Ten szybki kosmiczny żagiel może zabrać nas do następujących systemów gwiezdnych

Zaledwie około 4 lata świetlne od naszego Układu Słonecznego leży Alpha Centauri, kolejna tętniąca życiem dzielnica kosmiczna. Jest instalowany przez trzy gwiazdy Pełni taką samą funkcję jak nasze Słońce, ma planety podobne do naszych słynnych ośmiu ciał i może mieć bliźniaka Ziemi Kręć się w strefie mieszkalnej. Prawie jak alternatywna rzeczywistość, system gwiezdny jest oszałamiającym obszarem dla badaczy kosmosu.

Jest tylko jeden jasny przypadek. Dzięki naszej obecnej technologii wysłane statki kosmiczne nie dotrą do Alpha Centauri do około 82022 roku. Dlatego w 2016 roku nieżyjący już astrofizyk Stephen Hawking i inwestor Jurij Milner Uruchomiona Starshot hack – Inicjatywa wysłania sond kosmicznych wielkości wafla do Alpha Centauri z prędkością 20% prędkości światłaskracając ogromny czas podróży do zaledwie 20 lat.

Ich schemat skupia się na żaglu optycznym, który wykorzystuje moc fotonów, znanych również jako cząstki światła, emitowane przez laser naziemny, a nie wiatr, jak tradycyjny żagiel. Chociaż doskonale pasuje do technologii sci-fi Star Trek, pomysł zyskał tak dużą popularność, że naukowcy na całym świecie zaczynają badać, jak sprawić, by obcy gadżet działał, mając nadzieję na wyprodukowanie hipersilnika, który eksploduje w całym wszechświecie zawrotne stawki.

Jeden z takich zespołów z University of Pennsylvania rozwiązuje duży element układanki. w Kilka artykułów opublikowanych w tym miesiącu w Nano LettersA Naukowcy zaproponowali sposób na zapewnienie, że te innowacyjne statki kosmiczne nie zostaną rozerwane przez intensywne impulsy laserowe podczas trwającego dwie dekady lotu międzygwiezdnego. Zasadniczo naukowcy sugerują, że żagiel powinien „płynąć” w próżni kosmicznej jak żagle zwykłych łodzi wśród ziemskich wiatrów.

„Niektóre liczby dotyczące lekkich żagli od samego początku były zawyżone, inne nie, ale nie zostały dobrze zbadane” – powiedział autor badania Igor Bargatin, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Mechaniki Stosowanej Uniwersytetu Pensylwanii. „To, co zrobiliśmy, to pokazanie, że zdecydowanie trzeba wzdęć.

„Zdaliśmy sobie sprawę, że ludzie tak naprawdę nie brali pod uwagę mechanizmów problemu, w szczególności możliwości płaczu” – dodał Bargatin. „Chcemy mieć pewność, że pomysł zostanie zrealizowany, a kiedy zostanie zrealizowany, ludzie zwracają uwagę na rzeczy, które mogą się wydarzyć podczas przyspieszania.

„Nie chcemy, żeby te żagle zawiodły”.

Parametry statku międzygwiezdnego

Wyobraź sobie łódź wypływającą na morze z przymocowanym do niej żaglem. Żagiel uniesie się z każdym podmuchem wiatru i popycha statek do przodu. Ten ciąg jest spowodowany odrzutem wiatru uderzającego w żagiel, tworząc ciśnienie.

Żagle świetlne nie różnią się zbytnio.

„Kiedy fotony uderzają w nasz lekki żagiel, są odbijane i wytwarzają również ciśnienie” – powiedział Bargatin. „Dokładny mechanizm jest nieco inny, ponieważ mówimy o świetle w porównaniu z rzeczywistymi cząsteczkami powietrza. Ale w obu przypadkach wytwarza ciśnienie”. W rzeczywistości takie urządzenia okazały się już w pewnym stopniu skuteczne.

W 2010 r. Japońska Agencja Badań Kosmicznych Uruchomiła misję lekkich żagli o nazwie Ikaros Uznała to za sukces. w 2019 roku, Wersja demonstracyjna LightSail 2 Pozew partnerski. Sfinansowany przez kampanię na Kickstarterze rozpoczętą przez Billa Nye i Neila DeGrasse Tysona, poleciał w kosmos małym satelitą, wykorzystując czystą moc fotonu.

