5 câu hỏi lớn về công nghệ Nanocraft Starshot

Hôm thứ ba, tỷ phú người Nga Yuri Milner và nhà vật lý thiên văn nổi tiếng Stephen Hawking đã công bố kế hoạch 100 triệu đô la của họ để nghiên cứu Alpha Centauri, hệ thống sao gần nhất với Trái đất (chỉ cách 4,37 năm ánh sáng). Mục tiêu, trong số một số nghiên cứu khoa học khác nhau, về cơ bản là tìm xem người ngoài hành tinh có tồn tại trong khu rừng đó hay ít nhất là nếu có bất kỳ hành tinh hoặc mặt trăng nào trong hệ thống có khả năng hỗ trợ sự sống.

Được gọi là Đột phá Starshot, dự án bao gồm việc gửi tàu vũ trụ siêu nhẹ (được đặt tên là Star Star Starips) trên đường tới Alpha Centauri được mang theo bởi một chiếc đèn chiếu sáng được chiếu bởi chùm sáng 100 gigawatt.

Đây chỉ là đỉnh của tảng băng trôi. Toàn bộ kế hoạch diễn ra như một thiên tài điên rồ, hoặc đơn giản là điên rồ. Tuy nhiên, bạn càng đào sâu vào, thì càng có vẻ như kế hoạch của Milner và phi hành đoàn của anh ta thực sự có thể khả thi.

Điều này là do công nghệ mà họ đang đề xuất không thực sự vượt xa khả năng. Nó chắc chắn kéo dài trí tưởng tượng, nhưng nó không phá vỡ nó. Công nghệ lightail đã được thử nghiệm bởi khá nhiều nhóm nghiên cứu, bao gồm một nhóm do Bill Nye tổ chức. Sự gia tăng của CubeSats như một cách hiệu quả, không tốn kém trong việc tiến hành nghiên cứu không gian đã thực sự cho thấy có thể kiếm được bao nhiêu bằng cách tạo ra các tàu vũ trụ nhỏ hơn, nhẹ hơn. Nanoccraft như Starshot chỉ là một bước hợp lý theo hướng đó.

Tuy nhiên, có nhiều về những câu hỏi vẫn còn về việc Milner, Hawking và thậm chí là người sáng lập Facebook Mark Zuckerberg (một nhà đầu tư) sẽ giải quyết vấn đề này như thế nào. Dưới đây là năm câu hỏi lớn nhất về công nghệ nanocraft và hệ thống phóng chùm sáng - và một số câu trả lời có thể cung cấp một số thông tin chi tiết.

Light Beams như một công nghệ đẩy - hãy giải thích!

Kế hoạch Starshot ra mắt những đứa trẻ nanocraft này không sử dụng nhiên liệu và lửa - nó sử dụng ánh sáng và laser. Các laser năng lượng cao, tập trung cao đã là nguồn gây tò mò cho các kỹ sư đẩy trong nhiều thập kỷ nay, nhưng chỉ gần đây, cuối cùng chúng ta mới có thể hình dung được việc sử dụng công nghệ như vậy trong một số ứng dụng - bao gồm di chuyển các mảnh vỡ quỹ đạo ra khỏi đường đi của các vệ tinh quan trọng. Xét cho cùng, ánh sáng là một năng lượng có khả năng tác dụng lực lên một hệ thống.

Đó là từ khóa, mặc dù: thụ thai. Chúng tôi vẫn chưa thực sự chế tạo được chùm tia laser có thể bắn ra một vật thể khác vào không gian thông qua lực cực mạnh của photon. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các công nghệ đẩy lai sẽ sử dụng laser kết hợp với các phương pháp thông thường hơn, nhưng không phải là chất đẩy duy nhất.

Có thể bạn đang nói, nhưng sau đó, một cánh buồm mặt trời phải hoạt động như thế nào trong không gian? 'Vâng, công nghệ buồm mặt trời kêu gọi sử dụng các photon được tạo ra bởi các tia mặt trời mặt trời để đẩy cánh buồm (và tàu vũ trụ của nó) về phía trước. Cánh buồm được đưa lên vũ trụ theo cách thời trang ol, mặc dù: tên lửa.

