Wewnątrz Starshot, śmiały plan strzelania małymi statkami do Alpha Centauri

Zdjęcie Philipa Lubina spacerującego po plaży Michelle Groskopf

Konferencje statków kosmicznych przyciągają pełen nadziei tłum: naukowców, wynalazców i hobbystów entuzjastycznie nastawionych do budowy statków kosmicznych, które mogą latać między systemami gwiezdnymi. Podekscytowanie na tych spotkaniach może sprawić, że poczujesz się tak, jakby wszystko było możliwe, ale także tak, jakby nic nie było możliwe. Wiele z proponowanych schematów jest zbyt niejasnych i prawie zawsze mają zbyt wiele luk technologicznych do wypełnienia.

W 2015 roku Philip Lubin, kosmolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, wystąpił na scenie podczas 100-letniego sympozjum statków kosmicznych w Santa Clara. Nakreślił swój plan zbudowania lasera tak potężnego, że mógłby przyspieszyć maleńki statek kosmiczny do 20% prędkości światła, doprowadzając je do Alpha Centauri w zaledwie 20 lat. Moglibyśmy zostać międzygwiezdnymi odkrywcami w ciągu jednego pokolenia. To był niezły haczyk.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ponieważ Lubin jest znakomitym mówcą publicznym, a technologie już istniały, a nauka była solidna, po rozmowie został oblegany przez tłum. Po raz pierwszy spotkał również Pete'a Wordena, byłego dyrektora ds. badań z NASA Ames Research Center. Worden niedawno przejął stanowisko szefa Breakthrough Initiatives, programu non-profit finansowanego przez rosyjskiego miliardera technologicznego Jurija Milnera. Sześć miesięcy później projekt Lubina otrzymał 100 milionów dolarów dofinansowania od Przełomu i poparcia Stephena Hawkinga, który nazwał go kolejnym wielkim skokiem w kosmos.

Starshot jest prosty, przynajmniej w teorii. Najpierw zbuduj ogromną gamę laserów o średniej mocy. Połącz je razem – co nazywa się blokadą fazy – aby stworzyć pojedynczą wiązkę o mocy do 100 gigawatów. Skieruj wiązkę na wysoce odblaskowe żagle świetlne przymocowane do statku kosmicznego ważącego mniej niż gram i znajdującego się już na orbicie. Włącz wiązkę na kilka minut, a ciśnienie fotonowe wystrzeli statek kosmiczny do prędkości relatywistycznych.

W laboratorium Santa Barbara na Uniwersytecie Kalifornijskim w Lubinie eksperymentalna grupa kosmologiczna bada wczesny wszechświat. Połączenie badań Lubina nad energią ukierunkowaną z innymi pasjami, takimi jak napęd, pomogło rozwinąć się Starshot. Ms Tech / oryginalne zdjęcia: Michelle Groskopf

Taka technologia mogłaby być nie tylko wykorzystywana do wysyłania czujników do innego systemu gwiezdnego; może wysłać większe statki na sąsiednie planety i księżyce Ziemi. Wyobraź sobie paczkę na Marsa za kilka dni lub załogową misję na Marsa za miesiąc. Starshot skutecznie zmniejsza układ słoneczny, a ostatecznie galaktykę.

To jest fantastyczne. A także sen. Albo akcja sprzedażowa. Lub długoterminowy, dalekosiężny projekt, którego nie można utrzymać wystarczająco długo, aby zbudować nieistniejące technologie.

Lubin ma 66 lat. Chodzi szybko, a jego gęste włosy i pełna broda są ciemne. Kiedy w kwietniu pojechałem się z nim spotkać w Santa Barbara, powiedział mi, że był poważnym dzieckiem, zaniepokojonym realiami świata. Szukał pocieszenia w matematyce i nauce, ponieważ uważał je za piękne. Kochałem szkołę, wyjaśnia. Uczyłem się cały czas. To było dla mnie jak rekolekcje: jeździć na rowerze do biblioteki i pożerać książki.

