5 stora frågor om Starshot Nanocraft Technology

På tisdag meddelade den ryska miljardären Yuri Milner och den berömda astrofysik Stephen Hawking sina 100 miljoner dollar plan att studera Alpha Centauri, det närmaste stjärnsystemet till jorden (bara 4,37 ljusår bort). Målet är, bland flera olika vetenskapliga undersökningar, att i grund och botten se om utlänningar finns i skogens nacke, eller åtminstone om det finns några planeter eller månar i systemet som kan stödja livet.

Kallas genom genombrottet Starshot, består projektet av att skicka ultralätt rymdfarkoster (dubblerat "StarChips") på väg till Alpha Centauri, buren av en ljussignal som drivs av en 100 gigawatt ljusstråle.

Detta är bara toppen av isberget. Hela planen kommer ut som antingen galet geni eller helt enkelt arg. Ju mer du gräver i, desto mer verkar det som planen av Milner och hans besättning kan faktiskt vara genomförbart.

Detta beror på att den teknik som de föreslår inte är faktiskt långt ifrån möjligheten. Det sträcker verkligen fantasin, men det bryter inte upp det. LightSail-tekniken testas redan av en hel del forskargrupper, bland annat en organiserad av Bill Nye. Stigningen i CubeSats som ett storskaligt och billigt sätt att genomföra rymdforskning har verkligen visat hur mycket man kan vinna genom att skapa mindre, lättare rymdfarkoster. Nanokraftar som rankats av Starshot är bara ett logiskt steg i den riktningen.

Fortfarande finns det massor av frågor som kvarstår om hur helvetet Milner, Hawking, och även Facebook-grundaren Mark Zuckerberg (en investerare) kommer att dra av det här. Här är de fem största frågorna om nanocraft-tekniken och ljusstrålens lanseringssystem - och några svar som kan ge viss insikt.

Ljusstrålar som framdrivningsteknik - var god förklara!

Starshot planerar att starta dessa nanocraft-barn använder inte bränsle och eld - det använder ljus och lasrar. Högdrivna, fokuserade lasrar har varit en källa till intriger för framdrivningsingenjörer i årtionden nu, men det är bara för senare att vi äntligen kan tänka oss att använda sådan teknik i flera tillämpningar - inklusive rörliga orbitala skräp ur vägen för kritiska satelliter. Ljuset är trots allt en energi som kan utöva kraft på ett system.

Det är dock nyckelordet: conceive. Vi har ännu inte faktiskt byggt en laserstråle som kan skjuta ett annat objekt av in i utrymme genom ren kraft av fotoner. Forskare arbetar med hybrid framdrivningsteknik som skulle använda lasrar i kombination med mer konventionella metoder, men inte som enda drivmedel.

Du kanske säger, "men hur ska en solsegling tänka sig att fungera i rymden?", Solsignaltekniken kräver att fotona produceras av solens strålar för att driva seglet (och dess rymdfarkoster) framåt. Seglet kommer att rymma den olikmodiga vägen men: raketer.

Starshot hävdar att en ljusbeamer - en uppsättning lasrar som är uppbyggda i en kilometerbredd skala - potentiellt kan ge upp till 100 gigawatt strålningsenergi. Vi skulle inte använda en ultra stor laser, men i stället många mindre. Kanske miljoner eller hundratals miljoner.

Kunde det vara tillräckligt kraftfullt för att få nanokraften ut ur jordens atmosfär och gravitationsdrag? Kanske. Milner tycker Starshot är en bättre chans genom att starta lanseringsplattan i en höghöjd miljö, som Atacama Desert. (Här är fyra förslag vi gjort idag.) Det är också relativt torrt nog för att minska sannolikheten för att vattenånga kan bygga upp och skapa ökad vikt på rymdfarkosten eller hindra laserns kraft när det skjuter rymdfarkosten upp.

Om allt går bra, skulle proberna vara på väg till Alpha Centauri på 100 miljoner miles per timme, och nå systemet inom 20 år.

