Как долететь до Альфы Центавра. Технические подробности
Не так давно Мильнер и Хокинг нашумели анонсом своего проекта Breakthrough Starshot. Проект стоит $100 млн, которые будут потрачены на исследование технической возможности полета до Альфы Центавра. Инженерная и исследовательская фаза продлятся некоторое количество лет, после чего разработка самой миссии полета к Альфе Центавра потребует бюджета крупнейшего на сегодня научного эксперимента.
Итак, что же известно на данный момент от разработчиков проекта?
Проект Breakthrough Starshot, по словам авторов, — это попытка подойти к космическим путешествиям со стороны Кремниевой Долины.
Он предполагает постройку массива лазеров в высокогорных районах Земли, и создание специальных нанокрафтов — массива космических фемтоспутников, которые разгоняются излучением этих лазеров.
Компоненты системы
Нанокрафты — это роботизированные космические корабли массой порядка граммов, состоящие из двух частей:
Электронный модуль StarChip: Закон Мура позволил значительно уменьшить в размерах электронные компоненты. Это позволяет создать граммовые устройства, несущие на себе камеры, фотонные подруливатели, питание, навигационное и коммуникационное оборудование, представляющие собой полностью функциональный космический зонд. При этом стоимость этих зондов при массовом производстве будет равна стоимости смартфона.
Солнечный парус. Достижения в области нанотехнологий позволили создавать невероятно тонкие и легкие метаматериалы. Это обещает возможность создания метровых парусов толщиной в сотни атомов и массой порядка граммов.
Лазерные излучатели
Последние годы рост мощности лазеров и падение их стоимости подчиняется закону Мура. Это позволяет создать специальные фазовые массивы лазеров («light beamer»), мощностью до 100 гигаватт.
Всего проект Breakthrough Starshot потребует:
— Постройки в высокогорных районах километрового массива лазерных излучателей.
— Генерации и хранения нескольких гигаватт-час энергии для каждого запуска
— Запуск «материнского корабля», который выведет на высокую орбиту тысячи нанокрафтов
— Использования возможностей адаптивной оптики в реальном времени, для компенсации атмосферных явлений
— Фокусировки луча света на световом парусе в течение нескольких минут для разгона нанокрафтов до необходимой скорости (20% от скорости света)
— Учета влияния столкновений с межзвездной пылью в пути
— Захвата изображения планет, передачи другой научной информации на Землю с помощью бортовой лазерной коммуникационной системы
— Использования лазерных излучателей для получения данных с нанокрафтов более 4 лет спустя
Некоторые из этих требований представляют собой значительные инженерные вызовы, которые предстоит решить команде проекта. Предлагаемая лазерная двигательная система по своим масштабам значительно превосходит все работающие сегодня аналоги. Сама суть проекта предполагает глобальную кооперацию и взаимодействие.
Технические особенности проекта
Концепт системы из нанокрафтов, лазерных излучателей и электронного модуля StarChip — это, на сегодня, самый правдоподобный и реалистичный способ запустить миссию к Альфе Центавра в нашем поколении. Ключевые элементы предлагаемой конструкции системы основаны на технологиях которые уже имеются, либо будут доступны в ближайшем будущем, при разумных предположениях.
Команда ученых-экспертов проекта не видит технически нереализуемых вещей. Но, как и при любом «полете на Луну», существуют инженерные вызовы, которые предстоит преодолеть.
Авторы проекта перечислили (eng) проблемы и особенности миссии:
Электронный модуль StarChip
4 фотонных двигателя малой тяги
Лазерные диоды на 1 Ватт массой менее грамма широко доступны сегодня по очень низкой цене. Производственные тенденции таковы, что происходит удвоение мощности лазеров при той же массе каждые два года. Можно ожидать что этот тренд сохранится еще некоторое время. Это поможет создать эффективные подруливатели для нанокрафтов.