Starshot tuyên bố rằng một chùm tia sáng - một loạt các tia laser được thiết lập ở quy mô rộng hàng km - có khả năng cung cấp tới 100 gigawatt năng lượng chùm tia. Chúng tôi sẽ sử dụng một tia laser cực lớn, nhưng thay vào đó là nhiều tia laser nhỏ hơn. Có lẽ hàng triệu, hoặc hàng trăm triệu.

Điều đó có thể đủ lực để đưa các vật liệu nano ra khỏi bầu khí quyển Trái đất và lực hấp dẫn không? Có lẽ. Milner cho rằng Starshot có cơ hội tốt hơn bằng cách thiết lập bệ phóng ở môi trường cao độ, như sa mạc Atacama. (Dưới đây là bốn gợi ý chúng tôi đã đưa ra hôm nay.) Nó cũng tương đối khô đủ để giảm khả năng hơi nước có thể tích tụ và tạo thêm trọng lượng trên tàu vũ trụ hoặc cản trở lực lượng Laser Laser khi nó đẩy tàu vũ trụ lên.

Nếu mọi việc suôn sẻ, các tàu thăm dò sẽ được trên con đường của họ để Alpha Centauri ở mức 100 triệu dặm mỗi giờ, và đạt được hệ thống trong vòng 20 năm.

Đèn led siêu mỏng và siêu tinh tế. Làm thế nào điều này được cho là để tồn tại sự ra mắt? Làm thế nào để tồn tại những tảng đá và bụi quay quanh không gian trong hai mươi năm?

Một cái đèn được làm bằng siêu vật liệu siêu mỏng (thuật ngữ bắt mắt dùng để chỉ vật liệu thí nghiệm) được thiết kế để lấy các photon tới từ nguồn sáng và sử dụng chúng như một lực áp lực tác động lên chính cánh buồm. Nhờ đó, cánh buồm có thể tiến về phía trước và thậm chí tăng tốc lên tốc độ cao hơn nhiều.

Như tôi đã đề cập, lightails aren mới. Bill Nye và Hiệp hội hành tinh đã làm việc trong một dự án lightail nhằm tìm cách chứng minh khả năng tồn tại của một công nghệ như một thiết kế đẩy tàu vũ trụ hiệu quả về chi phí. NASA đang ra mắt Hướng đạo tiểu hành tinh gần Trái đất (NEA Scout) vào năm 2018 trên tàu Orion cho nhiệm vụ khai mạc cho Hệ thống phóng không gian, sẽ đi đến một tiểu hành tinh gần đó thông qua một cánh buồm mặt trời có thể mở rộng.

Cả hai đèn này đều gặp phải cùng một vấn đề là va chạm với bụi và mảnh vụn giữa các vì sao có thể chọc vào lỗ trên buồm và làm hỏng toàn bộ. Đó là một khả năng khá khác biệt, nhưng nó bị giới hạn bởi một vài sự cân nhắc.

Thứ nhất: không gian là lớn. Có rất nhiều vật chất trôi nổi xung quanh, nhưng nó không giống như ở đây trên Trái đất nơi các hạt trong không khí ở khắp mọi nơi chúng ta quay. Các đối tượng trong không gian là dặm ngoài - ít nhất là từ 10 đến càng nhiều càng triệu, nhưng dù sao dặm. Khả năng đánh một cái gì đó - trong khi thực tế - vẫn còn tương đối xa.

Thứ hai, những cánh buồm này được thiết kế đặc biệt để duy trì tương đối chắc chắn khi bị hư hại. Lấy ví dụ về Hướng đạo NEA. NASA đã kiểm tra xem đèn chiếu sáng của nó có thể duy trì tính toàn vẹn cấu trúc tốt như thế nào ngay cả khi nó bị tấn công với một vài mẩu rác không gian ở đây và đó. Chừng nào còn có một chấn thương thảm khốc (như giả sử, một tiểu hành tinh có kích thước của Texas đang lao vào tàu vũ trụ), NEA Scout vẫn có thể tiến về phía trước và tự điều khiển theo lệnh của NASA.

