stringtranslate.com

Прорывной Звездный Выстрел

24 августа 2016 года ESO провела пресс-конференцию, чтобы обсудить объявление об экзопланете Проксима b в своей штаб-квартире в Германии. На этой фотографии Пит Уорден выступает с речью.

Breakthrough Starshot — это научно-исследовательский и инженерный проект Breakthrough Initiatives по разработке экспериментального флота межзвездных зондов с легким парусом под названием Starchip [1] , который сможет совершить путешествие к звездной системе Альфа Центавра, находящейся на расстоянии 4,34 световых лет . Он был основан в 2016 году Юрием Мильнером , Стивеном Хокингом и Марком Цукербергом [2] [3 ]

Была предложена миссия по облету Проксимы Центавра b , экзопланеты размером с Землю в обитаемой зоне своей звезды-хозяина Проксимы Центавра в системе Альфа Центавра. [4] При скорости от 15% до 20% скорости света [ 5] [6] [7] [8] потребуется от 20 до 30 лет, чтобы завершить путешествие, и примерно 4 года для обратного сообщения со звездолета на Землю.

Концептуальные принципы, которые позволят осуществить этот проект межзвездных путешествий, были описаны в книге «Дорожная карта межзвездных полетов» Филиппа Любина из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре . [9] [10] Отправка легкого космического корабля включает в себя многокилометровую фазированную решетку управляемых лазеров с объединенной когерентной выходной мощностью до 100 ГВт . [11]

Общий

Проект был анонсирован 12 апреля 2016 года на мероприятии, проведенном в Нью-Йорке физиком и венчурным капиталистом Юрием Мильнером вместе с космологом Стивеном Хокингом , который был членом совета директоров инициатив. Другие члены совета директоров включают генерального директора Facebook, Inc. (теперь известного как Meta Platforms ) Марка Цукерберга . Первоначальное финансирование проекта составляет 100 миллионов долларов США. Мильнер оценивает окончательную стоимость миссии в 5–10 миллиардов долларов и предполагает, что первый корабль может быть запущен примерно к 2036 году. [6] Пит Уорден является исполнительным директором проекта, а профессор Гарварда Ави Леб возглавляет консультативный совет проекта. [12]

Цели

Программа Breakthrough Starshot направлена ​​на демонстрацию концепции сверхбыстрого нанокосмического корабля, работающего на свету, и закладку основ для первого запуска к Альфе Центавра в следующем поколении. [13] Космический корабль совершит пролет и, возможно, сфотографирует любые похожие на Землю миры, которые могут существовать в системе. Вторичные цели — исследование Солнечной системы и обнаружение астероидов, пересекающих орбиту Земли . [14]

Планета-цель

Европейская южная обсерватория (ESO) объявила об обнаружении планеты, вращающейся вокруг третьей звезды в системе Альфа Центавра, Проксима Центавра, в августе 2016 года. [15] [16] Планета, называемая Проксима Центавра b , вращается в пределах обитаемой зоны своей звезды. Она может стать целью одного из проектов Breakthrough Initiatives.

В январе 2017 года Breakthrough Initiatives и Европейская южная обсерватория начали сотрудничать в целях поиска пригодных для жизни планет в близлежащей звездной системе Альфа Центавра. [17] [18] Соглашение предусматривает, что Breakthrough Initiatives предоставит финансирование для модернизации инструмента VISIR (VLT Imager and Spectrometer for middle-Infrared) на Очень Большом Телескопе (VLT) ESO в Чили . Эта модернизация увеличит вероятность обнаружения планет в системе.

Концепция

Концепция солнечного паруса

Концепция Starshot предусматривает запуск « материнского корабля », несущего около тысячи крошечных космических аппаратов (в масштабе сантиметров) на высотную околоземную орбиту для развертывания. Затем фазированная решетка наземных лазеров сфокусирует световой луч на парусах этих космических аппаратов, чтобы разогнать их один за другим до целевой скорости в течение 10 минут со средним ускорением порядка 100 км/с2 ( 10 000  ɡ ) и энергией освещения порядка 1 ТДж , доставляемой на каждый парус. Предполагается, что предварительная модель паруса будет иметь площадь поверхности 4 м × 4 м. [19] [20] В презентации модели системы Starshot в октябре 2017 года [21] [22] были рассмотрены круговые паруса и обнаружено, что капитальные затраты на направляющую луча минимизируются при диаметре паруса 5 метров.

