Breakthrough Starshot är ett forsknings- och ingenjörsprojekt under Breakthrough Initiatives- programmet för att utveckla konceptet med en flotta av interstellära rymdsonder med hjälp av ett lätt segel som kallas StarChip [1] [2] [3] .
Denna typ av rymdfarkoster kommer, enligt författarna, att kunna resa till stjärnsystemet Alpha Centauri , 4,37 ljusår från jorden, med en hastighet på upp till 20 % av ljusets hastighet [4] , vilket kommer att ta ca. 20 år och cirka 5 år till för att meddela jorden om en lyckad ankomst. Samtidigt är målet med projektet inte specifikt denna resa, utan ett bevis på möjligheten att implementera konceptet som ligger bakom. I processen för att uppnå det innebär arbetet inom ramen för programmet också andra användbara punkter för den moderna astronomis uppgifter, såsom studiet av solsystemet och skydd mot asteroider [1] [5] [2] [6] .
Projektledare är Pete Worden ; Teamet av vetenskapliga rådgivare som leds av Avi Loeb inkluderar också 25 ledande vetenskapsmän och specialister, inklusive den brittiske astronomen Royal Martin Rees , Nobelpristagaren astrofysiker Saul Perlmutter från University of California i Berkeley , Ann Druyan , exekutiv producent av dokumentärserien Space : rum och tid " och änkan efter Carl Sagan , samt matematikern Freeman Dyson från Institutet för avancerade studier [4] [1] [7] .
De grundläggande konceptuella principerna för interstellärt resor beskrevs i Roadmap to Interstellar Flight [8] [9] av Dr. Philip Lubin vid University of California, Santa Barbara . Idén om att accelerera en rymdfarkost med superkraftig laserstrålning riktad mot ett segel uttrycktes redan på 1970-talet av fysikern och science fiction-författaren Robert Forward [10] , och olika varianter av den lades sedan fram, i särskilt av NASA-specialisten och författaren Geoffrey Landis , deltagare i det aktuella projektet [11] [12] . Men tills nu har den inte fått praktisk utveckling på grund av enorma tekniska svårigheter och otillräcklig nivå av nödvändiga teknologier [13] [7] [14] .
Projektet tillkännagavs den 12 april 2016 (på 55-årsdagen av den första mänskliga rymdfärden ) vid en presskonferens som hölls i New York av den ryske entreprenören Yuri Milner och astrofysikern Stephen Hawking , som agerade som medlemmar i initiativrådet. Med i initiativstyrelsen fanns även Facebooks vd Mark Zuckerberg . Projektet har fått en initial finansiering på 100 miljoner USD (för att starta forskning inom de närmaste 5-10 åren), som planeras att spenderas på en förstudie av konceptet. Nästa steg är att skapa en modell i skala 1/100. Milner uppskattar den slutliga kostnaden för uppdraget till mellan 5 och 10 miljarder US-dollar, i hopp om att andra privata investerare kommer att följa efter i framtiden, och föreslår också att den första rymdfarkosten kan skjutas upp om 20 år [4] [2] [ 15] [6 ] ] [14] .
Omedelbart efter det officiella tillkännagivandet av programmet drabbade en våg av kritik från forskare och tekniska experter inom olika områden författarna till projektet [16] . En del kritik togs i beaktande, och Lubins ursprungliga färdplan justerades något i den första iterationen [6] . En offentlig diskussion [17] inleddes , där alla kan diskutera tekniska svårigheter på sättet att genomföra projekt och sätt att övervinna dem; medlemmar av projektgruppen [5] deltar aktivt i det .
I augusti 2016 höll forskare involverade i Breakthrough Starshot-projektet det första vetenskapliga mötet, där de diskuterade utsikterna för att utveckla ett system som kommer att skicka nanosonder till Alpha och Proxima Centauri i mitten av seklet [18] .
