Idea szerszej eksploracji kosmosu przewija się w głowach astronomów od dłuższego czasu. Naziemne teleskopy i radioteleskopy, a także różnej maści satelity i pojazdy, cały czas dostarczają nam nowych danych o otaczającym nas Wszechświecie, ale to wciąż jest zbyt mało. Nic nie zastąpi bezpośrednich badań, natomiast, na chwilę obecną, dość mocno ogranicza nas technologia. Ale czy na pewno?
Alfa Centauri to trzecia pod względem jasności gwiazda ze zbioru Centaura widoczna na nocnym niebie, choć powinienem raczej powiedzieć – trzeci układ gwiazd. Obserwowalną Alfę Centauri tworzy bowiem ciasny układ dwóch orbitujących wokół wspólnego środka masy gwiazd – Alfa Centauri A oraz Alfa Centauri B. Co prawda do układu zaliczany jest jeszcze czerwony karzeł okrążający wspomnianą dwójkę w większej odległości, ale ponieważ znajduje się ciut dalej, zazwyczaj nie jest określany Alfą Centauri C, ale otrzymał własną nazwę – Proxima Centauri.
To, co dla nas jest istotne, to odległość – układ w zbiorze Centaura znajduje się 4,37 roku świetlnego od nas. Przy prędkości obecnie wykorzystywanych pojazdów kosmicznych dotarlibyśmy tam za około trzydzieści tysięcy lat. W oczywisty sposób jest to podróż nieopłacalna – nawet, gdyby w jakiś pokrętny sposób podjęto decyzję o wysłaniu sondy, ona sama mogłaby tak długiej podróży nie przetrwać. Dlatego też kilka lat temu pojawił się pomysł wysłania w podróż roju niewielkich stateczków. Inicjatywa jest w pełni prywatna i szczerze mówiąc, tylko dzięki temu ma jakiekolwiek szanse na powodzenie. Zacznijmy jednak od początku.
Z dala od biurokracji
Agencje kosmiczne, choć wykonują kawał dobrej roboty, w wielu aspektach mają oczywiste ograniczenia. NASA zdana jest choćby na łaskę Kongresu, który nie tylko ustala budżet agencji, ale może wręcz wpływać na to, czym ona sama będzie się zajmować. Podobnym ograniczeniom podlega ESA, a także Roskosmos, choć ze względu na ustrój Rosji, w nieco innym stopniu. Każda agencja, choć ma mnóstwo planów i pomysłów, z ogromnej ich części musi po prostu rezygnować. Konieczne jest wybieranie najbardziej opłacalnych celów, a nie da się ukryć, że wysłanie jakiekolwiek misji poza Układ Słoneczny do opłacalnych nie należy.
W tym miejscu wkraczają prywatni inwestorzy. Jurij Milner, rosyjski miliarder, jeden z pierwszych inwestorów Facebooka i Twittera, od jakiegoś czasu finansuje dwa projekty – Breakthrough Initiatives, który zrzesza tytułowe przełomowe inicjatywy oraz Breakthrough Prizes, czyli nagrody przyznawane za wyjątkowe osiągnięcia. Stąd też nazwa projektu – Breaktrough Starshot. Jurij z wykształcenia jest fizykiem, jednakże z powodu niewielkich sukcesów porzucił naukę i zajął się biznesem, a teraz, kiedy ma możliwości, stara się do tej nauki powrócić. Na poparcie swoich zamiarów, a także w celu przekonania sceptyków o sensowności projektu, wyłożył na jego start sto milionów dolarów. W komitecie doradczym znalazło się między innymi dwóch laureatów Nagrody Nobla, Królewski Astronom z Wielkiej Brytanii, astrofizycy uniwersyteccy i inżynierowie. Szefem komitetu został były dyrektor jednego z wydziałów badawczych NASA. Do załogi dołączyły takie persony jak Mark Zuckerberg czy Stephen Hawking. Wisienką na torcie jest przyciągnięcie uwagi samego Freemana Dysona, astrofizyka i matematyka, którego możecie kojarzyć choćby z pomysłu Sfery Dysona – zainteresowanych odsyłam do internetu. Co ciekawe, Dyson otwarcie powiedział, że pomysł jest „głupi”, ale na tyle interesujący, że warto go rozwijać choćby dla samej technologii.
StarChip, czyli miniaturowe statki kosmiczne
Już na samym początku istnienia inicjatywy uznano, że wysłanie misji załogowej jest całkowicie poza zasięgiem, skupiono się więc na metodach osiągnięcia możliwie jak największej prędkości. Efektem jest pomysł, który technologicznie przedstawia ogromne wyzwanie, ale ma szansę na powodzenie. Załoga projektu wymyśliła, że możliwe jest wysłanie do Alfy Centauri roju niewielkich stateczków, choć stateczków to chyba zbyt dosadne określenie. StarChip, bo tak nazwany został pojedynczy egzemplarz nanostatku, to niewielki chip o szerokości zaledwie 15 milimetrów. Technologię miniaturyzacji układów opanowaliśmy już na tyle dobrze, że możliwe jest umieszczenie na takim chipie komputera, kamer, baterii, aparatury sygnalizacyjnej, a nawet spektrografów i magnetometrów. Waga pojedynczego chipu ma wynosić zaledwie jeden gram. Oczywiście taka kamera nie dorówna dokładnością kamerom używanym choćby przez naziemne teleskopy, natomiast warto zauważyć, że obserwacje dokonywane będą w bezpośredniej odległości, a nie z dystansu kilku lat świetlnych.