Планета размером с Землю Проксима Центавра b находится в обитаемой зоне системы Альфа Центавра . В идеале Breakthrough Starshot должен направить свой космический аппарат на расстояние в одну астрономическую единицу (150 миллионов километров или 93 миллиона миль) от этого мира. С этого расстояния камеры корабля могли бы сделать снимок с достаточно высоким разрешением, чтобы различить особенности поверхности. [23]

Флот будет иметь около 1000 космических аппаратов. Каждый из них, называемый StarChip, будет очень маленьким транспортным средством размером в сантиметр и весом в несколько граммов. [1] Они будут приводиться в движение массивом наземных лазеров мощностью 10 кВт площадью в квадратный километр с общей мощностью до 100 ГВт. [24] [25] Рой из примерно 1000 единиц компенсирует потери, вызванные столкновениями с межзвездной пылью на пути к цели. [24] [26] В подробном исследовании, проведенном в 2016 году, Тим Хоанг и соавторы [27] обнаружили, что смягчение столкновений с пылью , водородом и галактическими космическими лучами может быть не такой серьезной инженерной проблемой, как предполагалось на первый взгляд, хотя это, вероятно, ограничит качество датчиков на борту. [28]

Технические проблемы

Для движения светом требуется огромная мощность: лазер с гигаваттной мощностью (приблизительно выходная мощность большой ядерной электростанции) обеспечит всего несколько ньютонов тяги . [25] Космический корабль компенсирует низкую тягу, имея массу всего в несколько граммов. Камера, компьютер, коммуникационный лазер, ядерный источник энергии и солнечный парус должны быть миниатюризированы, чтобы соответствовать пределу массы. [25] [29] Все компоненты должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать экстремальное ускорение , холод, вакуум и протоны. [26] Космическому кораблю придется выдерживать столкновения с космической пылью ; Starshot ожидает, что каждый квадратный сантиметр лобового сечения столкнется на высокой скорости примерно с тысячей частиц размером не менее 0,1 мкм. [25] [30] Фокусировка набора лазеров общей мощностью сто гигаватт на солнечном парусе будет затруднена из-за атмосферной турбулентности , поэтому предлагается использовать космическую лазерную инфраструктуру. [31] Кроме того, из-за размера светового паруса и расстояния, на котором световой парус будет находиться от лазера в конце ускорения, для фокусировки лазера потребуется очень большая когерентная объединяющая оптика. [32] [33] Дифракционный предел используемого лазерного света устанавливает минимальный диаметр когерентно сфокусированного лазерного луча в источнике. Например, для ускорения ранее упомянутого 4-метрового паруса при 10 000 Гс до 0,2 с требуется объединяющая оптика диаметром примерно 3 километра для фокусировки лазерного света на парусе. Это можно реализовать с помощью системы фазированной решетки, которая исследуется в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. [34] [35] По данным The Economist , по крайней мере, дюжину готовых технологий необходимо будет улучшить на порядки . [25]

StarChip

StarChip — название, используемое Breakthrough Initiatives для очень маленького, размером с сантиметр и весом в грамм, межзвездного космического корабля, задуманного для программы Breakthrough Starshot, [1] [36] предлагаемой миссии по отправке флота из тысячи StarChips в путешествие к Альфе Центавра , ближайшей звездной системе , находящейся примерно в 4,37 световых годах от Земли . [37] [6] [38] [5] [39] [40] Путешествие может включать пролет Проксимы Центавра b , экзопланеты размером с Землю , которая находится в обитаемой зоне своей звезды. [4] Планируется, что сверхлегкий роботизированный нанокорабль StarChip , оснащенный световыми парусами , будет перемещаться со скоростью 20% [1] [6] [38] [5] и 15% [5] от скорости света , достигая звездной системы за 20–30 лет соответственно, и около 4 лет, чтобы уведомить Землю об успешном прибытии. [6] Концептуальные принципы, позволяющие осуществлять практические межзвездные путешествия, были описаны в «Дорожной карте к межзвездным полетам» Филиппа Любина из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре , [9] который является консультантом проекта Starshot.