I början av 2017 gick European Southern Observatory (ESO) med i det övergripande Breakthrough Initiatives -projektet. Enligt villkoren i det undertecknade avtalet kommer Breakthrough Initiatives att finansiera uppgraderingen av VISIR-instrumentet vid ESO:s Very Large Telescope i Chile för att förbättra det och öka dess sökande efter potentiellt beboeliga exoplaneter i Alpha Centauris stjärnsystem, där Breakthrough Starshot-uppdraget kan vara skickas i framtiden. ESO kommer att förse Breakthrough Initiatives med Very Large Telescope 2019 för att utföra detaljerade observationer [19] [20] .
Nästa vetenskapliga konferens, där de senaste upptäckterna av potentiellt beboeliga exoplaneter i närliggande stjärnsystem ( Alfa Centauri och TRAPPIST ) diskuterades, hölls i april 2017 vid Stanford University [21] .
I juni 2017 lanserades de första fungerande prototyperna av nanosonder framgångsrikt i låg omloppsbana om jorden - chips som mäter 3,5 gånger 3,5 cm och väger cirka 1 gram, som bär en solpanel, en mikroprocessor, en sensor och ett kommunikationssystem. Enheterna, kallade "Sprites" ("Sprites") [22] , utvecklades av projektdeltagaren Zach Manchester och lanserades i omloppsbana med hjälp av den lettiska satelliten "Venta" och den italienska "Max Valle" (båda tillverkade för utbildningsändamål av tyska företaget OHB System AG ), signaler tas emot framgångsrikt från dem [23] [24] .
StarShot-konceptet är att skjuta upp en grundläggande rymdfarkost som kommer att bära omkring tusen små (1 gram massa) [2] rymdfarkoster i hög omloppsbana och sedan skjuta upp dem en efter en. Varje mikrosond är ansluten till ett solsegel som mäter cirka 4×4 m, 100 nm tjockt och väger 1 g med kraftiga slingor [25] . Sedan fokuserar markbaserade lasrar en 50–100 GW stråle på seglet i 10 minuter [26] . Laserkraftverket är en fasad uppsättning av 20 miljoner små (med en öppning på 20-25 cm) lasersändare 1 × 1 km i storlek; med hjälp av fasning (dvs. fasförändring på varje enskild sändare), är det tänkt att den fokuserar strålning med en våglängd på 1,06 μm från hela arrayen till en punkt med en diameter på flera meter på ett avstånd av upp till 2⋅10 6 km (den maximal fokuseringsnoggrannhet är 10 −9 radianer). Detta kommer att ge en acceleration på cirka 30 000 g , vilket gör att sonderna kommer att nå målhastigheten på 20 % av ljushastigheten [5] .
Flygningen till Alpha Centauri kommer att pågå i cirka 20 år. Om det finns planeter i jordstorlek inom den beboeliga zonen (och hittills har bara en av dem, Proxima b [27] , bekräftats existera ), kommer Breakthrough Starshot att försöka rikta in sig på rymdfarkoster inom 1 astronomisk enhet från dem. Från detta avstånd kommer kamerorna att kunna ta en bild av tillräckligt hög kvalitet för att se planetens topografi. För att uppnå en sådan upplösning med ett rymdteleskop i jordens omloppsbana måste detta teleskop vara i storleksordningen 300 km i diameter [28] .
Vidare måste denna information överföras till jorden; enligt författarna till projektet, vid målet manövrar sonden på ett sådant sätt att seglet förvandlas till en Fresnel-lins , och fokuserar sondsignalen i riktning mot jorden. Enligt uppskattningar förstärker en ideal lins med idealisk fokus och ideal orientering en signal med en effekt på 1 W till 10 13 W i isotropisk ekvivalent. Så varje liten rymdfarkost kommer att överföra data med hjälp av ett kompakt laserkommunikationssystem ombord, med sitt eget segel som antenn. Fem år senare tas dessa data emot på jorden med samma lasersystem [26] [6] . Återkomsten av själva sonderna förväntas inte, eftersom det inte finns något system för deras retardation [13] .