Các nanocraft Starshot cũng phải đối mặt với những vấn đề này. Đèn của chúng được dự đoán sẽ kéo dài ra một cái gì đó ở quy mô vài mét, vì vậy chúng sẽ khá nhỏ. Nhưng chúng sẽ chỉ dày vài trăm nguyên tử và có khối lượng khoảng một gram. Chúng đủ nhỏ để tránh gần như mọi loại vật thể sắp bay lơ lửng trong không gian - nhưng trong những tỷ lệ không may mắn chúng bị tấn công, toàn bộ tàu vũ trụ có thể sẽ bị phá hủy. Và chúng ta không biết gì về hàm lượng bụi trong Alpha Centauri.

Nhưng có một vấn đề lớn mà một mình nanocraft phải giải quyết - không bị sụp đổ trong quá trình phóng chùm sáng. Cánh buồm dự kiến ​​sẽ bị một chùm tia chiếu tới khoảng 60 lần ánh sáng mặt trời chiếu vào Trái đất tại bất kỳ thời điểm nào. Cánh buồm không chỉ cần không bị tan chảy mà còn có thể bay vào vũ trụ mà không bị xé toạc bởi các lực lượng khí quyển. Ước tính một phần trong 100.000 tia laser sẽ là quá đủ để làm bay hơi cánh buồm. Điều này chưa bao giờ được thực hiện trước đây. Không có gì để nói rằng dự án Starshot sẽ cần phải tiến hành bao nhiêu trước khi thực hiện đúng phần này.

StarChip hoạt động như thế nào? Những loại dữ liệu nào được cho là thu thập?

StarChips - được chế tạo trên quy mô một gram và có thể nằm gọn trong lòng bàn tay - sẽ không phải là hệ thống tiên tiến mà một thứ như máy bay Curiosity hay Kính viễn vọng Không gian Kepler đã giúp chúng ta để nghiên cứu các thế giới khác nhau trong không gian. Họ sẽ rất cơ bản. Mục tiêu là dán bốn camera (mỗi hai megapixel) trên chip sẽ cho phép một số hình ảnh rất cơ bản của Alpha Centauri và các hành tinh và mặt trăng khác nhau của hệ thống.

Dữ liệu đó sẽ được truyền trở lại Trái đất bằng cách sử dụng ăng-ten dài hàng mét có thể thu vào hoặc thậm chí có thể sử dụng đèn chiếu sáng để tạo điều kiện cho các liên lạc dựa trên laser có thể tập trung tín hiệu trở lại Trái đất.

Điều đó dường như đủ tiêu chuẩn. Chính xác những hình ảnh đó là gì để cho chúng ta thấy?

Trong đó có một ẩn số khác. Khi các nhà thiên văn học đánh giá tiềm năng của các thế giới khác là có thể ở được, họ đã nhìn vào một loạt các dữ liệu khác nhau, từ nhiệt độ hành tinh, thành phần, khoảng cách từ ngôi sao chủ của họ, dấu hiệu của bầu khí quyển hiện tại - và nhiều hơn nữa. Rất nhiều thứ này chỉ có thể đo được thông qua các loại máy ảnh khác nhau có thể nhìn thấy trên phổ điện từ. Các máy nano tại thời điểm này sẽ chạy trên máy ảnh không quá giống với những gì chúng ta sử dụng trên điện thoại thông minh của mình. Điều đó hầu như không hữu ích cho việc thực sự hiểu chỉ một hành tinh hoặc mặt trăng có thể duy trì bất kỳ loại sự sống nào, hoặc đã thể hiện các dấu hiệu của sự sống.

Tuy nhiên, khi bạn xem xét mục tiêu là gửi nhiều tàu vũ trụ nhỏ đến một hệ thống xa nhiều năm ánh sáng trong vòng hai thập kỷ, bạn phải cắt giảm chi phí ở đâu đó.

