På et tidspunkt havde menneskeheden ambitioner, der førte til så utrolige projekter som den første bemande flyvning ud i rummet eller en mission til månen. Det næste trin vil være kolonisering af planeter og derefter interstellar rejser. Gennembrud Starshot-initiativet er efterfølgeren til den menneskelige ambition og lover at bane vores vej til stjernerne i umiddelbar nærhed.
Hjernebarn til den russiske milliardærvirksomhed Yuri Milner, Breakthrough Starshot markerede sig i april 2016 på en pressekonference, der blev deltaget af kendte fysikere, herunder Stephen Hawking og Freeman Dyson. Mens projektet langt fra er afsluttet, indebærer den foreløbige plan at sende tusindvis af frimærker med frimærke i store sølvsejl, som først kommer ind i Jordens bane og derefter fremskyndes med jordbaserede lasere.
I løbet af to minutters laseracceleration vil rumfartøjet accelerere til en femtedel af lysets hastighed - tusind gange hurtigere end ethvert kunstigt køretøj i hele menneskehedens historie.
Hvert rumfartøj vil flyve i 20 år og indsamle videnskabelige data om interstellar rum. Når de når planeterne i Alpha Centauri-stjernesystemet, tager det indbyggede digitale kamera fotografier i høj opløsning og sender billeder til Jorden, så vi kan se på vores nærmeste planetariske naboer. Ud over videnskabelig viden kan vi finde ud af, om disse planeter er egnede til menneskelig kolonisering.
Holdet bag Breakthrough Starshot er lige så imponerende som teknologien. Bestyrelsen inkluderer Milner, Hawking og Mark Zuckerberg, skaberen af Facebook. Pete Warden, tidligere direktør for NASAs Ames Research Center, er administrerende direktør. Flere fremtrædende videnskabsfolk, inklusive nobelprisvindere, rådgiver projektet, og Milner lagde 100 millioner dollars af sine egne midler til at få arbejdet i gang. Sammen med kolleger investerer de over 10 milliarder dollars over flere år for at afslutte arbejdet.
Selvom hele ideen synes fuldstændig sci-fi, er der ingen videnskabelig hindring for dens implementering. Dette behøver dog ikke ske i morgen: For at Starshot skal få succes, kræves der en række teknologiske fremskridt. Arrangørerne og de videnskabelige konsulenter tror på eksponentielle fremskridt, og at Starshot har eksisteret i 20 år.
Nedenfor finder du en liste over elleve Starshot-teknologier, og hvad håber forskere sætter deres eksponentielle udvikling over de næste tyve år.
Salgsfremmende video:
Eksoplanet detektion
En exoplanet er en planet uden for vores solsystem. Selv om den første videnskabelige opdagelse af en exoplanet kun fandt sted i 1988, pr. 1. maj 2017, blev 3.608 exoplaneter opdaget i 2.702 planetariske systemer. Mens nogle af dem ligner planeter i solsystemet, er der mange usædvanlige, såsom dem med ringe 200 gange bredere end Saturn.
Hvad er grunden til denne oversvømmelse af opdagelser? Betydelig forbedring af teleskoper.
For bare 100 år siden var verdens største teleskop Hooker-teleskopet med et spejl på 2,54 meter. I dag er ESOs Very Large Telescope, der består af fire store teleskoper på 8,2 meter i diameter, den mest produktive jordbaserede astronomiske installation, der producerer en videnskabelig artikel pr. Ekspertanmeldelse pr. Dag.
Forskere bruger MBT og et specielt værktøj til at søge efter solide ekstrasolære planeter i stjernens potentielt beboelige zone. I maj 2016 fandt forskere, der bruger TRAPPIST-teleskopet i Chile, ikke én, men syv jordstørrede exoplaneter på en gang i en potentielt beboelig zone.
I mellemtiden har NASAs Kepler-rumfartøj, specielt designet til opgaven, allerede identificeret mere end 2.000 exoplaneter. James Webb-rumteleskopet, der lanceres i oktober 2018, giver en hidtil uset indsigt i, om eksoplaneter kan understøtte livet.”Hvis disse planeter har en atmosfære, vil JWST være nøglen til at afsløre deres hemmeligheder,” siger Doug Hudgins, en videnskabsmand på exoplanet-programmet ved NASAs hovedkvarter i Washington DC.
Startomkostninger
Starshot-moderskibet vil blive lanceret ombord på raketten og vil lancere 1.000 skibe. Omkostningerne ved transport af nyttelast ved hjælp af raketter til engangsbrug er enorme, men private tjenesteudbydere som SpaceX og Blue Origin har vist succes med at opsætte genanvendelige raketter, der forventes at reducere lanceringsomkostningerne markant. SpaceX har allerede reduceret omkostningerne til $ 60 millioner til lancering af Falcon 9, og når den private rumindustri udvides og genanvendelige raketter bliver mere udbredt, falder prisen og falder.
Starchip
Hver 15mm Starchip ("stjerne-chip") skal indeholde et stort udvalg af sofistikerede elektroniske enheder, såsom et navigationssystem, et kamera, en kommunikationslaser, et radioisotopbatteri, en kamera-multiplexer og dens interface. Ingeniørerne håber, at de kan klemme det hele ind i en lille frimærkestørrelsesmaskine.
Når alt kommer til alt indeholdt de første computerchips i 1960'erne en håndfuld transistorer. Takket være Moore's lov kan vi i dag passe milliarder af transistorer på hver chip. Det første digitale kamera vejede adskillige kg og tog 0,01 megapixel-billeder. I dag optager et digitalt kamerasensor farvebilleder i høj kvalitet med 12 megapixel og passer ind i en smartphone - sammen med andre sensorer som GPS, accelerometer og gyroskop. Og vi ser disse forbedringer sive ned i rumforskning med mindre satellitter, der giver os kvalitetsdata.