Förutom att studera exoplaneter i Alpha Centauri-systemet är det möjligt att organisera ett uppdrag till ett annat stjärnsystem, men en flygning till den närmaste av dem, även med en hastighet av 0,2 s , kommer att ta 50 år. Det finns dock andra alternativ för användbar tillämpning av Breakthrough Starshot- komponenterna inom astrofysik. Laseranläggningen, den dyraste delen av projektet, kan senare användas för flygningar av andra rymdfarkoster både i solsystemet och utanför det [4] [29] . Så en rymdnanosond, accelererad till 20 % av ljusets hastighet, kan flyga till Mars på en timme (medan en modern enhet tar cirka 9 månader att göra detta), till Pluto (där New Horizons- enheten flög i 9 år) - på en dag och i veckan för att komma in i det interstellära rymden. Även en hastighet på 2 % av ljusets hastighet kommer att minska flygtiden avsevärt. Dessutom kan laseranläggningen hypotetiskt användas både som ett teleskop av aldrig tidigare skådad storlek och som ett asteroidförsvarsverktyg , som kan upptäcka potentiellt farliga föremål på långt avstånd och till och med ändra deras bana med hjälp av laserablationsteknik [ ] [28] [ 5] [31] .
Men i alla fall, enligt Philip Lubin, kommer de första flygningarna att göras inom solsystemet: ”Eftersom vi kan skicka ett enormt antal sonder ger detta oss många olika möjligheter. Vi kan också skicka liknande små (wafer-skala, det vill säga på ett chip) sonder på konventionella raketer och använda samma teknik för att studera jorden eller planeter och deras satelliter i solsystemet” [6] [5] .
Om mänskligheten i sin vetenskapliga och tekniska utveckling kan utföra ett sådant uppdrag, kan vi anta en sådan möjlighet för en annan hypotetisk utomjordisk civilisation . Så, inom ramen för SETI-projektet , kan en av anvisningarna vara ett försök att fixa tecken på driften av en laserbooster på grund av dess exceptionella kraft. Enligt beräkningar kan den, som strålar i mikrovågsområdet, skapa en ström av flera yang på ett avstånd av 100 parsecs under flera tiotals sekunder, vilket kunde detekteras med en sannolikhet på 10 % med en observationsvaraktighet på 5 år [32] .
Användningen av ljus för framdrivning kräver enorm kraft: en gigawattlaser ger endast 7 Newtons dragkraft [13] . Rymdfarkosten kommer att kompensera för låg dragkraft på grund av sin låga massa, bara några gram. Och var och en av dem måste bära en kamera, en kontrollmodul, en kommunikationsnod, ett orienteringssystem och en energikälla [13] [17] . Men att placera så mycket nyttolast i en extremt liten volym är ganska genomförbart idag tack vare framsteg inom mikroelektronik tillsammans med billigare produktion i enlighet med Moores lag , noterar Milner [2] [26] . Sonder kan drivas av en radioaktiv miniatyrkälla , såsom americium-241 som används i rökdetektorer, eller traditionell plutonium-238 [4] [7] [33] .
Alla komponenter måste designas för att klara extrema accelerationer (det återstår att se hur all elektronik kommer att bete sig under sådana förhållanden), kyla, vakuum och kollisioner med protoner. Rymdfarkosten kommer också att behöva stå emot många kollisioner med kosmiskt damm . Det förväntas att varje frontal kvadratcentimeter kommer att kollidera i hög hastighet (vilket kraftigt ökar den potentiella faran) med cirka tusen partiklar på 0,1 mikron och större [13] [34] [7] . Interaktion med interstellär gas och damm kan leda till förvrängning av fordonens bana, deras överhettning, mekanisk skada och till och med fullständig förstörelse, beroende på materialet; enligt projektspecialisternas uppskattningar är grafit mindre sårbart än kvarts [35] . Sannolikheten för kollisioner med partiklar även 1 mikron i storlek i ett relativt sällsynt utrymme för miniatyrenheter förblir dock ganska liten [7] ; för större storlekar är den helt försumbar [34] . Det är möjligt att minimera kollisionstvärsnittet genom att vrida fordonen i längdriktningen längs rörelselinjen, eller genom att göra dem generellt i form av tunna nålar. Det rekommenderas också att använda en beläggning med ett skyddande lager, till exempel från randol . Även beläggningsalternativ övervägs med sådana egenskaper som skulle göra det möjligt att samla in den termiska energin från kollisioner och göra den till användbar [36] . Avvikelser från banan är ganska små och kan enkelt kompenseras med hjälp av fotoniska attityd-propeller [34] [9] . Slutligen är det stora antalet nanosonder avsett att kompensera för förluster [26] [7] [4] .
