een ultradun "metamateriaal (een verzamelnaam die verwijst naar experimentele materialen), ontworpen om aanstormende fotonen van een lichtbron op te nemen en ze te gebruiken als een drukkracht die op het zeil zelf wordt uitgeoefend. Als gevolg hiervan kan het zeil vooruit bewegen en zelfs versnellen tot veel hogere snelheden.

Zoals ik al zei, zijn lichtzeil niet nieuw. Bill Nye en de Planetary Society werken aan een lichtproject dat de levensvatbaarheid van een dergelijke technologie als een rendabel voortstuwingsontwerp van ruimtevaartuigen probeert te bewijzen. NASA lanceert de Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) in 2018 aan boord Orion voor de inaugurele missie van het Space Launch System, dat via een uitbreidbaar zonneveer zijn weg vindt naar een nabijgelegen asteroïde.

Beide lightails lopen hetzelfde probleem tegen het botsen met interstellair stof en puin dat gaten in het zeil kan veroorzaken en het hele ding ontspoort. Dat is een vrij duidelijke mogelijkheid, maar het wordt beperkt door een paar overwegingen.

Ten eerste: ruimte is groot. Er zweven veel deeltjes materie rond, maar het is niet zoals hier op aarde waar overal deeltjes in de lucht zijn. Objecten in de ruimte zijn mijlenver uit elkaar - zo weinig als 10 tot zo veel als miljoenen, maar kilometers toch. De mogelijkheid om iets te raken - terwijl het echt is - is nog steeds relatief ver weg.

Ten tweede waren deze zeilen specifiek ontworpen om relatief stevig te blijven bij te weinig schade. Neem de NEA Scout, bijvoorbeeld. NASA heeft getest hoe goed haar lichtzeil structurele integriteit kan behouden, zelfs als het hier en daar wordt geraakt door een paar stukjes ruimteafval. Zolang er geen catastrofale verwonding is (zoals bijvoorbeeld een asteroïde ter grootte van Texas die in het ruimtevaartuig botst), kan de NEA Scout nog steeds vooruit bewegen en manoeuvreren op commando's van NASA.

De Starshot nanocrafts hebben ook met deze problemen te maken. Van hun lichtsails wordt voorspeld dat ze zich uitstrekken tot iets op de schaal van een paar meter, dus ze zullen vrij klein zijn. Maar ze zijn maar een paar honderd atomen dik en hebben een massa van ongeveer één gram. Ze zijn klein genoeg om te voorkomen dat bijna elk soort tegemoetkomend aantal objecten door de ruimte zweeft - maar in de ongelukkige kansen die ze raken, zal het hele ruimtevaartuig waarschijnlijk worden vernietigd. En we weten bijna niets over het stofgehalte in Alpha Centauri.

Maar er is een groot probleem waar de nanocraft alleen mee te maken heeft - niet uit elkaar vallen tijdens de lancering van de lichtbundel. Het zeil zal naar verwachting worden geraakt door een straal die ongeveer 60 keer zo groot zal zijn als het zonlicht dat de aarde op een bepaald moment raakt. Het zeil moet niet alleen voorkomen dat het smelt, maar ook erin komen om de ruimte in te gaan zonder door de atmosferische krachten te worden verscheurd. Een geschatte hoeveelheid van 100.000 van de laser zou meer dan voldoende zijn om het zeil te verdampen. Dit is nog nooit eerder gedaan. Het is niet te voorspellen hoeveel tests het Starshot-project moet uitvoeren alvorens dit deel goed te krijgen.

Hoe werkt de StarChip? Welke soorten gegevens moet het verzamelen?

De StarChips - gebouwd op de schaal van één gram en in de palm van je hand passen - is niet het ultramoderne systeem dat zoiets als de Curiosity Rover of de Kepler Space Telescope heeft geholpen om verschillende werelden in de ruimte te bestuderen. Ze zullen heel basic zijn. Het doel is om vier camera's (elk twee megapixels) op de chip te plakken die een zeer elementaire weergave van Alpha Centauri en de verschillende planeten en manen van het systeem mogelijk maken.

Die gegevens zouden terug naar de aarde worden verzonden met behulp van een intrekbare meter-lange antenne, of misschien zelfs met behulp van de lichtzeil om op laser gebaseerde communicatie mogelijk te maken die een signaal terug naar de aarde kon richten.

Dat lijkt standaard genoeg. Wat moeten die beelden precies laten zien?

