Breakthrough Starshot

Gościnny tekst Mateusza Wielgosza, autora bloga Węglowy Szowinista.

Wysyłanie sond do najbliższych gwiazd z reguły traktujemy jako domenę science-fiction. Jest jednak pewien projekt, który ma na celu wysłanie właśnie takiej misji do najbliższych gwiazd w ciągu jednego pokolenia. Breakthrough Starshot, zainicjowany przez Yuri Milnera, rosyjsko-izraelskiego fizyka-miliardera, dąży do wysłania w kosmos nano-sond z szybkością nawet 20% prędkości światła. Gdyby osiągnąć ten cel, sonda mogłaby dotrzeć do Proximy Centauri w dwie dekady a dane otrzymalibyśmy po kolejnych czterech latach.

Ćwierć wieku to nic w porównaniu z typowymi oszacowaniami, że przy użyciu współczesnych technologii wysłanie takiego np. Voyagera do najbliższej gwiazdy zajęłoby dziesiątki tysięcy lat. Poniżej przyjrzymy się jakie elementy są konieczne by Breakthrough Starshot mógł powstać i na ile są one realistyczne w świetle dzisiejszej technologii.

Bohaterem misji ma być StarChip (a raczej wiele StarChipów). Sondy te mają mieć rozmiar rzędu centymetra i masę około jednego grama. Skrajna miniaturyzacja jest absolutnie konieczna, jeśli chcemy coś rozpędzić do tak bezprecedensowych prędkości. Masa jest zmorą w podboju kosmosu. W typowej rakiecie paliwo stanowi ponad 90% masy. Metodą ominięcia tego problemu jest żagiel słoneczny. To duża, lekka powierzchnia, którą popycha ciśnienie światła słonecznego (fotony może nie mają masy, ale mają pęd). W przypadku projektu Breakthrough Starshot światło naszej gwiazdy byłoby jednak niewystarczające. Żagiel oświetli potężna bateria naziemnych laserów, dzięki czemu sonda zostanie w krótkim czasie rozpędzona do kolosalnej prędkości. Żagle słoneczne pozwalają pozbyć się paliwa i silników – ogromnej masy którą normalnie trzeba by zabrać ze sobą.

Co musi i co może znaleźć się w sondzie ważącej tyle co spinacz do papieru? Chyba oczywiste, że skoro jeśli chcemy zbadać w ten sposób inne układy gwiezdne będziemy chcieli zobaczyć ich zdjęcia. W 2021 naukowcy z uniwersytetów w Princeton i Waszyngtonie skonstruowali aparat wielkości ziarnka soli (pół milimetra), który może konkurować ze zwykłymi aparatami. Urządzenie działa zgoła inaczej od zwykłych aparatów. Jego kluczowym elementem jest tak zwana meta-powierzchnia zawierająca półtora miliona drobnych nanostruktur działających jak optyczne anteny. Specjalne algorytmy budują obraz na podstawie tego jak wspomniane anteny reagują na światło. Taka miniaturyzacja, może wspomóc medycynę na przykład dając nam mniejsze i bezpieczniejsze aparaty endoskopowe. Czas pokaże czy będą mogły znaleźć zastosowanie w nano-sondach. Zdjęcia obiektów astronomicznych, wykonywane przy ogromnych prędkościach oznaczają dość ekstremalne warunki.

Raczej nikogo nie trzeba przekonywać, że miniaturyzacja w elektronice przyprawia zawrót głowy. Współcześnie mikrokontrolery o rozmiarze 2mm x 2mm są normą i znajdują się w niezliczonych urządzeniach. W tak małej kostce można znaleźć procesor, pamięci RAM i ROM, zegar, kontrolery wejścia i wyjścia. Nie jest zatem przesadą nazywanie ich kompletnym komputerem. Mówimy tu o masowo produkowanych elementach, a nie o najbardziej pionierskich technologiach. IMB w zeszłym roku ogłosił wyprodukowanie procesora w technologii 2-nanometrów (obecny standard to 7- i 10-nanometrów). Oczywiście na potrzeby wieloletniego działania w przestrzeni kosmicznej elektronika musi spełniać wyśrubowane wymogi (więc wady tak małych tranzystorów mogą wykluczyć ich wykorzystanie w nano-sondach), widać jednak, że elektronika nie powinna być wąskim gardłem projektu Breaktrhough Starshot.