4 камеры
Камеры на 2 мегапикселя, массой менее грамма доступны по низкой цене. Их развитие также подчиняется закону Мура, позволяя удваивать количество пикселей для той же массы матрицы каждые два года.
Интересны также потенциальные возможности камер, работающих по принципу плоского массива Фурье-захвата (PFCA). Они не требуют зеркал, линз и других движущихся частей. Состоят из массива полупроводниковых элементов, которые реагируют на свет в зависимости от его угла падения.
По объему PFCA могут быть в 100 тысяч раз меньше самой маленькой фокусной камеры. Впрочем, пока данная технология находится на старте своего пути.
Защитное покрытие
Специальное покрытие необходимо для защиты конструкции нанокрафтов от столкновения с частицами в межзвездном пространстве. Один из таких материалов — это бериллиево-медный сплав.
Батарея
Конструкция батареи представляет собой один из самых сложных технических вызовов проекта.
В настоящее время, в качестве основного источника энергии на борту рассматривается плутоний-238 или америций-241. На питание системы отведено 150 грамм. Сюда включена масса радиоизотопа и суперконденсатора, который будет заряжаться от ядерного распада.
Существуют также идеи воспользоваться нагревом фронтальной части поверхности нанокрафтов (из-за взаимодействия с межзвездной пылью). Тепловой источник может обеспечить подачу 6мВт на каждый квадратный сантиметр своей площади во время крейсерской фазы миссии в межзвездном пространстве.
Сам световой парус, возможно, удастся покрыть тонкой пленкой из фотоэлектрического материала, как это было сделано в японской миссии солнечного паруса IKAROS. Это может оказаться очень полезным при приближении к другой звезде на расстояние 2 астрономических единиц. На расстоянии 1 астрономической единицы подобный материал, даже обладая эффективностью всего 10%, будет способен обеспечить 2кВт мощности. Это более чем в 100 тысяч раз превышает мощность радиоактивного источника энергии, и, вероятно, позволит достигнуть значительно более высоких скоростей передачи данных по лазерной связи.
Коммуникация
Ориентация передатчика на Землю
Поиск Земли — достаточно простая задача, учитывая ее близость к Солнцу — очень яркой звезде, если смотреть со стороны Альфы Центавра.
Из-за дифракционного предела, угловой диаметр луча длиной волны 1 микрон на антенне метрового класса, составит около 0.1 угловой секунды. Ориентация такой точности может быть достигнута при использовании фотонных двигателей малой тяги.
Посылка изображений с помощью лазера, используя парус как антенну
Изображения целевых планет могут передаваться одноваттным лазером на борту, в импульсном режиме. При подходе к цели, парус будет использоваться для фокусировки лазерного сигнала.
Например, для паруса размером 4м, дифракционный предел размера пятна на Земле будет порядка 1000м1. Примерно такого же масштаба планируется делать принимающий массив антенн. Использование паруса в качестве оптической системы может потребовать разных форм паруса на старте миссии (при разгоне) и во время коммуникационной фазы. Для более эффективной передачи информации, при приближении к цели, парусу может быть придана форма линзы Френеля. Из-за доплеровского эффекта при сдвиге нанокрафтов относительно Земли, необходимо использование волны лазера короче, чем у системы запуска — это позволит поддерживать высокую скорость передачи через атмосферу нашей планеты.
Получение изображений с помощью массива лазерных излучателей
Недавние успехи группы MIL Lincoln Labs и Лаборатории Реактивного Движения показали возможность детектировать единичные фотоны, испускаемые лазером с очень больших расстояний. В настоящее время рекордсменом является система LADEE, которая способна работать на лунных расстояниях. Она использует методику криогенно охлажденных нанотрубок. Это позволяет передавать 2 бита на фотон. Система использует 10см оптику на космическом корабле и однометровый телескоп на земле.
Массив лазерных излучателей, задействованый при разгоне нанокрафтов, будет использована в инверсном режиме, как массив принимающих антенн.