Daarin ligt nog een onbekend. Wanneer astronomen het potentieel van andere werelden om bewoonbaar te zijn beoordelen, kijken ze naar een hoop verschillende gegevens, variërend van planeettemperaturen, samenstelling, afstand tot hun gastheerster, tekenen van een huidige atmosfeer - en nog veel meer. Veel van dit materiaal is alleen meetbaar via verschillende soorten camera's die door het elektromagnetische spectrum kunnen kijken. De nanocrafts zouden op dit moment op camera's draaien die niet veel verschillen van wat we op onze smartphones gebruiken. Dat is nauwelijks nuttig om echt te begrijpen of een planeet of maan elk soort leven kan ondersteunen of al tekenen van leven vertoont.

Toch, als je bedenkt dat het doel is om meerdere kleine ruimtevaartuigen naar een ver systeem te sturen dat dat wel is meerdere lichtjaren weg in minder dan twee decennia, je moet ergens kosten besparen.

Zelfs als dit ding de reis naar Alpha Centauri overleeft, hoe zou het dan lang genoeg moeten leven om genoeg nuttige gegevens te verzamelen?

Een lang leven is cruciaal voor het Starshot-project. De nanocraft moet nog tientallen jaren van stroom worden voorzien om hun volledige onderzoekspotentieel echt te benutten. Met dit doel stelt het doorbraakinitiatief een ingebouwde energiebron voor op basis van plutonium-238 of Americium-241, met een gewicht van niet meer dan 150 milligram.

Kortom, als de plutonium of americium isotoop vervalt, laadt het een ultra-condensator op die de StarChip-componenten inschakelt die nodig zijn om foto's te maken en ze terug naar de aarde te verzenden. Een thermo-elektrische energiebron zou ook kunnen worden geïmplementeerd om voordeel te halen uit de temperatuur van het frontale oppervlak van nanocrafts die stijgt naarmate deze de atmosferen van andere werelden nadert.

Fotovoltaïsche energie - zonlicht omzetten in energie - wordt ook overwogen. Eén zonneveer prototype dat zes jaar geleden door Japan werd getest, IKAROS, schilderde het oppervlak van zijn zonnevracht met een fotovoltaïek. Dit is onpraktisch wanneer nanocraft uiteindelijk uit de grenzen van het zonnestelsel komt, maar het zou voor die duur nuttig kunnen zijn om nog meer batterijvermogen te besparen.

De grote vraag is of u dergelijke goedkope materialen over een periode van 20 tot 50 jaar levensvatbaar kunt houden. In een ideaal scenario zal waarschijnlijk eerder voorkomen dat van elk nanocraft wordt verwacht dat het gegevens verzamelt voor een relatief korte tijdspanne - ongeveer een paar maanden. Als Milner en zijn bedrijf echt bezig zijn met het produceren van deze dingen, dan zouden ze er geen probleem mee moeten hebben om een ​​groepje in alle mogelijke richtingen te sturen om zo veel mogelijk te ontdekken over Alpha Centauri. De verwachting is dat een ieder jarenlang zal blijven werken, is vrij onpraktisch als we niet direct kunnen ingrijpen en hun bewegingen in nieuwe richtingen kunnen verplaatsen.

Kosten

Milner's uitdrukkelijke doel is om elke nanocraft te maken voor de kosten die het kost om een ​​iPhone te bouwen. Elke SmartChip- en lichtpakketcombinatie mag niet meer dan een paar honderd dollar bedragen - en het doel is om betere technologieën toe te voegen naarmate ze door de jaren heen steeds goedkoper worden.

In werkelijkheid is het meest dure (en aantoonbaar het minst haalbare) deel van dit project de lichtbundel. We hebben het over ongeveer 100 gigawatt stroom gedurende twee minuten om het verdomde ding af te vuren. Een enkele gigawatt kan 700.000 huizen van energie voorzien. Dus dat is genoeg voor 70.000.000 huizen.

Dat is genoeg om de macht te krijgen om meerdere kleine landen draaiende te houden. Dat is 100 keer de hoeveelheid geproduceerd door een typische kerncentrale. Het is verbijsterend om te doorgronden hoe ze deze energie op één plek gaan verzamelen om een ​​aantal nanocrafts de ruimte in te lanceren.

De totale kosten van een lichtstraal die wordt afgevuurd, zijn volgens een commentator op de website van Breakthrough $ 70.000.

Ja, dat zullen we zien …