«Постріл до зірок»
Отже, міжзоряний зонд буде являти собою космічний вітрильник з електронним модулем StarChip масою 1 г, сполученим надміцним стропами з сонячним вітрилом площею 16 м 2. товщиною 100 нм і масою 1 м Звичайно, світла нашого Сонця недостатньо, щоб розігнати навіть настільки легку конструкцію до швидкостей, при яких міжзоряні подорожі не будуть тривати тисячоліттями. Тому головна родзинка проекту StarShot - це розгін за допомогою потужного лазерного випромінювання, яке фокусується на вітрилі. За оцінками Любина, при потужності лазерного променя 50-100 ГВт прискорення складе близько 30 000 g, і за кілька хвилин зонд досягне швидкості в 20% швидкості світла. Політ до Альфи Центавра триватиме близько 20 років.
Питання без відповідей: хвиля критики
Філіп Любін в своїй статті наводить чисельні оцінки пунктів плану, однак багато вчених і фахівці відносяться до цих даних досить критично.
Звичайно, для опрацювання такого амбіційного проекту, як Breakthrough Starshot. потрібні роки роботи, та й $ 100 млн - не така вже й велика сума для роботи подібного масштабу. Особливо це стосується наземної інфраструктури - фазированной решітки лазерних випромінювачів. Установка такої потужності (50-100 ГВт) зажадає гігантської кількості енергії, тобто поряд потрібно буде побудувати як мінімум десяток великих електростанцій. Крім цього, потрібно відводити від випромінювачів величезна кількість тепла протягом декількох хвилин, і як це робити - поки що зовсім неясно. Таких питань без відповідей в проекті Breakthrough Starshot величезна кількість, однак поки що робота тільки розпочалася. «До наукової ради нашого проекту входять провідні фахівці, вчені та інженери в різних релевантних областях, включаючи двох нобелівських лауреатів, - каже Юрій Мільнер. - І я чув дуже збалансовані оцінки реалізованості цього проекту. При цьому ми, безумовно, розраховуємо на сукупну експертизу всіх членів нашого наукового ради, але в той же час відкриті для більш широкої наукової дискусії ».
Під зоряними вітрилами
сонячне вітрило
Один з головних елементів проекту - сонячне вітрило площею в 16 м 2 і масою всього 1 м Як матеріал вітрила розглядаються багатошарові діелектричні дзеркала, що відображають 99,999% падаючого світла (за попередніми розрахунками цього повинно вистачити, щоб вітрило не розплавиться в поле випромінювання 100- ГВт лазера). Більш перспективний підхід, що дозволяє зробити товщину вітрила меншої довжини хвилі відбитого світла, - це використання в якості основи вітрила моношару метаматериала з негативним показником заломлення (такий матеріал до того ж має наноперфорація, що ще зменшує його масу). Другий варіант - це використання матеріалу не з високим коефіцієнтом відображення, а з низьким коефіцієнтом поглинання (10 -9), такого, як оптичні матеріали для світловодів.
«Крім того, потрібно враховувати, що відображення від діелектричних дзеркал налаштовується на вузький діапазон довжин хвиль, а в міру прискорення зонда ефект Доплера зрушує довжину хвилі більш ніж на 20%, - говорить Любін. - Ми це враховували, тому відбивач буде налаштований приблизно на двадцятивідсоткову ширину смуги випромінювання. Ми спроектували такі відбивачі. Якщо необхідно, доступні і відбивачі з більшою шириною смуги ».
Для збереження форми вітрила передбачається підсилювати його графеном. Деякі композитні матеріали на основі графену можуть скорочуватися під дією прикладеної електричної напруги для активного управління. Для стабілізації вітрило можна розкрутити або надати йому форму зворотного конуса для пасивної самостабілізації в поле лазерного випромінювання.
Лазерна установка
Основна силова установка зорельота не полетить до зірок - вона буде розташована на Землі. Це наземна фазіруемая решітка лазерних випромінювачів розміром 1 × 1 км. Сумарна потужність лазерів повинна становити від 50 до 100 ГВт (це еквівалентно потужності 10-20 Красноярські ГЕС). Передбачається за допомогою фазирования (тобто зміни фаз на кожному окремому випромінювачі) сфокусувати випромінювання з довжиною хвилі 1,06 мкм з усією решітки в пляма діаметром кілька метрів на відстанях аж до багатьох мільйонів кілометрів (гранична точність фокусування 10 -9 радіана). Але такий фокусуванні сильно заважає турбулентна атмосфера, розмиває промінь в пляма розміром приблизно в кутову секунду (10 -5 радіана). Покращення на чотири порядки передбачається досягти за допомогою адаптивної оптики (АТ), яка буде компенсувати атмосферні спотворення. Кращі системи адаптивної оптики в сучасних телескопах зменшують розмиття до 30 кутових мілісекунд, тобто до наміченої мети залишається ще приблизно два з половиною порядку. «Щоб перемогти дрібномасштабними атмосферну турбулентність, фазіруемая решітка повинна бути розбита на дуже дрібні елементи, розмір випромінюючого елемента для нашої довжини хвилі має становити не більше 20-25 см, - пояснює Філіп Любін. - Це мінімум 20 млн випромінювачів, але таку кількість мене не лякає. Для зворотного зв'язку в системі АТ ми плануємо використовувати багато опорних джерел - бакенами - і на зонді, і на материнському кораблі, і в атмосфері. Крім того, ми будемо відстежувати зонд на шляху до мети. Ми також хочемо використовувати зірки як бакен для настройки фазирования решітки при прийомі сигналу від зонда після прибуття, але для надійності будемо відстежувати зонд ».