Солнечный парус
Целостность паруса под тягой
На этапе исследования предполагается использование в миссии 100 гигаватного лазера. Как такое излучение повлияет на солнечный парус?
Самый совершенный отражающий материал на сегодня — это диэлектрическое зеркало — композитный материал с толщиной слоя подобранной под длину волны.
Диэлектрическое зеркало способно снижать количество поглощаемого тепла на 5 порядков, отражая 99.999% излучения.
Для лазера 100 ГВатт и паруса 4х4м — это значит что каждый квадратный метр паруса будет нагреваться энергией в 60 кВт. Это очень много — около 50 электрических чайников на полной мощности. Такую мощность рассеять излучением трудно. Но, как утверждают разработчики, это нагреет парус, но не расплавит его. Предполагается, что используя полностью диэлектрический парус с оптимизированными материалами будет возможно снизить поглощение ниже 9 порядков от приходящего излучения.
Рассматриваются варианты использования новых материалов вроде графена.
Возможно также использование материалов с низким поглощением, даже без высокой отражающей способности (например, стекло). Подобные материалы применяются в оптоволоконной оптике при высоких нагрузках.
Кроме защиты со стороны паруса, электроника модуля StarChip должна быть защищена от набегающего потока. Это может быть достигнуто сочетанием геометрии (ориентируя электронику «в профиль», с низким поперечным сечением) и покрытием самых важных компонентов специальной защитой. Такими покрытиями могут выступать упоминавшиеся многослойные диэлектрические решения, уже продемнострированные в лабораториях. Слабо поглощающий материал паруса вместе с ограниченным использованием высокоотражающего материала для защиты электроники, будет защищать StarChip не превышая граммового масштаба массы модуля. Для дальнейшего производства изучается конструкция из кремниевых микрокубов на подложке из диоксида кремния.
Устройство
Необходимо разработать скелет паруса, который будет держать нагрузку при разгоне устройства, быть устойчивым к взаимодействию с межзвездной средой, и будет способен менять форму паруса. В данный момент рассматривается ряд композитных материалов на основе графена, которые способны менять свою длину в зависимости от электрического напряжения, приложенного к ним. Ранее было показано, что центробежное ускорение крошечных масс по краям может натягивать парус.
Удержание на луче
Форма луча и устройства светового паруса должны быть оптимизированы для стабильности на фазе запуска. В этот период порядка 10 минут, парус получает 1 тераджоуль световой энергии. По этой причине, даже мелкие различия свойств паруса или неоднородности луча, переместят центр давления с центра масс паруса, и сместят его вектор тяги.
Современная индустрия оптических покрытий при массовом производстве смартфонов и телескопной оптики уже находится на приемлемом для миссии уровне качества. Но конечный материал паруса пока не существует и должен быть разработан.
Лазерный излучатель
Стоимость
Оценка ориентировочной стоимости лазерного массива на Земле основана на экстраполяции двух последних десятилетий, а также на перспективах удешевления при массовом производстве.
Стоимость лазерных усилителей снижается экспоненциально с 1990г по 2015г, сокращаясь вдвое каждые полтора года. Если тренд продолжится, строительство большого излучателя в ближайшие десятилетия обойдется на несколько порядков дешевле.
Пока разработчики сравнивают стоимость с крупнейшим научным проектом в мире. Это может быть, например, МКС (стоимостью $157 млрд) или экспериментальный термоядерный реактор ITER ($15 млрд).
Фаза
Для проверки возможностей системы был изучен случай с парусом метрового масштаба. Например, для фокусировки луча света на парусе 4х4м на расстоянии в 200 тысяч километров, потребуется угол фокусировки в 2 нанорадиана (0.4 угловых миллисекунд). Это дифракционный предел для километрового лазерного излучателя, работающего на длине волны в 1 микрон.
Интерферометрия для Event Horizon Telescope продемонстрировала возможность достижения суб-нанорадианной точности на длине волны 1мм.
