Kiedyś ludzkość miała ambicje, które doprowadziły do tak niesamowitych projektów, jak pierwszy załogowy lot w kosmos lub misja na Księżyc. Następnym krokiem będzie kolonizacja planet, a następnie podróże międzygwiezdne. Inicjatywa Breakthrough Starshot jest następcą ludzkich ambicji i obiecuje utorować nam drogę do gwiazd w pobliżu.
Breakthrough Starshot, dzieło rosyjskiego miliardera, przedsiębiorcy Jurija Milnera, zasłynęło w kwietniu 2016 r. Na konferencji prasowej, w której uczestniczyli znani fizycy, w tym Stephen Hawking i Freeman Dyson. Chociaż projekt jest daleki od zakończenia, wstępny plan zakłada wysłanie tysięcy chipów wielkości znaczka pocztowego na dużych srebrnych żaglach, które najpierw wejdą na orbitę Ziemi, a następnie zostaną przyspieszone przez naziemne lasery.
W ciągu dwóch minut laserowego przyspieszania sonda przyspieszy do jednej piątej prędkości światła - tysiąc razy szybciej niż jakikolwiek sztuczny pojazd w całej historii ludzkości.
Każdy statek kosmiczny będzie latał przez 20 lat i zbierze dane naukowe o przestrzeni międzygwiazdowej. Po dotarciu do planet w układzie gwiezdnym Alpha Centauri, wbudowany aparat cyfrowy zrobi zdjęcia o wysokiej rozdzielczości i wyśle obrazy z powrotem na Ziemię, umożliwiając nam przyjrzenie się naszym najbliższym planetom sąsiadom. Oprócz wiedzy naukowej możemy dowiedzieć się, czy te planety nadają się do kolonizacji przez ludzi.
Zespół stojący za Breakthrough Starshot jest równie imponujący jak technologia. W radzie dyrektorów znajdują się Milner, Hawking i Mark Zuckerberg, twórca Facebooka. Pete Warden, były dyrektor Ames Research Center NASA, jest dyrektorem generalnym. Kilku wybitnych naukowców, w tym laureaci Nagrody Nobla, doradza projektowi, a Milner przeznaczył 100 milionów dolarów na rozpoczęcie prac. Razem z kolegami inwestują ponad 10 miliardów dolarów w ciągu kilku lat, aby dokończyć pracę.
Chociaż cały ten pomysł wydaje się całkowicie science-fiction, nie ma naukowych przeszkód w jego realizacji. To jednak nie musi się wydarzyć jutro: aby Starshot odniósł sukces, potrzeba szeregu postępów technologicznych. Organizatorzy i konsultanci naukowi wierzą w wykładniczy postęp i że Starshot istnieje już od 20 lat.
Poniżej znajduje się lista jedenastu technologii Starshot oraz nadzieja, jaką naukowcy pokładają w ich wykładniczym rozwoju w ciągu następnych dwudziestu lat.
Film promocyjny:
Wykrywanie egzoplanet
Egzoplaneta to planeta poza naszym Układem Słonecznym. Chociaż pierwsze naukowe odkrycie egzoplanety miało miejsce dopiero w 1988 roku, na dzień 1 maja 2017 roku 3608 egzoplanet zostało odkrytych w 2702 układach planetarnych. Podczas gdy niektóre z nich przypominają planety w Układzie Słonecznym, istnieje wiele niezwykłych, takich jak te z pierścieniami 200 razy szerszymi niż Saturn.
Jaki jest powód tego zalewu odkryć? Znaczne ulepszenie teleskopów.
Zaledwie 100 lat temu największym teleskopem na świecie był Teleskop Hookera z lustrem o długości 2,54 metra. Dziś Bardzo Duży Teleskop ESO, składający się z czterech dużych teleskopów o średnicy 8,2 metra, jest najbardziej produktywnym naziemnym obiektem astronomicznym, produkującym jeden artykuł naukowy dziennie na recenzję eksperta.
Naukowcy używają MBT i specjalnego narzędzia do poszukiwania stałych planet pozasłonecznych w potencjalnie zdatnej do zamieszkania strefie gwiazdy. W maju 2016 r. Naukowcy korzystający z teleskopu TRAPPIST w Chile znaleźli nie jedną, ale siedem egzoplanet wielkości Ziemi jednocześnie w potencjalnie nadającej się do zamieszkania strefie.