Mimo to nie spodziewał się, że pójdzie ścieżką akademicką – wydawało się to niemożliwe. Jego rodzina ceniła wykształcenie, ale litewski ojciec, który pracował jako listonosz, nigdy nawet nie ukończył szkoły średniej. Jego urodzona w Rosji matka była sekretarką. Dorastałem z uwewnętrznieniem, że studia były dla innych ludzi, mówi. Jednak za namową szkolnego pedagoga w Los Angeles, uczęszczał do Community College; tamtejsi nauczyciele zachęcali go do przeniesienia się na UC Berkeley. I tam jego profesorowie popchnęli go, by złożył podanie na studia magisterskie. Ostatecznie wylądował na Harvardzie. Kiedy patrzę wstecz, mówi, że byłem totalnym głupcem.

Dziś Lubin jest kosmologiem. Przez większość swojej kariery budował sprzęt do pomiaru promieniowania tła wszechświata, ale jego zainteresowania naukowe i techniczne są zróżnicowane. To właśnie na konferencji poświęconej technologiom obronnym, opowiadając o użyciu laserów do obrony Ziemi przed nadlatującymi asteroidami i kometami, po raz pierwszy wpadł na pomysł Starshot.

Michelle Groskopf

Opowiada mi też o innej obsesji: napędzie. Większość dzisiejszych rakiet jest napędzana paliwem płynnym, podobnie jak wtedy, gdy Niemcy wymyślili V2 podczas II wojny światowej. Dla porównania ostatnie 75 lat w informatyce przyniosło bilionowy wzrost szybkości. Czy nie byłoby fajnie, gdyby napęd mógł tak postępować? mówi Lubin. SLS – superciężka rakieta NASA, która kosztowała już 12 miliardów dolarów i wciąż nie jest gotowa – może kosztować mniej niż grosz.

Laboratoria Lubina na UC Santa Barbara mają zagracony magazyn, który przypomina układy fizyki eksperymentalnej: gigantyczne szpule światłowodów, stojaki na oscyloskopy, skrzynki narzędziowe, płytki drukowane. Jedna szafka na rozpuszczalniki, druga na przekąski.

Gdy przechodzimy przez laboratoria, szybko przyznaje, że Starshot wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami. Na przykład nie ma lasera, który byłby wystarczająco mocny, aby wykonywać tego rodzaju wybuchy. Nie ma lekkich żagli, które mogłyby przyjąć taką belkę bez zniszczenia. Nie ma statku kosmicznego o wadze nie mniejszej niż gram, a pytania dotyczące dostarczania lasera i lokalizacji lasera pozostają. Do tego dochodzą etyczne i geopolityczne implikacje budowania tak potężnego, ukierunkowanego źródła energii. W końcu może to być też broń.

Przy tablicy badacz z tytułem doktora Peter Krogan zaczyna prowadzić mnie przez rozwiązania tych problemów. Po pierwsze: budowanie tablicy laserowej.

Michelle Groskopf

Wyzwaniem jest tutaj ustalenie, jak ustalić częstotliwość miliardów laserów, każdy o średnicy 10 centymetrów, i ustabilizować je, aby można je było połączyć w jedną dużą wiązkę. Blokowanie większej liczby wiązek razem umożliwia skalowanie mocy lasera do proponowanych poziomów. Obecny plan pracy zespołu dotyczy macierzy znajdującej się na ziemi, która utrzymuje koszty niższe niż w przypadku umieszczenia jej na orbicie, ale dodaje inne komplikacje – takie jak pokonanie zakłóceń atmosferycznych. Wymaga to nadajnika przymocowanego do statku kosmicznego, który wysyła sygnał z powrotem przez atmosferę, umożliwiając naziemnym laserom namierzenie celu. Aby połączyć macierz, Krogan pracuje nad blokowaniem fazy zagnieżdżonej, w której mniejsza tablica synchronizuje się przed umieszczeniem kolejnej warstwy w tablicy i tak dalej. Jeśli to może zadziałać dla dwóch warstw laserów – ich bezpośredniego celu badawczego – to może być możliwe zrobienie tego dla pięciu warstw, które symulacje mówią, że są najlepsze dla wiązki o mocy 100 gigawatów.

