Кaк мы будeм пoлучaть cигнaлы oт мeжзвeздныx зoндoв
Через несколько десятилетий проект «Breakthrough Starshot» надеется отправить парусник в соседнюю систему Альфа Центавра. Используя световой парус и массив направленной энергии (он же лазер), крошечный космический корабль может быть ускорен до 20% скорости света (0,2 с). Это позволило бы Starshot совершить путешествие в Альфу Центавра и изучить любые экзопланеты всего за 20 лет, таким образом, осуществив мечту о межзвездных исследованиях в течение наших жизней.
Естественно, этот план представляет ряд инженерных и логистических задач, одна из которых связана с передачей данных обратно на Землю. В недавнем исследовании директор Starshot Systems доктор Кевин Л.Г. Паркин анализирует возможность использования лазера для передачи данных обратно на Землю. Этот метод, как утверждал Паркин, является наиболее эффективным способом для человечества получить представление о том, что находится за пределами нашей Солнечной системы.
Автор исследования, д-р Кевин Паркин, является системным директором компании Breakthrough Starshot с 2016 года. До этого он был награжден медалью Королева Российской Федерацией астронавтики и космонавтики за новаторские работы в области микроволнового теплового двигателя. Он также основал в Сан-Франциско аэрокосмическую компанию Parkin Research, которая специализируется на разработке экономичных технологий.
Обращаясь к вопросу о нисходящей линии связи, доктор Паркин попытался рассчитать, какой вариант будет наилучшим для интегрированного паруса и космического корабля (он же парусник). С этой целью он рассмотрел возможность создания лазерного передатчика с узким лучом на борту парусника Starshot диаметром 4,1 м, который начнет передавать на 30-метровый телескоп на Земле, как только он достигнет Альфа Центавра.
Этот массив будет принимать форму оптической фазированной антенной решетки мощностью 100 Вт (встроенной в сам парус), которая использует лазеры для преобразования энергии межзвездной среды (ISM). Доктор Паркин предполагает, что массив будет передавать данные на длине волны 1,02 микрометра, которые затем будут приниматься телескопом на 1,25 микрометра, который помещает передачи в ближний инфракрасный / ближний ультрафиолетовый спектр.
Этот тип нисходящей линии связи имеет много преимуществ по сравнению с коммуникациями, которые основаны на радиоволновой или микроволновой передаче. Как сказал Universe Today доктор Паркин по электронной почте: «Относительно микроволн, лазеры имеют в тысячи раз более короткую длину волны и, следовательно, формируют гораздо более плотный луч от Альфа Центавра до Земли… Преимущество передачи 100 Вт по всей площади парусного корабля состоит в том, что наземный приемник сокращается до 30 метровый телескоп, то, что, скорее всего, появится примерно через десять».
Д-р Паркин также добавил, что за это же время усовершенствования фильтров и детекторов позволят создать массивы телескопов метрового класса, которые могут работать вместе для получения сигналов от космического корабля. Однако такая система связи также имеет свои недостатки, одна из которых напрямую связана с ее плотной природой. По сути, массив должен быть точно направлен на Землю, чтобы данные были получены.
«Если парусное судно определяет относительное направление межзвездной среды, оно указывает назад на Землю (или, по крайней мере, на то место, на котором Земля находилась при запуске корабля)», - сказал доктор Паркин. «Оттуда ему нужно будет найти Солнце. Тогда, поскольку ширина луча составляет только одну десятую расстояния от Солнца до Земли, парусному кораблю придется рассчитывать или находить относительное положение Земли и указывать на нее».
Однако это можно преодолеть, отправив несколько космических кораблей, что соответствует общему видению Starshot. В течение многих лет исследователи «Breakthrough Starshot» размышляли о том, как флот буксируемого световым парусом «нанокрафта», который весит всего несколько граммов, может обеспечить межзвездное путешествие и исследование. Как объяснил доктор Паркин:
«С точки зрения экономики куда проще запускать более легкие модели и в большом количестве, например, один 4-граммовый парусник в неделю (стоимость запуска составит всего 6 миллионов долларов). Это означает, что будет не просто один нисходящий канал, а множество нисходящих. Различные парусные корабли будут выстроены по небу, образуя своего рода трубопровод парусных кораблей на разных этапах встречи с Альфой Центавра».
По словам доктора Паркина, дополнительным преимуществом отправки нескольких космических кораблей с прямыми нисходящими связями является возможность перекрестных связей между ними. Если бы это было сделано, соединение с Землей стало бы собственным конвейером данных - конвейером внутри конвейера. Это уменьшит риск потери важных данных и позволит парусным кораблям, которые уже прошли через систему Альфа Центавра, передавать информацию тем, кто еще находится в пути.
Заключительная рекомендация доктора Паркина, сделанная в статье, заключалась во включении распределенного алгоритма, который позволил бы космическому аппарату функционировать в тандеме и со степенью автономии, каждый из которых отвечал за картирование своей части системы Альфа Центавра. Доктор Паркин указывает, что это сократит «цикл принятия решения», который невероятно медленен на межзвездных расстояниях:
«Преимущества для этого огромны - вся система может быть исследована и нанесена на карту до того, как первые данные когда-либо достигнут Земли. По идее, первый парусный корабль может определить отдаленную планету как точку света, которая перемещается между изображениями, и на этой основе ограничить его орбиту, чтобы следующий парусный корабль мог маневрировать, чтобы проходить на более близком расстоянии, разрешая детали поверхности. Последующий парусник может создавать карты, отслеживать особенности поверхности и обнаруживать большинство планет и лун в системе с течением времени ».
