5 คำถามใหญ่เกี่ยวกับเทคโนโลยี Nanocraft Starshot

เมื่อวันอังคารที่ผ่านมายูริมิลเนอร์มหาเศรษฐีชาวรัสเซียและนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชื่อดังสตีเฟ่นฮอว์คิงประกาศแผนการ $ 100 ล้านเพื่อศึกษาอัลฟาเซ็นทอรีซึ่งเป็นระบบดาวที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด (ห่างออกไปเพียง 4.37 ปีแสง) เป้าหมายในบรรดาการสืบสวนทางวิทยาศาสตร์ที่แตกต่างกันนั้นก็คือการค้นหาว่ามนุษย์ต่างดาวอยู่ในป่านั้นหรืออย่างน้อยที่สุดถ้ามีดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์อยู่ในระบบที่สามารถช่วยชีวิตได้

โครงการนี้เรียกว่า Breakthrough Starshot ซึ่งประกอบด้วยการส่งยานอวกาศน้ำหนักเบาพิเศษ (ขนานนามว่า“ StarChips”) ไปยัง Alpha Centauri ที่ขับเคลื่อนด้วยแสงไฟที่ขับเคลื่อนด้วยลำแสงขนาด 100 กิกะวัตต์

นี่เป็นเพียงส่วนยอดของภูเขาน้ำแข็ง ทั้งแผนออกมาเป็นอัจฉริยะบ้า ๆ หรือบ้าธรรมดา ยิ่งคุณขุดเข้าไปมากเท่าไหร่ดูเหมือนว่าแผนการของมิลเนอร์มากขึ้นเรื่อย ๆ และทีมงานของเขาก็อาจเป็นไปได้

เนื่องจากเทคโนโลยีที่พวกเขาเสนอนั้นไม่ได้อยู่ในขอบเขตที่เป็นไปได้ มันยืดจินตนาการออกไปอย่างแน่นอน แต่มันก็ไม่ทำลายมัน เทคโนโลยีแสงไฟกำลังถูกทดสอบโดยกลุ่มวิจัยบางกลุ่มรวมถึงกลุ่มที่จัดทำโดย Bill Nye การเพิ่มขึ้นของ CubeSats เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพขนาดและราคาไม่แพงในการทำวิจัยอวกาศแสดงให้เห็นว่าสามารถได้รับมากเพียงใดโดยการสร้างยานอวกาศขนาดเล็กและเบาลง Nanocrafts ที่แหลมโดย Starshot เป็นเพียงขั้นตอนตรรกะในทิศทางนั้น

ยังมี ความอุดมสมบูรณ์ คำถามที่ยังคงอยู่เกี่ยวกับวิธีที่ Milner, Hawking และแม้แต่ Mark Zuckerberg ผู้ก่อตั้ง Facebook (นักลงทุน) กำลังจะดึงสิ่งนี้ออกมา ต่อไปนี้เป็นคำถามที่ใหญ่ที่สุดห้าข้อเกี่ยวกับเทคโนโลยีนาโนคอมโพสิตและระบบยิงลำแสง - และคำตอบบางอย่างที่อาจให้ข้อมูลเชิงลึก

Light Beams เป็นเทคโนโลยีขับเคลื่อน - โปรดอธิบาย!

แผน Starshot เพื่อเปิดตัวเด็กเล็ก nanocraft เหล่านี้ไม่ได้ใช้เชื้อเพลิงและไฟ - มันใช้แสงและเลเซอร์ เลเซอร์ที่เน้นพลังงานสูงนั้นเป็นที่มาของความสนใจของวิศวกรขับเคลื่อนมานานหลายสิบปีแล้ว แต่เมื่อไม่นานมานี้เราเพิ่งเข้าใจการใช้เทคโนโลยีดังกล่าวในแอพพลิเคชั่นหลายอย่างรวมถึงการเคลื่อนย้ายเศษโคจรออกจากเส้นทางดาวเทียมสำคัญ ท้ายที่สุดแล้วแสงคือพลังงานที่สามารถใช้แรงในระบบ

