Statek kosmiczny femto może podróżować do Alpha Centauri

W zeszłym roku mały zespół astronomów ogłosił odkrycie planety podobnej do Ziemi krążącej wokół czerwonego karła Proxima Centauri, jednego z naszych najbliższych sąsiadów w układzie Alpha Centauri. Ta egzoplaneta, zwana Proxima Centauri b, znajduje się w strefie nadającej się do zamieszkania wokół swojego gospodarza. Jakakolwiek woda powinna istnieć w postaci płynnej, co czyni tę planetę ważnym kandydatem w poszukiwaniu życia pozaziemskiego.

W związku z tym Proxima Centauri b wzbudziła duże zainteresowanie. Znajduje się około 40 bilionów kilometrów od Ziemi, odległość, jaką światło pokonuje w ciągu nieco ponad czterech lat. Statek kosmiczny podróżujący z prędkością około jednej dziesiątej prędkości światła mógłby przebyć tę podróż za około 50 lat.

I to rodzi interesujące pytanie. Czy możliwe jest zbudowanie statku kosmicznego, który moglibyśmy wysłać do Proxima Centauri jeszcze za życia dzisiejszych ludzi?

Dzisiaj otrzymujemy coś w rodzaju odpowiedzi, dzięki pracy Andreasa Heina i kolegów z Instytutu Badań Międzygwiezdnych w Londynie, Wlk. instrumenty, które mogłyby prowadzić szczątkowe obserwacje systemu gwiezdnego i wysyłać wyniki z powrotem na Ziemię. Swój statek kosmiczny femto nazywają sondą Andromeda i twierdzą, że za kilka lat może być w drodze do Proxima Centauri i jej siostrzanych gwiazd.

Ale jest zastrzeżenie. Podczas gdy niektóre technologie wymagane do tej podróży są dostępne teraz lub w najbliższej przyszłości, inne są znacznie bardziej spekulacyjne.

Podstawowy projekt jest prosty. Sonda Andromeda to w zasadzie podrasowane wnętrze aparatu smartfona. Składa się z czarno-białego aparatu o rozdzielczości 12 megapikseli, obiektywu, kilku czujników bezwładnościowych i magnetometru. Posiada również baterię jądrową, podstawowy układ sterowania i system komunikacji. Całkowita masa proponowanego statku kosmicznego wynosi 23 gramy, powiedzmy Hein i spółka.

I jest napędzany światłem lasera. Pomysł, który już wcześniej badało kilku innych, polega na wyposażeniu sondy Andromeda w lekki żagiel i przyspieszeniu jej w kierunku Proxima Centauri na czubku niezwykle silnej wiązki laserowej. Laser ten będzie znajdował się na orbicie okołoziemskiej z ciągłą mocą wyjściową 15 gigawatów.

Hein i spółka szczegółowo omawiają wyzwania technologiczne związane z budową takiego statku kosmicznego (jeśli nie systemu laserowego).

Jednym z najważniejszych wyzwań jest nawigacja w kosmosie. Duża część dokładności nawigacji sondy będzie zależeć od dokładności wskazywania lasera. Zespół twierdzi, że dokładność nanoradiowa załatwiłaby sprawę i że kilka obecnych statków kosmicznych ma podobne wymagania. Na przykład Teleskop Jamesa Webba ma dokładność 24 nanoradianów.

Ale statek kosmiczny nadal będzie musiał od czasu do czasu wprowadzać drobne poprawki. A będzie to możliwe tylko wtedy, gdy będzie wiedziało, gdzie jest z dużą dokładnością. Można to zrobić za pomocą wbudowanej kamery i czujników bezwładnościowych do śledzenia gwiazd, ale nadal jest to trudne zadanie.

Statek kosmiczny również będzie musiał się orientować i dokładnie śledzić obiekty. Podróżując z prędkością 0,1 światła, sonda przejdzie przez system Proxima Centauri za około sześć dni. W tym czasie będzie musiał wykonać tyle zdjęć i innych obserwacji, ile zdoła.

Więc statek kosmiczny będzie musiał śledzić swoje cele i nakierowywać się na nie z dużą dokładnością, w przeciwnym razie obrazy będą bezużyteczne. I będzie musiał to zrobić autonomicznie, ponieważ ośmioletni okres na komunikację nakłada poważne ograniczenia na pomoc, jaką może dać kontrola naziemna.

Hein i co identyfikują różne sposoby wskazywania statku kosmicznego i zmiany jego orientacji. Co najważniejsze, kilka z nich nie wymaga wewnętrznych źródeł zasilania. Jednym z pomysłów jest zmiana współczynnika odbicia części lekkiego żagla tak, aby laser wywierał nierówną siłę, która powoduje jego obrót.