В июле 2017 года ученые объявили, что предшественники StarChip , называемые Sprites, были успешно запущены и доставлены на ракете -носителе Polar Satellite Launch Vehicle ISRO из Космического центра имени Сатиша Дхавана . [41] 105 Sprites также были доставлены на МКС в ходе миссии KickSat -2, которая стартовала 17 ноября 2018 года, откуда они были развернуты 18 марта 2019 года. Они успешно передали данные, прежде чем снова войти в атмосферу и сгореть 21 марта. [42] [43] [44] [45]

Компоненты

Ожидается, что каждый нанокорабль StarChip будет нести миниатюрные камеры, навигационное оборудование, коммуникационное оборудование, фотонные двигатели и источник питания. Кроме того, каждый нанокорабль будет оснащен световым парусом метрового масштаба , изготовленным из легких материалов, с массой в граммовом масштабе. [1] [36] [37] [6] [39] [40] [46] [47]

Камеры

Предполагается создание пяти субграммовых цифровых камер , каждая с минимальным разрешением 2 мегапикселя . [1] [48]

Процессоры

Планируется четыре процессора субграммового масштаба . [39] [49]

Фотонные двигатели

Планируется построить четыре субграммовых фотонных двигателя, каждый из которых будет иметь минимальную мощность на уровне диодного лазера 1 Вт. [36] [50] [51]

Аккумулятор

Планируется создание атомной батареи весом 150 мг , работающей на плутонии-238 или америции-241 . [6] [40] [52]

Защитное покрытие

Планируется, что покрытие, возможно, изготовленное из бериллиевой меди , будет защищать наноаппарат от столкновений с пылью и эрозии атомных частиц . [40] [53]

Легкий парус

Предполагается, что световой парус будет размером не более 4 на 4 метра (13 на 13 футов), [1] [54] возможно, из композитного материала на основе графена . [1] [37] [6] [40] [47] [55] Материал должен быть очень тонким и иметь возможность отражать лазерный луч, поглощая лишь малую часть падающей энергии, иначе он испарит парус. [1] [6] [56] Световой парус может также использоваться в качестве источника энергии во время полета, поскольку столкновения с атомами межзвездной среды будут обеспечивать 60 Вт/м 2 мощности. [52]

Лазерный передатчик данных

Лазерный коммуникатор, использующий световой парус в качестве первичного отражателя, мог бы обеспечить скорость передачи данных 2,6–15 бод на ватт передаваемой мощности на расстоянии до Альфы Центавра, предполагая, что диаметр принимающего телескопа на Земле составляет 30 м. [57]

Орбитальная вставка

Проект Starshot предназначен для миссий пролета мимо цели на высокой скорости. Хеллер и др. [58] предположили, что фотогравитационная помощь может быть использована для замедления такого зонда и выхода на орбиту (используя давление фотонов в маневрах, похожих на аэроторможение ). Для этого требуется парус, который и намного легче, и намного больше, чем предлагаемый парус Starshot. В таблице ниже перечислены возможные целевые звезды для фотогравитационной помощи при сближении. [58] Время в пути — это расчетное время для оптимизированного космического корабля, чтобы добраться до звезды и затем выйти на орбиту вокруг звезды.