นั่นคือคำสำคัญแม้ว่า: ตั้งครรภ์. เรายังไม่ได้สร้างลำแสงเลเซอร์ที่สามารถยิงวัตถุอื่นออกได้ เข้าไป พื้นที่ผ่านกองกำลังของโฟตอน นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการขับเคลื่อนแบบไฮบริดซึ่งจะใช้เลเซอร์ร่วมกับวิธีการทั่วไปมากกว่า แต่ไม่ใช่ในฐานะจรวดขับเคลื่อนเพียงอย่างเดียว

คุณอาจพูดว่า“ แต่แล้วใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ควรทำงานในอวกาศได้อย่างไร?” เทคโนโลยีแล่นเรือใบพลังงานแสงอาทิตย์เรียกร้องให้ใช้โฟตอนที่ผลิตโดยรังสีของดวงอาทิตย์เพื่อขับเคลื่อนเรือ (และยานอวกาศ) ไปข้างหน้า เรือแล่นไปยังที่ว่างตามทางที่ล้าสมัยนั่นคือจรวด

Starshot อ้างว่าลำแสงเลเซอร์ซึ่งประกอบไปด้วยเลเซอร์ในขนาดกว้าง 1 กิโลเมตรสามารถให้พลังงานลำแสงได้ถึง 100 กิกะวัตต์ เราจะไม่ใช้เลเซอร์พิเศษที่มีขนาดใหญ่พิเศษ แต่จะมีขนาดเล็กกว่าแทน บางทีอาจเป็นล้านหรือหลายร้อยล้าน

นั่นอาจเป็นแรงพอที่จะทำให้ nanocrafts หลุดออกจากชั้นบรรยากาศโลกและแรงดึงดูดของโลก? อาจจะ. Milner คิดว่า Starshot มีโอกาสที่ดีกว่าด้วยการติดตั้งจรวดยิงจรวดในสภาพแวดล้อมที่มีความสูงเช่นทะเลทรายอาตาคามา (นี่คือคำแนะนำสี่ข้อที่เราทำไว้ในวันนี้) นอกจากนี้ยังค่อนข้างแห้งพอที่จะลดโอกาสที่ไอน้ำจะสะสมและสร้างน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นบนยานอวกาศหรือขัดขวางแรงเลเซอร์เมื่อมันผลักยานอวกาศขึ้น

หากทุกอย่างไปได้ด้วยดียานสำรวจจะไปถึงอัลฟาเซ็นทอรีที่ 100 ล้านไมล์ต่อชั่วโมงและไปถึงระบบภายใน 20 ปี

Lightsails บางและบอบบางที่สุด สิ่งนี้จะทำให้รอดจากการเปิดตัวได้อย่างไร มันจะรอดก้อนหินและฝุ่นหมุนไปรอบ ๆ อวกาศได้อย่างไรเมื่อยี่สิบปีที่แล้ว?

Lightsail ทำจาก "metamaterial" บางเฉียบ (คำศัพท์เฉพาะที่หมายถึงวัสดุทดลอง) ที่ออกแบบมาเพื่อรับโฟตอนที่กำลังจะมาถึงจากแหล่งกำเนิดแสงและใช้พวกมันเป็นแรงกดดันที่ออกแรงบนเรือ เป็นผลให้การแล่นเรือสามารถก้าวไปข้างหน้าและยังเร่งความเร็วให้สูงขึ้นมาก

อย่างที่ฉันได้กล่าวไปแล้วว่าแสงไฟไม่ได้ใหม่ Bill Nye และสมาคมดาวเคราะห์ได้ทำงานในโครงการไฟที่พยายามพิสูจน์ความมีชีวิตของเทคโนโลยีเช่นการออกแบบยานอวกาศขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพ นาซ่ากำลังเปิดตัวลูกเสือดาวเคราะห์น้อยใกล้โลก (NEA Scout) ในปี 2018 กลุ่มดาวนายพราน สำหรับภารกิจขั้นต้นสำหรับระบบยิงอวกาศซึ่งจะเดินทางไปยังดาวเคราะห์น้อยที่อยู่ใกล้เคียงผ่านทางเรือสุริยะที่ขยายได้