Seglet kommer också att utsättas för extremt höga belastningar, så kraven på det är också mycket höga. I den ursprungliga versionen av Lyubin [9] var dess yta bara 1 m2 , men med sådana parametrar kanske den inte tål uppvärmning under acceleration inom laserstrålningsområdet, så den nya versionen använder ett segel med en yta på 16 m2 , så den termiska regimen kommer att vara, om än ganska hård, men enligt preliminära uppskattningar bör den inte smälta eller förstöra seglet [25] . Uppgiften förenklas av det faktum att seglet inte bör absorbera strålning med endast en specifik frekvens [13] , vilket gör det möjligt att använda dielektriska speglar snarare än metalliserade beläggningar som grund för det . Som seglets material beaktas dielektriska flerskiktsspeglar som reflekterar 99,999 % av det infallande ljuset (enligt preliminära beräkningar bör detta vara tillräckligt för att förhindra att seglet smälter i strålningsfältet hos en 100-GW laser). Ett alternativt lovande tillvägagångssätt som gör det möjligt att göra seglets tjocklek mindre än det reflekterade ljusets våglängd är att använda ett monolager av ett metamaterial med ett negativt brytningsindex som bas (ett sådant material har också nanoperforeringar, vilket ytterligare reducerar dess massa). Ett annat alternativ är en enskikts dielektrisk spegel gjord av ett material med låg absorption (10 −9 ), såsom optiska material för ljusledare . En sådan spegel kommer att ha en relativt liten reflektionskoefficient , jämfört med en flerskiktig , men den kommer att ha en mindre massa [6] [25] . Å andra sidan uppstår ytterligare komplexitet från systemets acceleration - det orsakar en gradvis ökande dopplerfrekvensförskjutning av den accelererande strålningen som träffar seglet, mer än 20 % totalt. Därför måste man antingen dynamiskt ställa in frekvensen på lasrar, eller designa ett reflektormaterial med en tjugoprocentig bandbredd [5] . För att bevara formen föreslås att seglet förstärks med grafen . Vissa grafenbaserade kompositmaterial kan dra ihop sig när de utsätts för en pålagd elektrisk spänning för aktiv kontroll. För stabilisering kan seglet vridas eller formas till en inverterad kon för passiv självstabilisering i laserstrålningsfältet [6] [34] [37] . Senare beräkningar visar dock att den sfäriska formen är fördelaktig i många avseenden [38] .
