5 grandi domande sulla tecnologia Starshot Nanocraft

Martedì il miliardario russo Yuri Milner e il famoso astrofisico Stephen Hawking hanno annunciato il loro piano da 100 milioni di dollari per studiare Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino alla Terra (solo 4,3 anni luce di distanza). L'obiettivo, tra le varie ricerche scientifiche, è di scoprire se gli alieni esistono in quel collo dei boschi, o almeno se ci sono pianeti o lune nel sistema in grado di sostenere la vita.

Chiamato the Breakthrough Starshot, il progetto consiste nell'invio di veicoli spaziali ultraleggeri (soprannominati "StarChips") diretti ad Alpha Centauri trasportati da un fanale proiettato da un raggio di 100 gigawatt.

Questa è solo la punta dell'iceberg. L'intero piano si presenta come un genio pazzo o semplicemente pazzo. Più ci si scava, tuttavia, sempre più sembra che il piano di Milner e del suo equipaggio sia effettivamente fattibile.

Questo perché la tecnologia che stanno proponendo non è in realtà lontana dal regno delle possibilità. Allunga certamente l'immaginazione, ma non la infrange. La tecnologia del lightsail è già stata testata da numerosi gruppi di ricerca, tra cui uno organizzato da Bill Nye. L'aumento di CubeSats come un modo economico ed efficiente per condurre ricerche spaziali ha dimostrato quanto si possa guadagnare creando veicoli spaziali più piccoli e leggeri. Nanocrafts come lanciato da Starshot è solo un passo logico in quella direzione.

Eppure, ci sono abbondanza Di domande che rimangono su come diavolo Milner, Hawking, e anche il fondatore di Facebook Mark Zuckerberg (un investitore) stanno per tirare fuori questo. Ecco le cinque domande più importanti sulla tecnologia delle nanotecnche e il sistema di lancio del fascio di luce - e alcune risposte che potrebbero fornire alcune informazioni.

I fasci di luce come tecnologia di propulsione - spiega per favore!

Il piano Starshot di lanciare questi bambini nanocraft non usa carburante e fuoco - usa luce e laser. I laser ad alta potenza e focalizzati sono stati una fonte di intrighi per gli ingegneri di propulsione ormai da decenni, ma è solo di recente che possiamo finalmente concepire l'utilizzo di tale tecnologia in diverse applicazioni, tra cui lo spostamento di detriti orbitali fuori dal percorso dei satelliti critici. Dopo tutto, la luce è un'energia capace di esercitare la forza su un sistema.

Questa è la parola chiave, però: concepire. Dobbiamo ancora costruire un raggio laser in grado di sparare a un altro oggetto in spazio attraverso la pura forza dei fotoni. Gli scienziati stanno lavorando su tecnologie di propulsione ibride che utilizzerebbero laser in combinazione con metodi più convenzionali, ma non come unico propellente.

Potresti dire "ma allora come si suppone che una vela solare lavori nello spazio?" Bene, la tecnologia della vela solare richiede l'uso dei fotoni prodotti dai raggi del sole per spingere la vela (e la sua navicella spaziale) in avanti. La vela arriva allo spazio alla maniera antiquata: i razzi.

Starshot sostiene che un proiettore luminoso - una serie di laser installati su una scala di un chilometro - potrebbe potenzialmente fornire fino a 100 gigawatt di energia irradiata. Non useremmo un laser ultra-grande, ma molti più piccoli. Forse milioni o centinaia di milioni.

Potrebbe essere una forza sufficiente per far uscire le nanotecnche dall'atmosfera terrestre e dalla forza di attrazione gravitazionale? Può essere. Milner pensa che Starshot abbia una migliore possibilità impostando la rampa di lancio in un ambiente di alta quota, come il deserto di Atacama. (Qui ci sono quattro suggerimenti che abbiamo fatto oggi.) È anche relativamente abbastanza asciutto da ridurre la probabilità che il vapore acqueo possa accumularsi e creare un peso aggiuntivo sull'astronave o ostacolare la forza del laser mentre spinge la navicella verso l'alto.

Se tutto andrà bene, le sonde si dirigeranno verso Alpha Centauri a 100 milioni di miglia all'ora e raggiungeranno il sistema entro 20 anni.