Другие приложения

Немецкий физик Клавдий Грос предположил, что технология инициативы Breakthrough Starshot может быть использована на втором этапе для создания биосферы одноклеточных микробов на экзопланетах , которые в противном случае были бы временно пригодны для жизни . [59] [60] Зонд Genesis будет двигаться на более низких скоростях, со скоростью 4,6% от скорости света, что займет не менее 90 лет, чтобы добраться до Альфа Центавра A. Парус может быть настроен таким образом, чтобы звездное давление от Альфа Центавра A тормозило и отклоняло зонд в сторону Альфа Центавра B, куда он прибудет через несколько дней. Затем парус будет снова замедлен до 0,4% от скорости света и катапультирован в сторону Проксимы Центавра. На этой скорости он прибудет туда еще через 46 лет — примерно через 140 лет после запуска. Следовательно, его можно будет замедлить с помощью магнитного паруса . [61]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghi Гилстер, Пол (12 апреля 2016 г.). «Прорыв Starshot: Миссия на Альфу Центавра». Центаврианские мечты . Проверено 14 апреля 2016 г.
  2. ^ Ф, Джессика (14 апреля 2016 г.). «Стивен Хокинг, Марк Цукерберг, Юрий Мильнер запускают космический проект стоимостью 100 млн долларов под названием Breakthrough Starshot». Nature World News .
  3. ↑ Ли, Сын (13 апреля 2016 г.). «Марк Цукерберг запускает инициативу стоимостью 100 миллионов долларов по отправке крошечных космических зондов к звездам». Newsweek . Получено 29 июля 2019 г. .
  4. ^ ab Chang, Kenneth (24 августа 2016 г.). «Одна звезда над нами, планета, которая может быть другой Землей». The New York Times . Получено 24 августа 2016 г.
  5. ^ abcd Staff (12 апреля 2016 г.). "Breakthrough Starshot". Breakthrough Initiatives . Получено 12 апреля 2016 г.
  6. ^ abcdefghi Overbye, Dennis (12 апреля 2016 г.). «Достижение звезд на расстоянии 4,24 световых лет; визионерский проект нацелен на Альфа Центавра, звезду на расстоянии 4,37 световых лет». The New York Times . Получено 12 апреля 2016 г.
  7. ↑ Стоун, Мэдди (12 апреля 2016 г.). «Стивен Хокинг и русский миллиардер хотят построить межзвездный звездолет». Gizmodo . Получено 12 апреля 2016 г.
  8. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Прорывные инициативы – Прорывной пуск». Прорывные инициативы . Получено 14 апреля 2016 г. .
  9. ^ ab Lubin, Philip (2016). "A Roadmap to Interstellar Flight". Журнал Британского межпланетного общества . 69 : 40. arXiv : 1604.01356 . Bibcode : 2016JBIS...69...40L. Архивировано из оригинала 15 мая 2021 г. Получено 17 сентября 2017 г.(файл доступен в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре здесь. Архивировано 17 апреля 2016 г. на Wayback Machine. Доступно 16 апреля 2016 г.)
  10. ↑ Холл, Лора (7 мая 2015 г.). «DEEP IN Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration». Новости НАСА . Получено 22 апреля 2016 г. НАСА с радостью сообщает, что профессор Любин получил внешнее финансирование для продолжения работы, начатой ​​в его исследовании NIAC.
  11. ^ "Breakthrough Initiatives". breakinginitiatives.org . Получено 25 декабря 2017 г. .
  12. ^ «Breakthrough Starshot: Управленческий и консультативный комитет».
  13. ^ "Breakthrough Initiatives". breakinginitiatives.org . Получено 10 января 2017 г. .
  14. ^ Шарф, Калеб А. (26 апреля 2016 г.). «Can Starshot Work?». Scientific American Blogs . Получено 25 августа 2016 г.
  15. ^ "Планета найдена в обитаемой зоне вокруг ближайшей звезды – кампания Pale Red Dot раскрывает мир массой Земли на орбите вокруг Проксимы Центавра". eso.org . Получено 10 января 2017 г.