Tymczasem w kosmosie sonda kosmiczna Kepler NASA, specjalnie zaprojektowana do tego zadania, zidentyfikowała już ponad 2000 egzoplanet. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który wystartuje w październiku 2018 r., Zapewni bezprecedensowy wgląd w to, czy egzoplanety mogą podtrzymywać życie. „Jeśli te planety mają atmosferę, JWST będzie kluczem do odkrycia ich tajemnic” - mówi Doug Hudgins, naukowiec zajmujący się programem egzoplanet w siedzibie NASA w Waszyngtonie.
Koszty uruchomienia
Statek macierzysty Starshot zostanie wystrzelony na pokładzie rakiety i wystrzeli 1000 statków. Koszt transportu ładunków za pomocą rakiet jednorazowego użytku jest olbrzymi, ale prywatni dostawcy usług, tacy jak SpaceX i Blue Origin, wykazali sukces we wprowadzaniu rakiet wielokrotnego użytku, które mają znacznie obniżyć koszty startu. SpaceX już obniżył koszty uruchomienia Falcona 9 do 60 milionów dolarów, a wraz z rozwojem prywatnego przemysłu kosmicznego i rozpowszechnieniem rakiet wielokrotnego użytku, cena będzie spadać i spadać.
Skrobia
Każdy 15-milimetrowy Starchip („chip star”) musi zawierać szeroką gamę wyrafinowanych urządzeń elektronicznych, takich jak system nawigacji, kamera, laser komunikacyjny, bateria radioizotopowa, multiplekser kamery i jego interfejs. Inżynierowie mają nadzieję, że zmieszczą to wszystko w małej maszynie wielkości znaczka pocztowego.
W końcu pierwsze chipy komputerowe w latach sześćdziesiątych XX wieku zawierały kilka tranzystorów. Dzięki prawu Moore'a możemy dziś zmieścić miliardy tranzystorów na każdym chipie. Pierwszy aparat cyfrowy ważył kilka kilogramów i przechwytywał obrazy o rozdzielczości 0,01 megapiksela. Obecnie czujnik aparatu cyfrowego rejestruje wysokiej jakości kolorowe obrazy o rozdzielczości 12 megapikseli i pasuje do smartfona - wraz z innymi czujnikami, takimi jak GPS, akcelerometr i żyroskop. Widzimy, jak te ulepszenia przenoszą się do eksploracji kosmosu z mniejszymi satelitami dostarczającymi nam wysokiej jakości danych.
Aby Starshot odniósł sukces, do 2030 roku będziemy potrzebować chipa o masie około 0,22 grama. Jeśli jednak poprawa będzie nadal postępować w tym samym tempie, prognozy sugerują, że jest to całkiem możliwe.
Lekki żagiel
Żagiel powinien być wykonany z materiału, który będzie silnie odblaskowy (aby uzyskać maksymalny impuls z lasera), minimalnie absorbujący (aby nie wypalał się od ciepła) i jednocześnie bardzo lekki (pozwalający na szybkie przyspieszenie). Te trzy kryteria są niezwykle ważne i obecnie nie ma dla nich odpowiedniego materiału.
Niezbędne postępy mogą pochodzić z automatyzacji sztucznej inteligencji i przyspieszenia odkrywania nowych materiałów. Ta automatyzacja zaszła tak daleko, że dzisiejsze metody uczenia maszynowego mogą „generować biblioteki kandydatów na odpowiednie materiały na dziesiątkach tysięcy pozycji” i pozwalają inżynierom określić, o które warto walczyć, a które w określonych warunkach.
Magazynowanie energii
Chociaż Starchip będzie wykorzystywał malutką baterię radioizotopową w swojej 24-letniej podróży, nadal będziemy potrzebować konwencjonalnych baterii chemicznych do laserów. Lasery będą musiały uwolnić kolosalną energię w krótkim czasie, co oznacza, że energia będzie musiała być przechowywana w pobliskich bateriach.
Baterie poprawiają się o około 5-8% rocznie, chociaż często tego nie widzimy, ponieważ wzrasta zużycie energii. Jeśli akumulatory będą nadal poprawiać się w tym tempie, za dwadzieścia lat będą miały 3-5 razy większą pojemność niż obecnie. Inne innowacje mogą nastąpić po dużej inwestycji w branży akumulatorów. Spółka joint venture Tesla-Solar City dostarczyła już 55 000 do Kauai, aby zasilić większość swojej infrastruktury.