แสงไฟทั้งสองเหล่านี้พบปัญหาเดียวกันของการชนกับฝุ่นระหว่างดวงดาวและเศษเล็กเศษน้อยที่สามารถเจาะรูในเรือและทำลายสิ่งทั้งปวง นั่นเป็นความเป็นไปได้ที่ค่อนข้างชัดเจน แต่ถูก จำกัด ด้วยข้อควรพิจารณาสองสามข้อ

ครั้งแรก: พื้นที่คือ ใหญ่. มีสสารจำนวนมากลอยอยู่รอบ ๆ แต่มันไม่เหมือนที่นี่บนโลกที่มีอนุภาคในอากาศอยู่ทุกที่ที่เราหัน วัตถุในอวกาศห่างกันมาก - น้อยเพียง 10 ถึงมากที่สุดเท่าที่เป็นล้าน ๆ แต่ก็ยังห่างออกไปหลายไมล์ ความเป็นไปได้ของการตีสิ่ง - ในขณะที่จริง - ยังคงค่อนข้างห่างไกล

ประการที่สองใบเรือเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้อยู่ในสถานะที่ค่อนข้างมั่นคงภายใต้ความเสียหาย ยกตัวอย่างเช่น NEA Scout NASA ได้ทดสอบว่าแสงไฟสามารถรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างได้ดีเพียงใดแม้ว่ามันจะถูกโจมตีด้วยขยะอวกาศจำนวนเล็กน้อยที่นี่และที่นั่นก็ตาม ตราบใดที่ไม่มีการบาดเจ็บรุนแรง (เช่นบอกว่าดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดเท่ากับเท็กซัสพุ่งเข้าไปในยานอวกาศ) ลูกเสือ NEA ยังคงสามารถเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและเคลื่อนที่ได้ตามคำสั่งจากองค์การนาซ่า

nanocrafts Starshot ต้องต่อสู้กับปัญหาเหล่านี้เช่นกัน หลอดไฟของพวกเขาถูกคาดการณ์ว่าจะขยายออกไปถึงบางสิ่งในระดับไม่กี่เมตรดังนั้นพวกมันจึงค่อนข้างเล็ก แต่พวกเขาจะมีความหนาเพียงไม่กี่ร้อยอะตอมและมีมวลประมาณหนึ่งกรัม พวกมันเล็กพอที่จะหลีกเลี่ยงวัตถุที่กำลังมาถึงเกือบทุกชนิดที่ลอยอยู่รอบ ๆ อวกาศ แต่ในโอกาสที่พวกเขาโดนโจมตีโชคร้ายยานอวกาศทั้งหมดจะถูกทำลาย และเราไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับปริมาณฝุ่นใน Alpha Centauri

แต่มีปัญหาใหญ่อย่างหนึ่งที่นาโนคอมแพ็คต้องรับมือไม่ใช่การแตกสลายระหว่างการปล่อยลำแสง คาดว่าเรือจะถูกยิงด้วยลำแสงซึ่งจะมีปริมาณแสงแดดประมาณ 60 เท่าที่กระทบโลกในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง การแล่นเรือนั้นไม่เพียง แต่จะต้องทำให้ละลาย แต่ยังสามารถเข้าไปในอวกาศได้โดยไม่ถูกฉีกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยโดยกองกำลังชั้นบรรยากาศ ประมาณหนึ่งใน 100,000 ส่วนของเลเซอร์จะมากเกินพอที่จะระเหยใบเรือ สิ่งนี้ไม่เคยทำมาก่อน ไม่มีการบอกว่าจะต้องทดสอบโครงการ Starshot เท่าไหร่ก่อนที่จะทำส่วนนี้ให้ถูกต้อง