Lightsails sono super sottili e super delicati. Come può questa cosa sopravvivere al lancio? Come è possibile sopravvivere alle rocce e alla polvere che gira intorno allo spazio per vent'anni?

Un lightsail è costituito da un metamateriale ultrasottile (un termine catchall che si riferisce a materiali sperimentali) progettato per prelevare fotoni in arrivo da una fonte di luce e usarli come una forza di pressione che viene esercitata sulla vela stessa. Di conseguenza, la vela è in grado di avanzare e persino accelerare a velocità molto più elevate.

Come ho già detto, i lightsails non sono nuovi. Bill Nye e la Planetary Society hanno lavorato a un progetto di lightsail che cerca di dimostrare la fattibilità di una tale tecnologia come un progetto di propulsione spaziale efficiente dal punto di vista dei costi. La NASA sta lanciando il Near-Earth Asteroid Scout (NEA Scout) nel 2018 a bordo Orion per la missione inaugurale per lo Space Launch System, che si farà strada verso un vicino asteroide attraverso una vela solare espandibile.

Entrambe queste spie luminose si imbattono nello stesso problema di collisione con polvere interstellare e detriti che potrebbero bucare la vela e far deragliare il tutto. Questa è una possibilità abbastanza distinta, ma è limitata da un paio di considerazioni.

Primo: lo spazio è grande. Ci sono molti pezzi di materia che galleggiano, ma non è come qui sulla Terra, dove le particelle nell'aria sono ovunque giriamo. Gli oggetti nello spazio sono a chilometri di distanza - da un minimo di 10 ad un massimo di milioni, ma comunque a miglia. La possibilità di colpire qualcosa - mentre reale - è ancora relativamente remota.

In secondo luogo, queste vele sono state specificamente progettate per rimanere relativamente solide sotto danno. Prendi il NEA Scout, per esempio. La NASA ha testato quanto bene il suo lightsail può mantenere l'integrità strutturale anche se viene colpito con qualche pezzo di junk spaziale qua e là. Finché non c'è una ferita catastrofica (come, per esempio, un asteroide delle dimensioni del Texas che si insinua nella navicella spaziale), il NEA Scout può ancora avanzare e manovrarsi su comandi della NASA.

I nanocrafts di Starshot devono affrontare anche questi problemi. Si prevede che i loro proiettili si estendano a qualcosa sulla scala di pochi metri, quindi saranno piuttosto piccoli. Ma avranno solo poche centinaia di atomi e avranno una massa di circa un grammo. Sono abbastanza piccoli da evitare quasi tutti i tipi di oggetti in arrivo che galleggiano nello spazio, ma nelle sfortunate probabilità di essere colpiti, l'intero veicolo spaziale verrà probabilmente distrutto. E non sappiamo quasi nulla del contenuto di polvere in Alpha Centauri.

Ma c'è un grosso problema che la nanocraft da solo deve affrontare - non cadere a pezzi durante il lancio del raggio di luce. Ci si aspetta che la vela venga colpita da un raggio che ammonterà a circa 60 volte la luce solare che colpisce la Terra in un dato momento. La vela non deve solo evitare di sciogliersi, ma anche di entrare nello spazio senza essere ridotta a brandelli dalle forze atmosferiche. Si stima che una parte su 100.000 del laser sarebbe più che sufficiente per far evaporare la vela. Questo non è mai stato fatto prima. Non si può dire quanto testare il progetto Starshot dovrà condurre prima di ottenere questa parte giusta.

Come funziona la StarChip? Quali tipi di dati è necessario raccogliere?

Le StarChips - essendo costruite sulla scala di un grammo e in grado di stare nel palmo della mano - non saranno il sistema all'avanguardia che qualcosa come il rover Curiosity o il Kepler Space Telescope ci hanno aiutato studiare diversi mondi nello spazio. Saranno molto di base. L'obiettivo è quello di attaccare sul chip quattro telecamere (due megapixel ciascuna) che permetteranno l'imaging molto elementare di Alpha Centauri e dei diversi pianeti e satelliti del sistema.

Questi dati verrebbero trasmessi sulla Terra usando un'antenna retrattile lunga un metro, o forse persino usando il satellite per facilitare le comunicazioni basate sul laser che potrebbero focalizzare un segnale verso la Terra.