Lasery
Do napędzania jednostki wraz z żaglem zostaną użyte tysiące potężnych laserów.
Lasery były zgodne z prawem Moore'a w taki sam sposób jak układy scalone, podwajając moc co 18 miesięcy. W ostatniej dekadzie nastąpiło dramatyczne przyspieszenie skalowania mocy laserów diodowych i światłowodowych. Pierwszy przebił 10 kilowatów światłowodu jednomodowego w 2010 roku i barierę 100 kilowatów kilka miesięcy później. Oprócz czystej mocy potrzebujemy również sukcesu w łączeniu laserów z macierzą fazową.
Prędkość
Nasza zdolność do szybkiego poruszania się … działała szybko. W 1804 roku wynaleziono pociąg i bardzo szybko osiągnął niespotykaną prędkość 100 kilometrów na godzinę. Statek kosmiczny „Helios-2” pobił ten rekord w 1976 roku: w najszybszym momencie „Helios-2” oddalał się od Ziemi z prędkością 356 040 km / h. 40 lat później sonda New Horizons osiągnęła heliocentryczną prędkość 45 kilometrów na sekundę (ponad 200 000 kilometrów na godzinę). Ale nawet przy takiej prędkości dotarcie do Alfa Centauri, cztery lata świetlne od nas, zajęłoby dużo czasu.
Chociaż przyspieszanie cząstek subatomowych do prędkości bliskiej prędkości stało się powszechne w akceleratorach cząstek, makroskopowe obiekty nie były w stanie przyspieszać w ten sposób. Osiągnięcie 20% prędkości światła byłoby 1000 razy większą niż prędkość jakiegokolwiek obiektu zbudowanego przez człowieka.
Pamięć
Podstawą obliczeń stała się możliwość przechowywania informacji. Starshot będzie zależał od ciągłych spadków kosztów i rozmiaru pamięci cyfrowej, aby zapewnić wystarczającą ilość miejsca na przechowywanie programów i obrazów przechwyconych w układzie gwiezdnym Alpha Centauri i jego planetach.
Koszt pamięci spadał wykładniczo od dziesięcioleci: w 1970 roku megabajt był wart około miliona dolarów; teraz - tylko grosze. Zmniejszył się również rozmiar wymagany do przechowywania danych, z 5-megabajtowego dysku twardego załadowanego w 1956 roku wózkiem widłowym do 512-gigabajtowych pendrive'ów ważących kilka gramów.
Telekomunikacja
Gdy Starchip przechwyci obrazy, będą musiały zostać wysłane z powrotem na Ziemię w celu przetworzenia.
Telekomunikacja znacznie się rozwinęła, odkąd Alexander Graham Bell wynalazł telefon w 1876 roku. Obecnie średnia prędkość internetu wynosi około 11 megabitów na sekundę. Szerokość pasma i prędkość wymagana do przesyłania obrazów cyfrowych przez 4 lata świetlne - 40 bilionów kilometrów - będą wymagały najnowszych osiągnięć w telekomunikacji.
Technologia Li-Fi jest niezwykle obiecująca, a jej transmisja bezprzewodowa zapowiada się 100 razy szybciej niż Wi-Fi. Są też eksperymenty z zakresu telekomunikacji kwantowej, które nie będą szybkie, ale bezpieczne.
Obliczenia
Ostatnim krokiem projektu Starchip będzie analiza danych zwróconych przez statek kosmiczny. Aby to zrobić, będziemy musieli polegać na wykładniczym wzroście mocy obliczeniowej, która wzrosła bilion razy w ciągu ostatnich 60 lat.
Ostatnio spadek kosztów obliczeń był silnie związany z chmurami. Patrząc w przyszłość i używając nowych metod obliczeniowych, takich jak kwantowe, możemy spodziewać się 1000-krotnego wzrostu mocy do czasu, gdy Starshot zwróci dane. Ta wyjątkowa moc obliczeniowa umożliwi nam przeprowadzanie zaawansowanych symulacji naukowych i analiz naszego najbliższego sąsiedniego układu gwiezdnego.
ILYA KHEL