Drugim dużym wyzwaniem jest żagiel słoneczny. Chociaż koncepcja ta istnieje od dziesięcioleci, nie została pomyślnie wdrożona do 2010 roku, kiedy japońska sonda Ikaros przetestowała żagiel o powierzchni 14 metrów kwadratowych podczas swojej misji wokół Słońca. Ale żagiel, który może wytrzymać delikatne ciśnienie fotonów słonecznych, drastycznie różni się od tego, który jest w stanie wytrzymać najpotężniejszy laser, jaki kiedykolwiek zbudowano — różnica między pozwoleniem na uderzenie kwietniowej mgły w twarz a uderzeniem wężem strażackim.

Aby sobie z tym poradzić, żagiel Starshot musi być niezwykle wytrzymały, ale musi być również niezwykle lekki. Kluczem, wyjaśnia Krogan, jest przepuszczenie części tej mocy: materiał żagla musi być jednocześnie przezroczysty i odblaskowy. Szkło jest jednym z bardziej obiecujących kandydatów, chociaż jego właściwości musiałyby zostać dostosowane, aby uzyskać idealne połączenie współczynnika odbicia i przezroczystości. Idealny materiał wciąż wymaga wynalezienia, ale są pewne obiecujące postępy, mówi Krogan.

Prashant Srinivasan jest jednym z tych, którzy pracują nad napędzanym laserem statkiem kosmicznym waflowym, który grupa ma nadzieję dotrzeć do Alpha Centauri w ciągu jednego pokolenia. Michelle Groskopf

Trzecim głównym wyzwaniem jest zbudowanie małego statku kosmicznego. Najmniejsze obiekty krążące obecnie wokół Ziemi to sześciany, które mają po 10 centymetrów z każdej strony i ważą około kilograma. Zespół Lubina chce zmniejszyć cały statek do rozmiarów mikroczipa – to, co nazywają waflową skalą. Zminiaturyzowali prototypy do rozmiarów pudełka zapałek, a nawet ćwiartki. Ale ich najlepiej działające modele ważą obecnie około 100 gramów, wciąż 100 razy za dużo jak na misję Alpha Centauri. Przeszkody obejmują integrację elektroniki i fotoniki, dzięki czemu jest ona w stanie wytrzymać promieniowanie w dalekim kosmosie, zmniejszając zasilanie, opracowując bardzo mały pokładowy silnik… lista jest długa.

Ale chociaż wyzwania techniczne są realne, główna różnica między Starshot a wieloma innymi projektami międzygwiezdnymi polega na tym, że nie wymaga to nowej fizyki ani nawet całkowicie nowych technologii. Kiedy Lubin rozwijał pomysł, wysłał szczegóły do ​​kolegów w celu uzyskania opinii. Mówił, że byli to ludzie, którzy rozerwaliby go na strzępy. Ludzi, którzy nie biorą jeńców, nie mają litości i czują się całkowicie swobodnie, mówiąc: „Ty idioto!”… Powiedziałem: „Proszę, zniszcz to, bo jestem zmęczony pracą nad tym.” W końcu wszyscy, z którymi rozmawiałem, powiedzieli , „Cóż, powinno działać”.

Zanim eksperci techniczni Breakthrough sprawdzili koncepcję, zarys był solidny. Worden był podekscytowany. Wszyscy byliśmy przekonani, że była to pierwsza naprawdę wiarygodna technologia międzygwiezdna, którą moglibyśmy zrobić w naszym życiu i byłaby przystępna cenowo, mówi.