Innym, bardziej energochłonnym pomysłem jest przesuwanie masy na belce, powodując obrót statku kosmicznego. Jednak faworytem zespołu jest wyposażenie żagla w ruchome klapy, które mogą generować moment obrotowy, a tym samym obracać statek kosmiczny.

Jednym z problemów związanych z podróżami międzygwiezdnymi jest ryzyko uderzenia w cząstkę pyłu. Przy jednej dziesiątej prędkości światła taka kolizja mogłaby spowodować wyparowanie statku kosmicznego. Tak więc Hein i współpracownicy planują pokryć sondę grafenową osłoną Whipple'a, składającą się z kilku warstw, zaprojektowanych tak, aby rozbijać każdą cząsteczkę przechodzącą przez warstwy, rozprowadzając w ten sposób ich energię.

Ryzyko zniszczenia rodzi kolejny ciekawy pomysł – wysłanie roju statków kosmicznych. Zwiększa to redundancję misji i możliwości gromadzenia danych. Pozwala również lepiej wykorzystać wiązkę lasera, która się rozproszy, przez co stracimy dużo energii. Z tych powodów rój femto-statek ma sens.

Następnie istnieje system komunikacji z Ziemią, który musi być w stanie wysłać do domu wszelkie zdjęcia, jakie robi statek kosmiczny. Przy mocy na wagę złota i w odległości kilku lat świetlnych prawdopodobnie zajmie to dużo czasu.

Ale można to poprawić na różne sposoby. Jednym z pomysłów jest skonfigurowanie systemu opierania się na danych poprzez wysyłanie femto-statków kosmicznych w różnym czasie w celu przechwycenia sygnałów i przesłania ich dalej. Innym jest wykorzystanie pola grawitacyjnego Słońca jako soczewki do skupiania sygnałów z Proxima Centauri. Oznaczałoby to umieszczenie statku kosmicznego za naszym słońcem w linii prostej do celu, kolejne trudne i kosztowne zadanie.

Zasilanie na pokładzie jest nieco prostsze. To musiałaby być pewnego rodzaju bateria jądrowa. Powoduje to wytwarzanie ciepła, gdy jego zawartość radioaktywna ulega rozpadowi i jest jednym z niewielu składników, które dobrze mieszczą się w granicach nowoczesnej inżynierii.

Na koniec pojawia się trudne pytanie, ile to wszystko będzie kosztować i kiedy można wysłać taką misję. Hein i spółka rozliczają się z niezwykłą kwotą 11 milionów dolarów kosztów rozwoju pierwszego statku kosmicznego. Wydaje się to ambitne, nawet jeśli dotyczy to tylko statku kosmicznego.

Nie uwzględnia też znacznie większych kosztów związanych z opracowaniem i uruchomieniem laserowego systemu napędowego o gigantycznych proporcjach. Laser o mocy 15 GW to istotna bestia. To o rząd wielkości więcej niż pojemność zapory Trzech Przełomów w Chinach, obecnie najpotężniejszej elektrowni na świecie.

Podczas gdy niektóre technologie stojące za tym pomysłem wydają się możliwe do zrealizowania w perspektywie krótko- lub średnioterminowej, kilka takich nie jest, w szczególności laserowy system napędowy. Ani koszty, ani harmonogram nie wydają się w pełni zakotwiczone w realnym świecie.

Niemniej jednak Hein i spółka twierdzą, że ich raport zakłada datę premiery gdzieś między 2025 a 2035 rokiem.

Być może najważniejszym mankamentem tej misji jest naukowy zysk. Obietnicą jest tutaj kilka zdjęć ze smartfona Proximy Centauri lub jej siostrzanych gwiazd w układzie Alpha Centauri.

Istnieje duże prawdopodobieństwo, że zdjęcia te nie będą wysokiej jakości i mogą w ogóle nic nie pokazywać, a już na pewno Proxima Centauri b. Z całym prawdopodobieństwem prawdopodobnie będziemy w stanie szybciej robić lepsze zdjęcia tej egzoplanety, używając teleskopów kosmicznych w naszym własnym Układzie Słonecznym, takich jak Teleskop Jamesa Webba.

Ale to umniejsza ducha przygody w tej misji. I dlatego nierozsądnie byłoby to wykluczyć.

Nowy wyścig kosmiczny nagrzewa się, gdy prywatne przedsiębiorstwa kosmiczne walczą o dostęp do orbity. Cele, które są najwyraźniej na ich celowniku, to: wysłanie człowieka na orbitę, wysłanie go wokół księżyca, pobliskich asteroid i być może na nich. Poza tym jest Mars.

Ale dla aspirującego biznesu kosmicznego, który chce wyrobić sobie markę, Proxima Centauri i jej siostrzane gwiazdy mogą złożyć trudną propozycję. Hein i spółka z pewnością trzymają kciuki.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1708.03556 : Studium Andromedy: misja femto-kosmiczna do Alpha Centauri

ukryć