Vidare utgör markframdrivningssystemet för överklockning av systemet också en mycket svår designutmaning på grund av dess oöverträffade skala och effekt som motsvarar 10-20 Krasnoyarsk vattenkraftverk ; strålning på 100 GW under 100 sekunder motsvarar en energi i storleksordningen 1 terajoule [39] . Det förenklas dock av det faktum att effekter i storleksordningen 100 GW inte krävs kontinuerligt, samtidigt och under lång tid: enligt författarna till projektet skulle lasern kunna fungera i läget för effektackumulering av ett slags gigantisk kondensator och efterföljande emission av korta pulser på cirka 20 GW [7] . Detta är inte så mycket jämfört med moderna energikostnader för traditionella raketflygningar - cirka 45 GW för att avfyra och få kinetisk energi under de första 10 minuterna av flygningen är bara flera gånger mindre än vad ett nanofartyg som rör sig med en hastighet av 0,2 s skulle ha , som noterats av Philip Lubin [13] . Som ett alternativ föreslås det att designa ett system baserat på masteroscillatorer , vars de flesta element helt enkelt är förstärkare med en effekt på endast 0,1-3 kW. För varje lansering av nanoenheter krävs 100–300 sekunders kontinuerlig drift av accelerationsenheten, vilket å ena sidan gör frågan om kylning inte så kritisk (du kan använda ett enkelt värmeväxlingssystem eller till och med material som kan absorbera värme under fasövergångar ) [40] , å andra sidan - tillåter inte användning av moderna petawattlasrar som endast kan generera submikrosekundpulser [ 41] . Men för närvarande, på grund av den intensiva utvecklingen av informationsteknologi, sker en betydande kostnadsminskning (med två gånger varje och ett halvt år från 1990 till 2015) och en ökning av omfattningen av den kapacitet som krävs för databehandling och lagring system; framsteg inom solenergiområdet spelar också en viktig roll; dessutom är militärens intresse av tradition stort på detta område. Allt detta gör att den kraft som krävs av laserstrålning inte är så ouppnåelig [13] [41] .
En separat svårighet är dock fokuseringen av all denna laserkraft på solsegel 4 × 4 m stora från ett avstånd på upp till 2⋅10 6 km - detta motsvarar den ultimata fokuseringsnoggrannheten på 2⋅10 -9 radianer eller 0,4 millisekunder - för strålning med en våglängd på 1 µm är diffraktionsgränsen för ett system med en baslängd på 1 km [42] . I det här fallet kommer den turbulenta atmosfären att sudda ut strålen till en fläck som är cirka 1 sekund stor (10 −5 radianer) [6] . Uppgiften med vägledning kompliceras av att jorden roterar runt sin axel - med 2° på 10 minuter, vilket är nödvändigt för acceleration [43] . En förbättring av upplösningen med flera storleksordningar förväntas uppnås med hjälp av adaptiv optik (AO), som kommer att kompensera för atmosfäriska distorsioner [44] . De bästa AO-systemen i moderna teleskop reducerar oskärpan till tiotals millisekunders båge, det vill säga att det fortfarande finns ungefär två storleksordningar kvar innan det avsedda målet [45] . Starshot-systemet skiljer sig fundamentalt från ett konventionellt teleskop [46] i sina uppgifter och kräver därför ett annat tillvägagångssätt [44] . Installationen kommer att vara en array baserad på principen om en fasad array [42] . "För att besegra småskalig atmosfärisk turbulens måste den fasade arrayen brytas ner i mycket små element, storleken på det emitterande elementet för vår våglängd bör inte vara mer än 20-25 cm", förklarar Philip Lubin. – Det här är minst 20 miljoner utsläppare, men den här siffran skrämmer mig inte. För återkoppling i AO-systemet planerar vi att använda många referenskällor - bojar - både på sonden och på moderskeppet och i atmosfären. Dessutom kommer vi att spåra sonden på väg mot målet. Vi vill också använda stjärnorna som en boj för att justera arrayfasningen när vi tar emot en signal från sonden vid ankomst, men för tillförlitligheten kommer vi att spåra sonden” [6] [5] . Den föreslagna tekniken används redan i moderna arrayer av radioteleskop, vilket ger en upplösning på upp till 60⋅10 -6 " [47] (för strålning med en våglängd på 1 μm är detta exakt den nödvändiga ordningen på 10 -9 radianer) , även om en fasad uppsättning av denna skala från lasrar ännu inte har skapats prövad, medger Lubin [7] [42] .
Å andra sidan innebär placeringen av laserinstallationen på jorden också effekten av strålning på atmosfären, miljön och artificiella satelliter på jorden som dyker upp i dess väg - allt detta är också viktigt att ta hänsyn till [7 ] [48] . Koncentrationen av en sådan enorm kraft, generellt sett, gör det till ett potentiellt mycket farligt vapen: 10 minuters drift av en 100-gigawatt-anläggning frigör energi som motsvarar explosionen av en atombomb i Hiroshima . Om denna smala stråle reflekteras från rymden tillbaka i riktning mot jorden kan det få katastrofala konsekvenser [13] . Det är nödvändigt att reglera driften av en superkraftig laseruppsättning på internationell nivå [14] [31] .