  16. ^ Witze, Alexandra (25 августа 2016 г.). «Планета размером с Землю вокруг близлежащей звезды — мечта астрономии». Nature . 536 (7617): 381–382. Bibcode :2016Natur.536..381W. doi : 10.1038/nature.2016.20445 . PMID  27558041. S2CID  4405961.
  17. ^ "VLT для поиска планет в системе Альфа Центавра". Европейская космическая обсерватория (ESO) . 9 января 2017 г. Получено 10 января 2017 г.
  18. ^ "Breakthrough Initiatives". breakinginitiatives.org . Получено 10 января 2017 г. .
  19. ^ Lightsail, Целостность под тягой.
  20. ^ Световой парус | Устойчивость на траверзе.
  21. ^ 2. Breakthrough Starshot System Model, 20 октября 2017 г. , получено 29 октября 2017 г.
  22. ^ Паркин, Кевин. «Модель системы Starshot».
  23. ^ "Breakthrough Initiatives". breakinginitiatives.org . Получено 25 августа 2016 г. .
  24. ^ ab "Breakthrough Starshot: Concept". 12 апреля 2016 г. Получено 14 апреля 2016 г.
  25. ^ abcde «Новый план отправки космических аппаратов к звездам: замена ракет лазерами». The Economist . 12 апреля 2016 г. Получено 13 апреля 2016 г.
  26. ^ ab Emspak, Jesse (15 апреля 2016 г.). «Прорыва пока нет: межзвездный «Starshot» Стивена Хокинга сталкивается с трудностями». Космос . Получено 15 апреля 2016 г.
  27. ^ Хоанг; Лазариан, А.; Буркхарт, Блейксли; Лёб, Абрахам (2017). «Взаимодействие релятивистских космических аппаратов с межзвёздной средой». The Astrophysical Journal . 837 (1): 5. arXiv : 1608.05284 . Bibcode : 2017ApJ...837....5H. doi : 10.3847/1538-4357/aa5da6 . S2CID  55427720.
  28. ^ Тиммер, Джон (24 августа 2016 г.). «Насколько опасно путешествовать со скоростью 20% от скорости света?». Наука . Ars Technica . Получено 28 августа 2016 г.
  29. ^ "Потенциальные проблемы для Starshot". Breakthrough Initiatives . Получено 14 апреля 2016 г. .
  30. ^ "Interstellar Dust". Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  31. ^ Андреас М. Хайн; Кельвин Ф. Лонг; Дэн Фрис; Николаос Перакис; Анджело Дженовезе; Стефан Зейдлер; Мартин Лангер; Ричард Осборн; Роб Суинни; Джон Дэвис; Билл Кресс; Марк Кассон; Адриан Манн; Рэйчел Армстронг (2017). «Исследование Андромеды: миссия фемто-космического аппарата к Альфа Центавра». Инициатива по межзвездным исследованиям . arXiv : 1708.03556 .
  32. ^ Пашотта, доктор Рюдигер. «Когерентное объединение лучей». rp-photonics.com . Проверено 5 января 2024 г.
  33. ^ "Разрешающая способность". labman.phys.utk.edu . Получено 5 января 2024 г. .
  34. ^ "Starlight" . Получено 6 января 2024 г. .
  35. ^ Крупномасштабная направленная энергия для релятивистского полета, 25 августа 2023 г. , получено 6 января 2024 г.
  36. ^ abc Грин, Кейт (13 апреля 2016 г.). «Что сделает межзвездные путешествия реальностью?». Slate . Получено 16 апреля 2016 г. .
  37. ^ abc Клери, Дэниел (12 апреля 2016 г.). «Российский миллиардер представил большой план по созданию крошечного межзвездного космического корабля». Science . doi :10.1126/science.aaf4115 . Получено 15 апреля 2016 г. .
  38. ^ ab Stone, Maddie (12 апреля 2016 г.). «Стивен Хокинг и русский миллиардер хотят построить межзвездный звездолет». Gizmodo . Получено 12 апреля 2016 г.
  39. ^ abc Domonoske, Camila (12 апреля 2016 г.). «Забудьте о звездолетах: новое предложение будет использовать „Starchips“ для посещения Альфа Центавра». NPR . Получено 15 апреля 2016 г.
  40. ^ abcde Эмспак, Джесси (15 апреля 2016 г.). «Прорыва пока нет: межзвездный „Starshot“ Стивена Хокинга сталкивается с трудностями». Space.com . Получено 15 апреля 2016 г.