Lightsails är supertunna och super delikata. Hur ska denna sak överleva lanseringen? Hur är det meningen att överleva stenarna och dammet spinner runt rymden i tjugo år?

En ljusljus är tillverkad av ett ultra-tunt "metamaterial" (en catchall term som refererar till experimentella material) avsedda att hämta kommande fotoner från en ljuskälla och använda dem som en tryckkraft som utövas på själva seglen. Som ett resultat kan seglet gå vidare och till och med accelerera till mycket högre hastigheter.

Som jag nämnde är lightails inte nya. Bill Nye och Planetary Society har arbetat med ett lightsail-projekt som syftar till att bevisa lönsamheten för en sådan teknik som en kostnadseffektiv rymdfarkostdrivning. NASA lanserar Near Earth Asteroid Scout (NEA Scout) 2018 ombord orion för det inledande uppdraget för Space Launch System, som kommer att ta sig till en närliggande asteroid via en expanderbar solsegling.

Båda dessa ljusstrålar löper in i samma problem som att kollidera med interstellärt damm och skräp som kan peka hål i seglet och spåra hela saken. Det är en ganska distinkt möjlighet, men det är begränsat av ett par överväganden.

Först: Utrymmet är stor. Det finns massor av bitar av materia som flyter runt, men det är inte som här på jorden där partiklar i luften är överallt vi vänder. Objekt i rymden är mil ifrån varandra - så lite som 10 till så mycket som miljoner, men mil ändå. Möjligheten att slå någonting - medan den är verklig - är fortfarande relativt avlägsen.

För det andra konstruerades dessa segel specifikt för att hålla sig relativt fast i under skador. Ta till exempel NEA Scout. NASA har testat hur bra dess ljusljus kan upprätthålla strukturell integritet även om det slår med några bitar av rymdskräp här och där. Så länge som det inte finns någon katastrofal skada (som en ansteroid som storlekarna på Texas som fäller in i rymdfarkosten), kan NEA Scout fortfarande röra sig framåt och manövrera sig på kommandon från NASA.

Starshot nanokraften måste också ta itu med dessa problem. Deras ljussignaler förväntas sträcka sig ut på något på en skala av några meter, så de blir ganska små. Men de kommer bara att vara några hundra atomer tjocka och ha en massa på ungefär ett gram. De är små nog för att undvika nästan alla typer av inkommande antal objekt som flyter runt rymden - men i de oturliga odds som de slår, kommer hela rymdfarkosten sannolikt att förstöras. Och vi vet nästan ingenting om dammhalten i Alpha Centauri.

Men det finns ett stort problem som nanocraften ensam måste ta itu med - faller inte under ljusstrålkastningen. Segeln förväntas drabbas av en stråle som kommer att uppgå till cirka 60 gånger solljuset som träffar jorden vid något tillfälle. Seglet behöver inte bara hålla sig från att smälta, men lyckas också komma in i rymden utan att bli rippad till strimlingar av de atmosfäriska krafterna. En uppskattad en del i 100 000 av lasern skulle vara mer än tillräckligt för att förånga seglet. Detta har aldrig gjorts tidigare. Det går inte att berätta hur mycket testet Starshot-projektet kommer att behöva genomföra innan man får den här delen rätt.

Hur fungerar StarChip? Vilka data ska det samlas in?

StarChips - som byggs på ett grams skala och kan passa i handens handflata - kommer inte att vara det toppmoderna systemet som något som nyfikenhetens rover eller Kepler rymdteleskop har hjälpt oss att studera olika världar i rymden. De kommer att vara väldigt grundläggande. Målet är att hålla fyra kameror (två megapixlar vardera) på chipet som möjliggör en viss väldigt elementär avbildning av Alpha Centauri och de olika planeterna och målarna i systemet.