Ale zarówno Ikaros, jak i LightSail 2 wykorzystują światło emitowane przez słońce, w przeciwieństwie do wizji laserów Breakthrough Starshot.

Chociaż światło słoneczne zmniejsza ryzyko łez, jest zbyt słabe na próbę Starshot. Dodatkowo, jak mówi Bargattin, impulsy świetlne Starshota powinny pojawić się w stosunkowo krótkim czasie, ponieważ gdy żagiel świetlny znajduje się zbyt daleko od Ziemi, naukowcy tracą zdolność do skutecznego jego przyspieszania.

Krótko mówiąc, aby osiągnąć jedną piątą prędkości światła – tak, aby mogła osiągnąć Alfa Centauri w wymaganych dwudziestu latach – w ścisłym oknie, światła potrzebowałyby niezwykle silnych impulsów świetlnych, które są możliwe tylko za pomocą lasera.

„Zaprojektowane naciski na nasze fotoniczne gwoździe nie są ogromne” – powiedział Bargatin. „To prawie tak, jakbyś miał w ręku pensa”. Mówiąc naukowo, ciśnienie sumuje się do około 10 Pa, mówi Bargatin, ale zastanów się, jak żyjemy, nie martwiąc się o lekki nacisk. Absolutnie.

Dziesięć pasów mocy światła wymaga dużej ilości energii lasera, więc w przeciwieństwie do tańca Ikara delikatnego światła słonecznego, lekkie paznokcie emitowane przez niezwykle silne impulsy laserowe mogą ulec uszkodzeniu.

Jak zbudować stały lekki żagiel

Zdaniem naukowców potężne impulsy laserowe mogą wytworzyć ciśnienie wystarczająco silne, aby wygiąć i rozerwać płytę jak żagiel napiętej łodzi, która może eksplodować, jeśli zostanie uderzona przez gigantyczną wichurę.

Uważają, że światła powinny mieć zdolność „wybrzuszania się” i tworzenia nieco zakrzywionego kształtu, jak baldachim. Bargatin wyjaśnia, że ​​długość żagla i promień krzywizny powinny wynosić około 3 metry. W swoich nowych artykułach autorzy przedstawiają pomiary geometryczne, które zapewniają optymalne rozciągnięcie.

Nawet lekki żagiel zabezpieczony przed łzami napotka inne przeszkody. Aby przezwyciężyć takie problemy, głównym parametrem do rozważenia jest materiał żeglarski. Panele muszą być mocne, aby były trwałe i lekkie, aby zmniejszyć moc lasera i skutecznie odbijać światło, aby zapewnić optymalny ciąg i odprowadzanie ciepła generowanego przez impulsy laserowe.

Bargatin mówi, że jeśli ostatnia część nie zostanie załatwiona, może dosłownie płynąć połączenie w kosmosie.

„Możesz wymyślić szereg materiałów. Grubość tego materiału i krzywoliniowa geometria pozwolą żaglowi przezwyciężyć naciski, dla których obecnie projektujemy” – powiedział Bargatin, zauważając, że jego zespół szuka głównie materiału zwanego molibdenem. dwusiarczek.

Jednak w ogólnym schemacie rzeczy zbudowanie masywnej matrycy laserowej, która wysyłałaby wiązkę światła do przodu, byłaby poważną przeszkodą. Badacze zajmujący się komunikacją kosmiczną wciąż zastanawiają się, jak uzyskać informacje z sondy mikroczipowej przymocowanej do żagla optycznego, mówi Bargatin.

Jeśli mechanizm Breakthrough Starshot pewnego dnia zadziała, będzie to prawdziwym świadectwem geniuszu ludzkości w nauce. Ogłaszając wspaniałe cele organizacji sześć lat temu, Pomnik Hawkinga:

„Myślę, że to, co czyni nas wyjątkowymi, to przekraczanie naszych granic. Grawitacja przygwoździła nas do ziemi, ale właśnie poleciałem do Ameryki. Straciłem głos, ale nadal mogę mówić dzięki mojemu urządzeniu do syntezy głosu. te ograniczenia?”

Naszymi umysłami i naszymi maszynami.