Ngay cả khi thứ này sống sót sau hành trình đến Alpha Centauri, làm thế nào để sống đủ lâu để thu thập đủ dữ liệu hữu ích?

Tuổi thọ rất quan trọng đối với dự án Starshot. Các nanocraft cần duy trì năng lượng trong vài thập kỷ để thực sự khai thác tiềm năng nghiên cứu đầy đủ của chúng. Để đạt được điều này, sáng kiến ​​Đột phá đang đề xuất một nguồn năng lượng trên tàu dựa trên plutonium-238 hoặc Americium-241, nặng không quá 150 miligam.

Về cơ bản, khi đồng vị plutonium hoặc Americium phân rã, nó sẽ sạc một siêu tụ điện bật các thành phần StarChip cần thiết để chụp ảnh và truyền chúng trở lại Trái đất. Một nguồn năng lượng nhiệt điện cũng có thể được thực hiện để tận dụng lợi thế của nhiệt độ bề mặt phía trước nanô tăng lên khi nó bắt đầu tiếp cận với bầu khí quyển của các thế giới khác.

Quang điện - biến ánh sáng mặt trời thành năng lượng - cũng đang được xem xét. Một nguyên mẫu cánh buồm mặt trời đã được Nhật Bản thử nghiệm khoảng sáu năm trước, IKAROS, đã vẽ bề mặt của cánh buồm mặt trời của nó bằng một quang điện. Điều này là không thực tế khi nanocraft cuối cùng đã vượt ra khỏi ranh giới của hệ mặt trời, nhưng có thể hữu ích trong khoảng thời gian đó để tiết kiệm nhiều pin hơn.

Câu hỏi lớn là liệu bạn có thể giữ những vật liệu rẻ tiền như vậy tồn tại trong vòng 20 đến 50 năm hay không. Trong một kịch bản lý tưởng, điều có thể xảy ra nhiều hơn là mỗi nanocraft sẽ chỉ được dự kiến ​​sẽ thu thập dữ liệu trong một khoảng thời gian tương đối ngắn - khoảng một vài tháng. Nếu Milner và công ty thực sự tập trung vào việc sản xuất hàng loạt những thứ này, thì họ sẽ không gặp vấn đề gì khi gửi một bó theo mọi hướng để khám phá nhiều nhất có thể về Alpha Centauri. Mong đợi mỗi người sẽ hoạt động trong nhiều năm là điều không thực tế nếu chúng ta có thể trực tiếp can thiệp và chuyển các chuyển động của họ theo hướng mới.

Giá cả

Mục tiêu của Milner đã bày tỏ là tạo ra mỗi nanocraft với chi phí cần thiết để xây dựng một chiếc iPhone. Mỗi kết hợp SmartChip và lightail không quá vài trăm đô la - và mục tiêu là tiếp tục bổ sung các công nghệ tốt hơn khi chúng ngày càng ít tốn kém hơn trong những năm qua.

Trong thực tế, phần đắt nhất (và được cho là ít khả thi nhất) của dự án này là chùm sáng. Chúng tôi nói về 100 gigawatt điện trong hai phút để bắn thứ chết tiệt đó. Một gigawatt duy nhất có thể cung cấp năng lượng cho 700.000 ngôi nhà. Vậy là đủ cho 70.000.000 nhà.

Điều đó đủ sức mạnh để giữ cho nhiều quốc gia nhỏ đi. Con số đó gấp 100 lần số lượng được sản xuất bởi một nhà máy điện hạt nhân điển hình. Nó rất khó để hiểu được cách mà họ sẽ tập hợp nhiều năng lượng này vào một nơi để phóng một loạt các vật liệu nano ra ngoài không gian.

Tổng chi phí cho một lần bắn lightbeam là, theo một người bình luận trên trang web Đột phá, 70.000 đô la.

Vâng, chúng tôi sẽ thấy về đó.