StarChip ทำงานอย่างไร ควรรวบรวมข้อมูลประเภทใด

The StarChips ที่ถูกสร้างขึ้นบนขนาดของหนึ่งกรัมและสามารถใส่ในฝ่ามือ - จะไม่เป็นระบบที่ทันสมัยที่บางอย่างเช่นรถแลนด์โรเวอร์ Curiosity หรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ช่วยเรา เพื่อศึกษาโลกที่แตกต่างในอวกาศ พวกเขาจะธรรมดามาก เป้าหมายคือติดกล้องสี่ตัว (ละสองเมกะพิกเซล) บนชิพที่จะช่วยให้สามารถถ่ายภาพเบื้องต้นของ Alpha Centauri และดาวเคราะห์และดวงจันทร์ที่แตกต่างกันของระบบ

ข้อมูลนั้นจะถูกส่งกลับสู่โลกโดยใช้เสาอากาศที่มีความยาวเมตรหรืออาจใช้แสงไฟเพื่อช่วยในการสื่อสารที่ใช้เลเซอร์ซึ่งสามารถโฟกัสสัญญาณกลับไปยังโลกได้

ดูเหมือนว่ามาตรฐานพอ รูปภาพเหล่านั้นควรจะแสดงอะไรให้เราเห็น?

ในนั้นไม่มีใครรู้อีก เมื่อนักดาราศาสตร์ประเมินศักยภาพของโลกอื่นที่จะอยู่อาศัยพวกเขากำลังมองหาข้อมูลที่หลากหลายตั้งแต่อุณหภูมิของดาวเคราะห์องค์ประกอบระยะทางจากดาวฤกษ์แม่ของพวกเขาสัญญาณของบรรยากาศในปัจจุบัน - และอื่น ๆ อีกมากมาย สิ่งนี้มากมายสามารถวัดได้ผ่านกล้องประเภทต่าง ๆ ที่สามารถมองเห็นได้ในสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า nanocrafts ณ จุดนี้จะทำงานบนกล้องไม่เหมือนที่เราใช้บนสมาร์ทโฟนของเรา สิ่งนี้แทบจะไม่เป็นประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจอย่างแท้จริงเพียงแค่ว่าดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์สามารถดำรงชีวิตประเภทใดก็ได้หรือแสดงสัญญาณของชีวิตแล้ว

ถึงกระนั้นเมื่อคุณพิจารณาเป้าหมายคือการส่งยานอวกาศขนาดเล็กหลาย ๆ ตัวออกไปยังระบบที่ห่างไกลนั่นคือ หลายอย่าง ปีแสงน้อยกว่าสองทศวรรษคุณต้องลดค่าใช้จ่าย

แม้ว่าสิ่งนี้จะช่วยให้รอดชีวิตจากการเดินทางไปยัง Alpha Centauri ได้อย่างไรมันจะมีชีวิตอยู่ได้นานพอที่จะรวบรวมข้อมูลที่มีประโยชน์ได้อย่างไร

อายุยืนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อโครงการ Starshot nanocraft จำเป็นต้องมีพลังขับเคลื่อนมานานหลายสิบปีเพื่อเจาะลึกถึงศักยภาพการวิจัยเต็มรูปแบบ ด้วยเหตุนี้ความคิดริเริ่ม Breakthrough กำลังเสนอแหล่งพลังงานบนเครื่องบินโดยใช้พลูโทเนียม -238 หรือ Americium-241 โดยมีน้ำหนักไม่เกิน 150 มิลลิกรัม