Атмосфера
Атмосфера вводит два эффекта:
— поглощение (нарушение целостности передачи)
— снижение качества луча (размывание луча)
Передающая способность атмосферы на длине волны 1 мкм очень хороша — более 90% для объектов расположенных высоко в горах. При таком расположении установки это снизит размывание луча в атмосферой, что позволит адаптивной оптике максимально приблизиться к дифракционному пределу. Атмосферная турбулентность, которая размывает луч, примерно в 4 раза ниже на высоте 5 км, чем на уровне моря. Еще больше нивелировать действие атмосферы можно коррекцией режима работы лазерных излучателей с помощью маяка в космосе.
Проект Breakthrough Starshot хочет достичь дифракционного предела для оптических лазерных систем в 0.2–1 км. Это на 1–2 порядка лучше существующих решений, однако нет никаких фундаментальных ограничений в достижении этой цели.
Запуск:
Точность наведения на метровый парус
Лазерный излучатель должен фокусироваться в пятно на парусе меньше чем размер самого паруса на орбите 60 000 км над землей.
Наведение лазера должно быть согласовано с положением звездной системы Альфы Центавра так, чтобы пролет системы проходил в пределах двух астрономических единиц. Использование фотонных двигателей малой тяги позволит корректировать курс на 1–2 астрономических единицы.
В задаче позиционирования луча основной является проблема удержания паруса на луче. Это зависит от размеров паруса и расстояния до него. Для метрового паруса рабочее расстояние для запуска может достигать нескольких миллионов километров. Точность прицеливания, необходимая на такой дистанции составляет несколько угловых миллисекунд. Существует несколько способов решения этой проблемы.
Модель атмосферы калибруют с помощью радара, лазерного луча и оптических измерений в реальном времени. Это позволит достичь необходимой точности позиционирования.
Большинство земных телескопов (например, телескоп Кека) имеют точность порядка нескольких угловых секунд и ограничено могут отслеживать объекты в режиме 100 угловых миллисекунд. Для целей миссии необходимо значительное улучшение точности.
Тем не менее, генерация лазерного луча системой с фазированной решеткой, с системой отслеживания сигнала маяка (для коррекции влияния атмосферы) космического аппарата может позволить достичь необходимой точности.
Удержание на паруса на луче
Существует ряд эффектов, которые делают эту задачу сложной. Это нестабильность луча, режимы работы лазера, силы действующие на парус, нагревание паруса, неоднородности атмосферы, вызванные энергией излучателей.
Вышеописанные проблемы можно решать вращением паруса и регуляция формы как паруса, так и пучка лучей, приходящих на него. Обратная связь поможет работе лазерных излучателей, но короткое время полета требует самостоятельной стабилизации системы.
Один из перспективных подходов заключается в том, чтобы придавать парусу специальную форму, стабилизирующую его положение на луче. Т.е., при вращении, на парус будут воздействовать такие крутящие моменты и силы, которые будут стремиться восстановить его ориентацию. Высокочастотная дрожь снизит общее количество передаваемой парусу энергии, но хорошая динамика паруса может снизить его восприимчивость к помехам, выше определенной частоты.
Поскольку для формирования луча будет использоваться массив с фазированной решеткой, профиль пучка может иметь такую форму, чтобы максимизировать способность паруса сохранять свою собственную позицию на луче, даже без механизма обратной связи.
Производство и хранение энергии
Производство и хранение энергии является технологическим вызовом.
Генерация 100 ГВт мощности и доставка ее в течение нескольких минут вполне достижимо на современном уровне технологий. Электростанции на природном газе могут генерировать энергию по цене $0.1 за киловатт-час.
В настоящее время так же доступны батареи и суперконденсаторы, которые способны обеспечить необходимую емкость хранения по разумной цене.
Точное определение орбитальной позиции экзопланеты
Для того, чтобы доставить нанокрафт к экзопланете с точность до 1 астрономической единицы, может потребоваться точный учет всех массивных тел вблизи траектории полета.