Sembra abbastanza standard. Quali sono esattamente le immagini che dovrebbero mostrarci?

Qui sta un altro sconosciuto. Quando gli astronomi valutano il potenziale di altri mondi per essere abitabile, stanno osservando un gran numero di dati diversi, che vanno dalla temperatura del pianeta, la composizione, la distanza dalla loro stella ospite, i segni di un'atmosfera attuale - e molto altro ancora. Molte di queste cose sono misurabili solo attraverso diversi tipi di telecamere che possono vedere attraverso lo spettro elettromagnetico. Le nanocrafts a questo punto funzionerebbero con telecamere non troppo diverse da quelle che usiamo sui nostri smartphone. Ciò è a malapena utile per capire veramente se un pianeta o una luna possano sostenere qualsiasi tipo di vita o che stia già esibendo segni di vita.

Tuttavia, quando si considera l'obiettivo è di inviare più piccoli veicoli spaziali verso un sistema distante che sia multiplo lontano anni luce in meno di due decenni, devi tagliare i costi da qualche parte.

Anche se questa cosa sopravvive al viaggio verso Alpha Centauri, come dovrebbe vivere abbastanza a lungo da raccogliere abbastanza dati utili?

La longevità è cruciale per il progetto Starshot. Il nanocraft deve rimanere alimentato per diversi decenni per sfruttare appieno il proprio potenziale di ricerca. A tal fine, l'iniziativa Breakthrough propone una fonte di energia a bordo basata sul plutonio-238 o sull'americio-241, del peso di non più di 150 milligrammi.

Fondamentalmente, quando l'isotopo del plutonio o dell'americio decade, carica un ultra-condensatore che attiva i componenti di StarChip necessari per scattare foto e trasmetterle sulla Terra. Una fonte di energia termoelettrica potrebbe anche essere implementata per sfruttare le temperature della superficie frontale nanocrafts che aumentano man mano che inizia ad avvicinarsi alle atmosfere di altri mondi.

Anche il fotovoltaico, che trasforma la luce solare in energia, è allo studio. Un prototipo di una vela solare che è stato testato dal Giappone circa sei anni fa, IKAROS, ha dipinto la superficie della sua vela solare con un fotovoltaico. Questo è poco pratico quando la nanocraft finalmente esce dai confini del sistema solare, ma potrebbe essere utile per quella durata per risparmiare ancora più energia della batteria.

La grande domanda è se è possibile mantenere tali materiali economici convenienti da 20 a 50 anni. In uno scenario ideale, probabilmente è più probabile che ogni nanocraft raccolga dati per un periodo di tempo relativamente breve, circa qualche mese. Se Milner e la compagnia sono davvero impegnati nella produzione di massa di queste cose, allora non dovrebbero avere problemi a mandare un gruppo in ogni direzione per esplorare il più possibile su Alpha Centauri. Aspettarsi che ognuno lavori per anni è quasi impossibile se non possiamo intervenire direttamente e spostare i loro movimenti in nuove direzioni.

Costo

L'obiettivo dichiarato di Milner è quello di rendere ogni nanocraft circa il costo necessario per costruire un iPhone. Ogni combinazione di SmartChip e lightsail non dovrebbe superare le poche centinaia di dollari e l'obiettivo è continuare ad aggiungere tecnologie migliori man mano che diventano sempre meno costose nel corso degli anni.

In realtà, la parte più costosa (e probabilmente meno fattibile) di questo progetto è il raggio di luce. Stiamo parlando di circa 100 gigawatt di energia per due minuti al fine di sparare quella dannata cosa. Un singolo gigawatt può alimentare 700.000 case. Quindi è sufficiente per 70.000.000 di case.

Questo è sufficiente per il potere di mantenere più piccoli paesi in corso. Questo è 100 volte la quantità prodotta da una tipica centrale nucleare. È incredibile persino immaginare come riusciranno a raccogliere tutta questa energia in un unico posto per lanciare un mucchio di nanocrafts nello spazio.

Secondo un commentatore del sito Web Breakthrough, il costo totale di un raggio di luce può essere di $ 70.000.

Sì, vedremo su questo …