โดยพื้นฐานแล้วในขณะที่พลูโทเนียมหรือไอโซโทปของพลูโทเนียมสลายตัวมันจะเรียกเก็บประจุอัลตร้า - คาปาซิเตอร์ที่เปิดใช้งานส่วนประกอบของสตาร์ชิปที่จำเป็นสำหรับการถ่ายภาพและส่งกลับสู่โลก นอกจากนี้ยังสามารถนำแหล่งพลังงานเทอร์โมอิเล็กทริกมาใช้เพื่อใช้ประโยชน์จากอุณหภูมิพื้นผิวด้านหน้าของ nanocrafts ที่เพิ่มขึ้นเมื่อมันเริ่มเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกอื่น

Photovoltaics - เปลี่ยนแสงแดดเป็นพลังงาน - ยังอยู่ระหว่างการพิจารณา ต้นแบบเรือพลังงานแสงอาทิตย์หนึ่งลำที่ถูกทดสอบโดยญี่ปุ่นเมื่อประมาณหกปีที่แล้ว IKAROS ทาสีพื้นผิวของใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเซลล์สุริยะ นี่เป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ในที่สุดเมื่อ nanocraft ทำให้พ้นขีด จำกัด ของระบบสุริยะ แต่อาจมีประโยชน์ในช่วงเวลานั้นเพื่อประหยัดพลังงานแบตเตอรี่ได้มากขึ้น

คำถามใหญ่คือคุณสามารถเก็บวัสดุราคาไม่แพงเช่นนี้ได้ในช่วง 20 ถึง 50 ปีหรือไม่ ในสถานการณ์ในอุดมคติสิ่งที่น่าจะเกิดขึ้นคือแต่ละ nanocraft จะถูกคาดหวังให้รวบรวมข้อมูลในช่วงเวลาสั้น ๆ - ประมาณสองสามเดือน หากมิลเนอร์และ บริษัท มีความสนใจในการผลิตสิ่งเหล่านี้อย่างมากพวกเขาก็ไม่ควรมีปัญหาในการส่งกลุ่มไปทุกทิศทางเพื่อสำรวจให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้เกี่ยวกับอัลฟาเซ็นทอรี การคาดหวังให้แต่ละคนทำงานเป็นเวลาหลายปีเป็นเรื่องที่ทำไม่ได้หากเราไม่สามารถแทรกแซงและเปลี่ยนการเคลื่อนไหวในทิศทางใหม่ได้โดยตรง

ราคา

เป้าหมายที่แสดงออกมาของ Milner คือการสร้าง nanocraft แต่ละรายการสำหรับค่าใช้จ่ายในการสร้าง iPhone คำสั่งผสม SmartChip และ Lightsail แต่ละรายการไม่ควรเกินสองสามร้อยดอลลาร์และเป้าหมายคือการเพิ่มเทคโนโลยีที่ดีขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากพวกเขากลายเป็นน้อยลงและมีราคาถูกลงในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

ในความเป็นจริงส่วนที่แพงที่สุด (และเป็นไปได้น้อยที่สุด) ของโครงการนี้คือลำแสง เรากำลังพูดถึงพลังงาน 100 กิกะวัตต์เป็นเวลาสองนาทีเพื่อที่จะยิงสิ่งแช่ง กิ๊กวัตต์เดี่ยวสามารถใช้พลังงานได้ถึง 700,000 หลังคาเรือน นั่นก็เพียงพอแล้วสำหรับบ้าน 70,000,000 หลัง

เพียงพอที่จะทำให้ประเทศเล็ก ๆ หลายแห่งดำเนินต่อไป นั่นเป็น 100 เท่าของปริมาณที่ผลิตโดยโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั่วไป เป็นเรื่องที่ไม่น่าเชื่อแม้แต่จะหยั่งถึงว่าพวกเขาจะรวบรวมพลังงานจำนวนมากนี้ไว้ในที่เดียวเพื่อปล่อย nanocrafts ออกสู่อวกาศ

ค่าใช้จ่ายโดยรวมของหนึ่งไลท์บีมถูกยิงออกมาจากผู้วิจารณ์คนหนึ่งในเว็บไซต์ Breakthrough ราคา $ 70,000

ใช่เราจะเห็นว่า …