Часть информации может быть собрана первыми миссиями проекта и учтена в последующих запусках. Также принимаются усилия для лучшего понимания эфемерид — орбитальных позиции крупных объектов в конкретные моменты времени, способных повлиять на траекторию движения. Это включает в себя сотрудничество с крупнейшими телескопами в южном полушарии, включая Very Large Telescopes и Gemini.
Крейсерский этап:
Межзвездная пыль
Основываясь на оценках плотности пыли в ближайшей к нам межзвездной среде, за время путешествия к Альфе Центавра каждый квадратный сантиметр фронтальной площади поперечного сечения электронного модуля StarChip и светового паруса, столкнется примерно с 1000 пылевых частиц размером от 100 нанометров и выше. Тем не менее, вероятность столкновения с частицей в 1 микрометр за все время полета, составляет около 10%. А вероятность встретить более крупные частицы — незначительна.
Пылевая частица размером 100 нанометров, двигающаяся на скорость в 20% от скорости света, проникнет в электронный модуль на глубину порядка 0.4мм. Для оценки эффекта, приведены расчеты для модуля, размерами 10см х 0.1мм. Площадь поперечного сечения такого модуля составляет 0.1 см2. Защитное покрытие из бериллиевой бронзы, нанесенное на переднюю часть такого модуля, может обеспечить его защиту от воздействия пыли и эрозии. При необходимости, геометрия StarChip может быть изменена (например в форме «иглы») для дальнейшего уменьшения площади поперечного сечения.
Сам парус, для минимизации повреждений, может быть свернут в более обтекаемую конфигурации во время крейсерской фазы полета.
Импульс от удара частицы размером 100 нм сравнительно мал, и может быть компенсирован фотонными подруливателями.
Влияние межпланетной пыли внутри солнечной системы незначительно по сравнению с межзвездной пылью. О наличии пыли в системе Альфы Центавра известно мало.
Межзвездная среда и космические лучи
Средняя длина свободного пробега и ларморовский радиус частиц межзвездной плазмы намного больше, чем размер нанокрафта. Это означает, что такие частицы будут влиять на стенки независимо друг от друга, не образуя ударный шок.
Протоны из межзвездной плазмы на скорости 20% от скорости света, будут воздействовать на нанокрафт с кинетическими энергиями 18 МэВ, а электроны будут иметь энергию 10.2 кэВ. При этом не имеет значения, объединены ли протон и электрон в атом водорода, или прилетают по отдельности. Будет происходить эрозия поверхности нанокрафта из-за распыления. Количество распыленных таким образом атомов будет составлять порядка 1000 на см2. Полная потеря массы передней поверхности устройства составит лишь несколько слоев.
Протоны на энергии 18 МэВ будут проникать на глубину порядка нескольких миллиметров. Поэтому будет необходим защитный слой, способный остановить такие частицы, чтобы избежать повреждения электроники.
Космические лучи гораздо менее редки, чем межзвездные протоны, а значит могут быть проигнорированы. Столкновения с более тяжелыми элементами должны быть смягчены защитным покрытием: ядра гелия имеют энергии порядка 72 МэВ и их количество составляет около 10% от количества свободных протонов. Ядра элементов углерода, азота и кислорода несут энергии в 200–300 МэВ и присутствуют в количестве 0.01% от общего количества.
Для разработки технологий защиты, необходимо проведение лабораторных экспериментов для ионов, движущихся со скоростью 20% от скорости света и сталкивающихся с твердым телом.
Столкновения с межзвездными ионами и электронами, теоретически, может иметь свои преимущества: они могли бы придать нанокрафту потенциал до 10 кВ (кинетическая энергия на электрон). Фронтальная поверхность нанокрафтов будет нагреваться со скоростью 6 мВт на см2, что даст небольшой термоэлектрический источник энергии при путешествии в межзвездной среде.