Ändå är det tänkt att det övre stadiet placeras exakt på jorden: ett alternativ i form av till exempel den bortre sidan av månens yta tycks vara omöjligt idag. Dessutom skulle detta skapa en ännu större säkerhetsrisk [14] . Placering på hög höjd över havet kommer att minska atmosfärisk distorsion något - med cirka 4 gånger för 5 km över havet. Ett idealiskt alternativ för att avfyra sonder till Proxima Centauri, som har en deklination på -60°, skulle vara en bas i Antarktis , men att skapa den helt från grunden är också praktiskt taget orealistiskt, så en annan region på södra halvklotet kommer med största sannolikhet att väljas, till exempel i Atacamaöknen [45] .
En annan svårighet på vägen med planen är att skicka data från sonden vid dess destination till jorden med hjälp av lasersändarna installerade på varje sond, i burst-läge. Det är bäst att rikta signalen direkt mot jorden med hjälp av naturliga och konstgjorda bojar [49] [50] . För att ljuset från Proxima inte ska mörka solen så mycket, kan detta göras några dagar efter passagen av huvudmålet: efter 3 dagar på ett avstånd av 100 AU. dvs förhållandet mellan solens och Proximas ljusstyrka kommer att öka med 4 storleksordningar [51] .
En lika icke-trivial uppgift är då att betrakta denna signal mot bakgrund av en mycket kraftfullare (med 13-14 storleksordningar!) stjärnstrålning. Från ett sådant avstånd fokuseras ett 4 × 4 m segel, som är planerat att användas som en antenn, till en plats 1 × 10 7 km i storlek, därför en uppsättning mottagande enheter 1 km i storlek (det verkar mest naturligt att använda samma för att överklocka en nanoflotta) kommer att fånga upp en signal som är 14 storleksordningar svagare än den sända [49] . Men modern teknik, såsom Lunar Laser Com Demo (LLCD) baserad på supraledande nanorör [52] , gör det möjligt att detektera även enskilda fotoner av laserstrålning från mycket stora avstånd [51] . Samtidigt motsvarar dessa parametrar också den diffraktionsgräns vid vilken radioteleskop fungerar, men ännu inte (idag) lasersystem. För att närma sig upplösningen till diffraktionsgränsen, föreslås att signalen från sonderna passerar genom Fresnel-linsen, till vilken seglet omvandlas när de når destinationen [49] . Hur man exakt ska genomföra en sådan omvandling av seglets struktur och egenskaper har ännu inte räknats ut; "Idén att göra ett segel till en Fresnel-lins baserat på ett tunnfilmsdiffraktivt element är ganska komplex och kräver mycket arbete i förväg för att ta reda på exakt hur man gör det bäst", säger Philip Lubin. "Det här objektet är faktiskt en av de viktigaste i vår projektplan." När det gäller förhållandet mellan ljusstyrkan hos signalerna, med hans egna ord, "är ljuset från stjärnan faktiskt ganska svagt, eftersom linjebredden på vår laser är mycket liten. Den smala linjen är en nyckelfaktor för bakgrundsminskning” [6] . Motsvarande våglängd bör skilja sig från den som kraftverket är inställt på under accelerationssteget, med hänsyn tagen till dopplerskiftet på grund av källsondens rörelse i hög hastighet [49] .
Slutligen, om en fasad array av optiska sändare/strålningsmottagare med en total bländaröppning på en kilometer skapas, som kan ta emot en signal från sonder, kommer det i sig att vara ett instrument som kommer att se exoplaneter från ett avstånd av tiotals parsecs. Detta väcker en logisk fråga, varför behövs sonderingar i detta fall överhuvudtaget. Men som ett långsiktigt program planeras sondens funktionalitet utökas genom att lägga till en infraröd spektrometer utöver kameran och andra sensorer [6] [5] , sa Lubin .