A nawet jeśli nie wszystkie problemy zostaną rozwiązane, to część z nich warto rozwiązać – mówi. Na przykład opracowanie w pełni sprawnego statku kosmicznego, który waży mniej niż gram, byłoby poważną rewolucją. Cubesaty były przez wielu odrzucane dopiero kilka lat temu; teraz są ich konstelacje. Chipsaty, jak mówi, wkrótce dojrzeją i zrewolucjonizują naukę i komunikację. Niedrogie, wydajne macierze laserowe mogą być przydatne do takich zadań, jak usuwanie kosmicznych śmieci z drogi. A postępy w lekkich żaglach pozwolą statkom kosmicznym w mikroskali w naszym własnym Układzie Słonecznym dotrzeć do innych planet w ciągu miesięcy, a nie lat. To zmieni nasze rozumienie obiektów w naszym Układzie Słonecznym i poszukiwania życia, mówi Worden. A komercyjnie będzie to niezwykle cenne przy poszukiwaniu zasobów kosmicznych.

Jest jednak jedna kwestia, której technologia nie może rozwiązać: geopolityka. Lasery pomogłyby napędzać żagle słoneczne, mówi Joan Johnson-Freese, profesor ds. bezpieczeństwa narodowego w US Naval War College, która również zasiada w radzie przełomu. Ale kiedy zaczynasz mówić o odpalaniu laserów, ludzie bardzo się denerwują.

Sugeruje, że umowy międzynarodowe prawdopodobnie zapewniłyby najszersze, najkorzystniejsze wykorzystanie tak potężnego lasera. A potencjał militarny kosmosu nie jest nowy: dziś wszystko, co Chiny robią w kosmosie, jest uważane za podwójne zastosowanie. To samo dotyczy Stanów Zjednoczonych, mówi. Chiny mogą interpretować wszystko, co robimy, jako groźne.

Jednym z rozwiązań może być demokratyzacja eksploracji. Historycznie USA i inne supermocarstwa dominowały w kosmosie, ale Starshot może otworzyć go dla krajów, które nie mają dostępu. Naród, który uruchomił flotę chipatów, mógł uzyskać dostęp do komunikacji, eksploracji i komercyjnego rozpoznania, na które wcześniej nie było stać. To rzadki projekt, który ma tak duże implikacje technologiczne, naukowe, handlowe i geopolityczne.

Michelle Groskopf

Wymaga to uważnego myślenia, a także przejrzystości, a być może międzynarodowej współpracy i rozmów na dłuższą metę – mówi Lubin. Na szczęście mamy trochę czasu, ponieważ w najbliższym czasie nie będziemy wdrażać.

Kiedy więc zostanie zrealizowany Starshot? Jednym z celów jest dostarczenie sond do Alpha Centauri do 2061 roku, w setną rocznicę pionierskiego lotu orbitalnego Jurija Gagarina. To daleko, prawie na pewno za życia Lubina. Mówi, że projekt będzie miał szansę tylko wtedy, gdy ludzie zdadzą sobie sprawę, że jest oparty na kamieniach milowych, podróży drogowej z wieloma punktami po drodze.

Ale ten długi horyzont oznacza, że ​​będzie potrzebował pieniędzy. Składki NASA wygasły w tym roku. Inne pieniądze pochodziły od anonimowego filantropa. I jak dotąd fundusze Breakthrough jeszcze nie dotarły.

Jesteśmy nową organizacją i wciąż jesteśmy w fazie startowej, mówi Worden, obiecując, że pieniądze pojawią się po zakończeniu negocjacji między uczelniami, wykonawcami i regulatorami.

To zagadka, ale Lubin nie boi się odrobiny złożoności. Właśnie o to chodzi w całym tym przedsięwzięciu. To nie jest technologia jednorazowego użytku, mówi. To nie tylko opłatki do gwiazd. To satelity do Europy, ludzie do szybkiego Marsa, możliwość dłuższego utrzymywania statku kosmicznego na orbicie na niskich wysokościach lub ochrona planety przed zewnętrznymi zagrożeniami, takimi jak asteroidy. Jeśli nie rozumiesz całego zakresu tej technologii, to brakuje Ci piękna transformacji, którą umożliwia.

Kate Greene jest eseistką, poetką i byłą fizyką laserową.

ukryć