Zasilanie załatwi bateria betawoltaiczna, typ baterii jądrowej, który świetnie nadaje się do miniaturyzacji. Nie należy jej mylić z radioizotopowym generatorem termoelektrycznym (RTG), którą możecie kojarzyć chociażby z marsjańskich łazików. W przypadku Curiosity i Perseverence rozpad pierwiastków promieniotwórczych wydziela ciepło i dopiero to ciepło zamieniane jest na energię elektryczną. W przypadku betawoltaiki zasada działania przypomina bardziej baterie słoneczne ale zamiast fotonów światła wykorzystywane jest promieniowanie jonizujące. Takie baterie mogą stanowić stabilne źródło energii nawet przez tysiące lat. Bateria o masie 150 miligramów nie oferuje wielkiego napięcia ale powinno wystarczyć dla StarChipów.

Wielkim wyzwaniem bez wątpienia będzie przesył danych na Ziemię. Laserowa komunikacja w kosmosie była testowana już wielokrotnie. W 2013 sonda LADEE przesłała dane na odległości 385 000 kilometrów pomiędzy Ziemią a Księżycem z prędkością 622 megabitów na sekundę. Jednak StarChip musi przesłać dane na dystansie jakieś sto milionów razy większym, dysponując ułamkiem energii i rozmiaru urządzeń LADEE. W publikacji “A Starshot Communication Downlink” autor rozważa 100-Watowy laser podczerwony, gdzie odbiornikiem byłby trzydziestometrowy teleskop. Uwzględniając szumy, straty, efekty relatywistyczne itd., mógłby odbierać dane z prędkością około 260 bitów na sekundę (8 gigabajtów danych w ciągu roku). Plus jest taki, że Starshot jest misją przelotową i a Alfa Centauri porusza się względem układu słonecznego, więc po minięciu gwiazdy w ciągu pierwszych dni lub tygodni sonda wyszłaby częściowo z jej blasku co znacznie zmniejszyłoby szumy.

Niestety, prawdopodobnie maksymalne na co będzie można sobie pozwolić na pokładzie StarChipa to laser jednowatowy, używający żagla słonecznego do skupienia wiązki. Dość futurystyczne pomysły zakładają nawet, że po dotarciu do celu żagiel przybierałby specjalny kształt “soczewki Fresnela”. Daje to szanse, że jedna dziesięciobiliardowa (10-14) mocy sygnału byłaby odbierana na Ziemi.

Żeby wykonać zdjęcia i wysłać dane w odpowiednim kierunku StarChip musi być w stanie zmieniać swoją orientację w przestrzeni. Mimo swojego małego rozmiaru dwudziestoletnia podróż będzie obfitować w kolizje z pyłem międzygwiezdnym. Ponadto drobne korekty są nieuniknione, kiedy chcemy trafić spinaczem w cel odległy o kilka lat świetlnych. W tym celu twórcy zakładają napęd fotonowy w postaci czterech jednowatowych diod laserowych. Jakkolwiek futurystycznie może to brzmieć, prototypy takiego napędu były testowane w laboratoriach. Nie prędko jednak znajdą zastosowanie gdzieś indziej niż w przypadku tak leciutkich sond.

Przejdźmy teraz do żagla słonecznego. Zakładany rozmiar to 4 na 4 metry. Według założeń powinien zostać oświetlony przez potężną baterię naziemnych laserów (o nich za chwilę) tak by w ciągu 10 minut osiągnąć prędkość przelotową 20% prędkości światła. Materiał musi odbijać jak najwięcej światła i pochłaniać jak najmniej, żeby nabrać prędkości i nie ulec stopieniu. W tym przypadku będziemy tak w zasadzie mówić o żaglu laserowym a nie słonecznym. To otwiera spore możliwości, bo o ile trudno o lustro, które odbija 99,999% padającego nań światła, tak całkiem istnieją powierzchnie które mogą odbijać 99,999% fotonów o bardzo precyzyjnie dobranej długości fali światła. Alternatywnym podejściem może być też powierzchnia która nie odbija aż tak dużej części promieniowania, ale je przepuszcza, co również zapobiegnie stopieniu żagla.