Міжзоряний політ - питання не століть, а десятиліть
Юрій Мільнер,
російський бізнесмен і меценат,
засновник фонду Breakthrough Initiatives: За останні 15 років відбулися істотні, можна сказати, революційні просування по трьом технологічним напрямками: мініатюризація електронних компонентів, створення нового покоління матеріалів, також здешевлення і збільшення потужності лазерів. Поєднання цих трьох тенденцій призводить до теоретичної можливості розігнати наносупутник до майже релятивістських швидкостей. На першому етапі (5-10 років) ми плануємо провести більш поглиблене науково-інженерне дослідження, щоб зрозуміти, наскільки цей проект реалізуємо. На сайті проекту є список з приблизно 20 серйозних технічних проблем, без вирішення яких ми не зможемо йти далі. Це не остаточний список, але, спираючись на думку наукової ради, ми вважаємо, що перший етап проекту має достатню мотивацію. Я знаю, що проект зоряного вітрила піддається серйозній критиці з боку фахівців, але думаю, що позиція деяких критично налаштованих експертів пов'язана з не зовсім точним розумінням того, що ж ми реально пропонуємо. Ми фінансуємо не поле до іншої зірки, а цілком реалістичні багатоцільові розробки, пов'язані з ідеєю міжзоряного зонда лише загальним напрямком. Ці технології знайдуть застосування і для польотів в Сонячній системі, і для захисту від небезпечних астероїдів. Але постановка такої амбітної стратегічної мети, як міжзоряний політ, видається виправданою в тому сенсі, що розвиток технологій за останні 10-20 років, ймовірно, робить реалізацію подібного проекту питанням не століть, як багато хто припускав, а скоріше - десятиліть.
З іншого боку, фазированная решітка оптичних випромінювачів / приймачів випромінювання загальною апертурою в кілометр - це інструмент, здатний бачити екзопланети з відстані десятків парсек. Використовуючи приймачі з перебудовується довжиною хвилі, можна визначити склад атмосфери екзопланет. Чи потрібні взагалі в такому випадку зонди? «Звичайно, використання фазіруемой решітки як дуже великого телескопа відкриває нові можливості в астрономії. Але, - додає Любін, - ми плануємо додати до зонду інфрачервоний спектрометр як тривалішої програми на додаток до камери і іншим датчикам. У нас відмінна група фотоніки в Каліфорнійському університеті в Санта-Барбарі, яка є частиною колаборації ».
Але в будь-якому випадку, за словами Любина, перші польоти будуть відбуватися в межах Сонячної системи: «Оскільки ми можемо посилати величезну кількість зондів, це дає нам багато різних можливостей. Ми також можемо посилати подібні маленькі (wafer-scale. Тобто на чіпі) зонди на звичайних ракетах і використовувати ті ж технології для вивчення Землі або планет і їх супутників в Сонячній системі ».
польотний план
- Ракета виводить на навколоземну орбіту материнський корабель, який містить десятки, сотні, тисячі або десятки тисяч зондів.
- Зонди залишають материнський корабель, розгортають вітрила, орієнтуються і займають стартову позицію.
- На Землі починає працювати фазований масив розмірами 1 × 1 км з 20 млн невеликих (з апертурою в 20-25 см) лазерних випромінювачів, що фокусує лазерний промінь на поверхні вітрила.
- Для компенсації атмосферних спотворень використовуються опорні бакени - «штучні зірки» у верхніх шарах атмосфери, на материнському кораблі, а також відбитий сигнал від вітрила.
- Зонд розганяється лазерним променем протягом декількох хвилин до 20% від швидкості світла, прискорення при цьому досягає 30 000 g. Протягом усього польоту, який триватиме близько 20 років, лазер періодично відстежує становище зонда.
- Після прибуття до мети, в систему Альфа Центавра, зонди намагаються виявити планети і зробити їх знімки під час прольоту.
- Використовуючи вітрило як лінзу Френеля і лазерний діод як передавач, зонд орієнтується і передає отримані дані в напрямку Землі.
- Через п'ять років на Землі приймають ці дані.