For at Starshot skal få succes, har vi brug for en chipmasse på ca. 0,22 gram i 2030. Men hvis forbedringer fortsætter med at komme i samme tempo, antyder prognoser, at dette er meget muligt.
Let sejl
Sejlet skal være lavet af et materiale, der vil være meget reflekterende (for at få maksimal puls fra laseren), minimalt absorbere (for ikke at blive brændt ud af varme) og på samme tid meget let (giver dig mulighed for hurtigt at accelerere). Disse tre kriterier er ekstremt vigtige, og i øjeblikket er der ikke noget passende materiale til dem.
De nødvendige fremskridt kan komme fra at automatisere kunstig intelligens og fremskynde opdagelsen af nye materialer. Denne automatisering er gået så langt, at maskinindlæringsmetoder i dag kan "generere biblioteker med kandidater til passende materialer i titusinder af positioner" og give ingeniører mulighed for at bestemme, hvilke der er værd at kæmpe for, og hvilke der er værd at teste under visse betingelser.
Energilagring
Selvom Starchip vil bruge et lille radioisotopbatteri til sin 24-årige rejse, har vi stadig brug for konventionelle kemiske batterier til laserne. Lasere bliver nødt til at frigive kolossal energi på kort tid, hvilket betyder, at energien skal opbevares i batterier i nærheden.
Batterier forbedres med ca. 5-8% pr. År, selvom vi ofte ikke ser det, fordi energiforbruget stiger. Hvis batterierne fortsat forbedrer med denne hastighed, vil de om 20 år være 3-5 gange mere kapacitet end de er i dag. Andre innovationer kunne følge en større investering i batteriindustrien. Tesla-Solar City-joint venture-selskabet har allerede leveret 55.000 til Kauai for at drive det meste af sin infrastruktur.
Lasere
Tusinder af magtfulde lasere vil blive brugt til at drive håndværket sammen med sejlet.
Lasere overholdt Moores lov på omtrent samme måde som integrerede kredsløb og fordoblet strømmen hver 18. måned. I det sidste årti er der sket en dramatisk acceleration i skaleringen af styrken af diode og fiberlasere. Den første gennemborede 10 kilowatt single-mode fiber i 2010 og en 100 kilowatt barriere et par måneder senere. Ud over rå kraft har vi også brug for succes med at kombinere fasede array-lasere.
Hastighed
Vores evne til at bevæge sig hurtigt … bevægede sig hurtigt. I 1804 blev toget opfundet og meget snart fået en uhørt hastighed på 100 kilometer i timen. Rumfartøjet "Helios-2" formørkede denne rekord i 1976: på det hurtigste øjeblik bevægede "Helios-2" sig væk fra Jorden med en hastighed på 356.040 km / t. 40 år senere har rumfartøjet New Horizons nået en heliocentrisk hastighed på 45 kilometer i sekundet (mere end 200.000 kilometer i timen). Men selv med den hastighed vil det tage lang tid at nå Alpha Centauri, fire lysår væk.
Selvom accelererende subatomære partikler til nær lyshastighed er blevet almindeligt i partikelacceleratorer, har makroskopiske objekter ikke været i stand til at accelerere på den måde. At nå 20% lysets hastighed ville være 1000 gange hastigheden for ethvert menneskebygget objekt.
Hukommelseslagring
Muligheden for at gemme information blev grundlaget for beregninger. Starshot afhænger af fortsatte fald i prisen og størrelsen på den digitale hukommelse til at give tilstrækkelig lagerplads til dets programmer og billeder, der er taget i Alpha Centauri-stjernesystemet og dets planeter.
Hukommelsesomkostningerne er faldet eksponentielt i årtier: I 1970 var en megabyte værd omkring en million dollars; nu - blotte øre. Størrelsen, der kræves til opbevaring, er også krympet fra en 5-megabyte harddisk, der blev indlæst i 1956 med en gaffeltruck til 512-gigabyte USB-stave, der vejer et par gram.
Telekommunikation
Når Starchip optager billederne, skal de sendes tilbage til Jorden til behandling.
Telekommunikation er steget markant, siden Alexander Graham Bell opfandt telefonen i 1876. Den gennemsnitlige internethastighed i dag er omkring 11 megabits per sekund. Båndbredden og hastigheden, der kræves for at sende digitale billeder over 4 lysår - 40 billioner kilometer - kræver de seneste fremskridt inden for telekommunikation.
Li-Fi-teknologi er ekstremt lovende, og dens trådløse transmission lover at være 100 gange hurtigere end Wi-Fi. Der er også eksperimenter inden for kvantetelekommunikation, som ikke vil være hurtig, men sikker.
Beregninger
Det sidste trin i Starchip-projektet er at analysere de data, der er returneret af rumfartøjet. For at gøre dette bliver vi nødt til at stole på den eksponentielle udvikling af computerkraft, som er steget med en billion gange i løbet af de sidste 60 år.
For nylig er faldet i omkostningerne ved beregning stærkt forbundet med skyer. Når vi ser fremad og bruger nye beregningsmetoder som kvante, kan vi forvente en 1.000-fold stigning i magten, når Starshot returnerer data. Denne enestående computerkraft giver os mulighed for at udføre sofistikerede videnskabelige simuleringer og analyser af vores nærmeste nabostjernesystem.
ILYA KHEL