Wyzwaniem może być masa. Współczesne żagle słoneczne ważą po kilka-kilkanaście gramów na metr kwadratowy, nie zaskoczy Was pewnie, że w rozważaniach proponentów Breaktrhough Starshot wspomina się o potencjalnym użyciu grafenu przez co masa mogłaby zmniejszyć się do mikrogramów na metr kwadratowy… Ponadto rozważają wykorzystanie “powierzchni kaustycznych” (pozwólcie, że nie będziemy wchodzić w zagadnienie hiperpowierzchni i metamateriałów) – dziur w jednej z warstw żagla, które jednocześnie zmniejszą masę i zwiększą współczynnik odbicia żagla.

To jednak dość futurystyczne rozważania na ten moment. Ponadto jeśli rozpędzamy żagiel do tak ogromnej prędkości, odczuwalne będą efekty relatywistyczne – z perspektywy żagla laser będzie stawał się “coraz bardziej czerwony” więc materiał nie będzie mógł być dostosowany do zbyt wąskiego zakresu światła.

Na deser zostaje kwestia rozpędzenia sondy. W tym celu na powierzchnię żagla ma trafić około jednego teradżula energii w ciągu dziesięciu minut. Lasery podczerwone mogą całkiem nieźle przebić się przez atmosferę Ziemi (zachowując 90% mocy), jeśli umieścić je wystarczająco wysoko (~kilka kilometrów nad poziomem morza). Współczesne teleskopy zademonstrowały już precyzję ustawienia większą niż potrzebna byłaby laserom (0.4 milisekundy kątowe) by trafić wiązką w żagiel o wymiarach 4×4 metry z odległości 2 milionów kilometrów.

Współczesne lasery wojskowe, choć nie są w powszechnym użytku, mogą prowadzić długotrwały ogień i mają moc rzędu megawata. Wystarczyłoby, bagatela, kilkaset sztuk (poniżej tysiąca), zasilanych przez sporą elektrownię, by dostarczyć odpowiedniego kopa StarChipowi i wysłać go w trwającą ćwierć wieku wyprawę…

Wszystko to kolosalny skrót, bardzo ogólnej propozycji. Warto mieć świadomość, że diabeł będzie tkwić w każdym szczególe. Precyzyjne właściwości żagla laserowego mogą wymagać doskonałego napięcia jego powierzchni, promieniowanie kosmiczne może wpływać na elektronikę, więc najmniejsza architektura tranzystorów w procesorach może nie wchodzić w grę, trzeba będzie zadbać o to, by rozpędzając żagiel nie spalić StarChipa, komplikacje będą się piętrzyć… Mimo wszystko, Breakthrough Starshot brzmi “jedynie” jak coś niesamowicie ambitnego, a nie jak coś nierealnego. Warto pomyśleć o technologii jaką ludzkość dysponowała w czasach programu Apollo.

W 2019 prekursory StarChipów, płytki 3,5 na 3,5 centymetra, ważące 4 gramy, trafiły na orbitę. Nie wiadomo zbyt wiele, ale przez trzy dni między 18 a 21 marca funkcjonowały i przesyłały dane z orbity na Ziemię. Były wyposażone w panele słoneczne, miniaturowe komputery, czujniki i nadajniki. Choć w porównaniu z docelowym StarChipem to wielkie, toporne kloce, gdzieś trzeba zacząć.

Gościnny tekst Mateusza Wielgosza, autora bloga Węglowy Szowinista.

Źródła:

• https://arxiv.org/abs/1604.01356 (A Roadmap to Interstellar Flight) dokument “założycielski” projketu.
• https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1604/1604.01356.pdfhttps://breakthroughinitiatives.org/challenges/3 – strona poświęcona projektowi, przegląd najważniejszych wyzwań, każde z komentarzem, linkami do powiązanych publikacji oraz dyskusją.
• https://light.princeton.edu/publication/neural-nano-optics/https://www.cnet.com/news/sending-tiny-spacecraft-to-alpha-centauri/ (KickSat)
• https://www.theguardian.com/science/2017/jul/28/breakthrough-starshot-successfully-launch-worlds-smallest-spacecraft