  41. ↑ Сотрудники (26 июля 2017 г.). «В поисках Альфы Центавра BreakThrough Starshot запускает самый маленький в мире космический аппарат – первый прототип 'Sprites' – предшественники будущих зондов 'StarChip' – выход на низкую околоземную орбиту». BreakThroughInitiatives.org . Получено 28 июля 2017 г.
  42. ^ Университет, Стэнфорд (3 июня 2019 г.). «Недорогие спутники размером с чип вращаются вокруг Земли». Stanford News . Получено 3 июня 2019 г. .
  43. ^ Таварес, Фрэнк (30 мая 2019 г.). «Что такое KickSat-2?». NASA . Получено 5 июня 2019 г.
  44. ^ "Спутники размером с крекер демонстрируют новые космические технологии". Cornell Chronicle . Получено 5 июня 2019 г.
  45. ^ "Проект KickSat-2 запускает 105 спутников размером с крекер". TechCrunch . 4 июня 2019 г. Получено 5 июня 2019 г.
  46. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Breakthrough Starshot: Potential Challenges». Breakthrough Initiatives . Получено 14 апреля 2016 г.
  47. ^ ab Staff (16 апреля 2016 г.). "Starship enterprise". The Economist . Получено 15 апреля 2016 г.
  48. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Breakthrouth Starshot: Gram-Scale Starchip Components – 4 Cameras». Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  49. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Breakthrouth Starshot: Gram-Scale Starchip Components – 4 Processors». Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  50. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Breakthrouth Starshot: Gram-Scale Starchip Components – 4 Photon Thrusters». Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  51. ^ Гилстер, Пол (21 октября 2013 г.). «Laser Travel by Photonic Thruster». Centauri Dreams . Получено 16 апреля 2016 г.
  52. ^ ab Staff (12 апреля 2016 г.). "Breakthrouth Starshot: Gram-Scale Starchip Components – Battery". Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  53. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Breakthrouth Starshot: Gram-Scale Starchip Components – Protective Coating». Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  54. ↑ Staff (12 апреля 2016 г.). «Breakthrough Starshot: Lightsail, Integrity under thrust». Breakthrough Initiatives . Получено 16 апреля 2016 г.
  55. ↑ Сотрудники (12 апреля 2016 г.). «Breakthrouth Starshot: Gram-Scale Starchip Components – Lightsail – Structure». Breakthrough Initiatives . Получено 15 апреля 2016 г.
  56. ^ Патель, Нил В. (15 апреля 2016 г.). «Прорывной световой луч Starshot — это действительно миллион лазеров, что безумие». Обратное . Получено 16 апреля 2016 г.
  57. ^ Паркин, Кевин LG (2020). «Нисходящая линия связи Starshot». arXiv : 2005.08940 [astro-ph.IM].
  58. ^ ab Heller, René; Hippke, Michael; Kervella, Pierre (2017). «Оптимизированные траектории к ближайшим звездам с использованием легких высокоскоростных фотонных парусов». The Astronomical Journal . 154 (3): 115. arXiv : 1704.03871 . Bibcode : 2017AJ....154..115H. doi : 10.3847/1538-3881/aa813f . S2CID  119070263.
  59. ^ Грос, Клавдий (2016), «Развитие экосфер на временно обитаемых планетах: проект генезиса», Астрофизика и космическая наука , 361 (10): 324, arXiv : 1608.06087 , Bibcode : 2016Ap&SS.361..324G, doi : 10.1007/s10509-016-2911-0, S2CID  6106567
  60. ^ Бодди, Джессика (2016). «Вопросы и ответы: стоит ли засевать жизнь на инопланетных планетах?». Наука . doi :10.1126/science.aah7285. ISSN  0036-8075.
  61. ^ Ромеро, Джеймс (ноябрь 2017 г.). «Стоит ли нам засевать космос жизнью с помощью кораблей, управляемых лазером?». New Scientist . № 3152.

Внешние ссылки