Den data skulle sändas tillbaka till jorden med hjälp av en utdragbar meterlång antenn, eller kanske till och med med hjälp av ljusljuset för att underlätta laserbaserad kommunikation som kan fokusera en signal tillbaka mot jorden.

Det verkar som standard nog. Vad ska de här bilderna visa oss?

Där ligger en annan okänd. När astronomer bedömer potentialen i andra världar för att vara beboelig, tittar de på en rad olika data, allt från planetens temperaturer, sammansättning, avstånd från värdstjärnan, tecken på en nuvarande atmosfär - och så mycket mer. Många av dessa saker är endast mätbara genom olika typer av kameror som kan se över det elektromagnetiska spektrat. Nanokraften vid denna tidpunkt skulle köra på kameror som inte är alltför annorlunda än vad vi använder på våra smartphones. Det är knappast till hjälp för att verkligen förstå huruvida en planet eller månen kan bibehålla någon form av liv eller redan uppvisar tecken på livet.

Men när du överväger är målet att skicka flera små rymdfarkoster till ett avlägset system som är flera olika ljusår bort på under två årtionden måste du sänka kostnaderna någonstans.

Även om denna sak överlever resan till Alpha Centauri, hur ska den leva tillräckligt länge för att samla in tillräckligt användbara data?

Longevity är avgörande för Starshot-projektet. Nanocraften måste stanna i flera decennier för att verkligen kunna utnyttja sin fulla forskningspotential. För detta ändamål föreslår genombrottsinitiativet en inbyggd energikälla baserad på plutonium-238 eller Americium-241, som väger högst 150 milligram.

I grund och botten, eftersom plutonium- eller Americium-isotopen sönderfall, skulle det ladda en ultrakondensator som byter på StarChip-komponenterna som är nödvändiga för att knäppa upp bilder och sända dem tillbaka till jorden. En termoelektrisk energikälla kan också genomföras för att dra fördel av nanokraftens yttre ytemperaturer som stiger när den börjar närma sig andra världers atmosfär.

Fotovoltaics - solljus in i energi - är också under övervägande. En sol segel prototyp som testades av Japan för ungefär sex år sedan, IKAROS, målade ytan av sin solsegling med en fotovoltaik. Detta är opraktiskt när nanocraft slutligen gör det ur solsystemets gränser, men kan vara användbart under den tiden för att spara ännu mer batterikraft.

Den stora frågan är om du kan hålla sådana billiga material livskraftiga över 20 till 50 år. I ett idealt scenario är det troligt att det sannolikt kommer att uppstå att varje nanocraft bara förväntas samla data för en relativt kort tidsperiod - om några månader. Om Milner och företag verkligen är inställda på massa som producerar dessa saker, borde de inte ha något problem att skicka en massa i alla riktningar för att utforska så mycket som möjligt om Alpha Centauri. Att förvänta sig att alla arbetar i åratal är ganska opraktiska om vi inte direkt kan ingripa och flytta sina rörelser i nya riktningar.

Kosta

Milners uttryckta mål är att göra varje nanocraft för ungefär den kostnad som det tar att bygga en iPhone. Varje SmartChip och lightail combo bör inte vara mer än några hundra dollar - och målet är att fortsätta att lägga till bättre teknik eftersom de blir mindre och billigare genom åren.

I verkligheten är den dyraste (och förmodligen minst möjliga) delen av detta projekt ljusstrålen. Vi pratar om 100 gigawattar av makt i två minuter för att avfyra den fula saken. En enda gigawatt kan driva 700 000 hem. Så det räcker för 70.000.000 hem.

Det är tillräckligt för att driva flera små länder. Det är 100 gånger det belopp som produceras av ett typiskt kärnkraftverk. Det är överväldigande att till och med få veta hur de ska samla denna mycket energi på ett ställe för att starta en massa nanokraft ut i rymden.

Den totala kostnaden för en lightbeam firing kan enligt en kommentar på Breakthrough webbplatsen, $ 70,000.

Ja, vi ska se det där …