Sam chip nie na wiele by się jednak zdał bez pojazdu będącego swoistym statkiem-matką. Koncepcja zakłada wyniesienie takiego statku na orbitę za pomocą konwencjonalnych metod, a następnie rozpędzenie go do około 20% prędkości światła za pomocą laserów, które „świeciłyby” w jego żagiel słoneczny. Przewidywana jest siatka niewielkich laserów rozciągnięta na powierzchni około jednego kilometra kwadratowego – według obliczeń może to być nawet sto milionów małych laserów. Taki obiekt nazywa się sfazowanym układem laserów, a jego działanie polega na tym, że u celu, to jest na żaglu statku-matki, lasery łączą się w jedną wiązkę. W ciągu kilku minut pozwoli to uzyskać prędkość, dzięki której statki dotrą do Alfy Centauri w ciągu „zaledwie” 20 lat – to dużo, ale w porównaniu z wcześniej przytoczonymi 30 tysiącami lat, jest to prawdziwy przełom.
Oryginalny jest również sposób oddzielania się chipów od statku-matki – zakładane jest wypuszczanie jednego nanostatku dziennie przez okres 3 lat. Jednakże, z uwagi na formę podróży, statki nigdy nie będą w stanie wyhamować. Z dużą prędkością przelecą obok Alfy Centauri, przeprowadzając niewielkie pomiary i wysyłając dane w kierunku Ziemi. Eksperyment zakłada niemal ciągłą transmisję całego roju nanostatków, co oczywiście pociąga za sobą mnóstwo problemów. Zresztą, problemy to druga nazwa inicjatywy Breakthrough Starshot.
Możemy to zrobić, ale…
Ideę całej misji w zasadzie już przedstawiłem – statki zostaną wystrzelone konwencjonalnie i rozpędzone laserami, następnie przelecą przez układ Alfy Centauri, dokonując przy tym różnych pomiarów, a następnie prześlą ich wyniki na Ziemię i polecą dalej w niezbadaną czeluść kosmosu. Brzmi prosto, ale zespół już na początku stwierdził, że wykonanie nawet najprostszego elementu projektu niesie za sobą wiele problemów.
Po pierwsze – żagle. Aby skutecznie wykorzystać energię laserów, żagle muszą odbijać 99,999% padającego promieniowania. Tylko w ten sposób uda się osiągnąć pożądaną prędkość. Trudności są dwie – należy przygotować odpowiedni materiał, by jak najlepiej odbijał promieniowanie, ale jednocześnie należy zabezpieczyć go przez przegrzaniem się poprzez pochłanianie pozostałej 0,001% promieniowania. Aby zobrazować skalę trudności, przytoczę eksperyment z 2000 roku, który w najbardziej zbliżony sposób odnosił się on do problemu misji Starshot. Żagle, które przygotowano w ramach eksperymentu, pozwoliły uzyskać przyspieszenie rzędu 13G (a więc 13 razy większe niż ziemskie przyciąganie); może się wydawać, że to sporo, ale statek-matka potrzebuje przyspieszenia sięgającego aż 60000G.
Innym problemem są same nanostatki. Z uwagi na fakt, iż mają mieć tylko 15 milimetrów szerokości, będą bardzo podatne na uszkodzenia. Zespół zakłada, że nawet drobny gaz wypełniający przestrzeń międzygwiezdną będzie mógł doprowadzić do uszkodzenia niektórych z chipów. Bo choć są one niewielkie, to jednak mają poruszać się z ogromną prędkością. Między innymi też z tego powodu nanostatków mają być setki – prawdopodobieństwo uszkodzenia całego roju jest bardzo nikłe.
To nie wszystko. Ogromnym wyzwaniem będzie samo skonstruowanie Starchip. Problemy pojawiają się niemal z każdej strony. Transmisja danych na Ziemię? Do tego celu aktualnie wykorzystywane są jednowatowe diody laserowe, natomiast najdalszym miejscem, z którego w ten sposób przesłano dane, był Księżyc, który leży ponad sto milionów razy bliżej niż Alfa Centauri. Powoduje to, że diody będą musiały być skierowane w stronę Ziemi niewyobrażalnie wręcz precyzyjnie. Osobnym problemem jest zasilanie tych nanostatków – zespół przewiduje, że to właśnie źródło zasilania przysporzy im najwięcej kłopotów. Musi ono jednocześnie być niewielkie i bardzo wydajne, zdolne do przetrwania w chłodzie i ciemności. Rozważane są zarówno miniaturowe baterie jądrowe (wykorzystywane obecnie na przykład w implantach medycznych), jak i bardziej tradycyjne baterie, które czerpałyby energię z nagrzewającego się żagla statku.
Szansa na sukces?
Specjaliści, którzy nie są powiązani z Breakthrough Starshot, jednoznacznie wskazują, że projekt ma nikłe szanse na powodzenie. Ci, którzy w jakiś sposób pracują nad projektem, wykazują nieco większy optymizm, ale nie aż taki, byśmy mogli już szykować popcorn na widowisko. Początkowo zakładano, że misja dojdzie do skutku w ciągu 20 lat; obecnie zespół uważa, że w ciągu 50 lat szanse są całkiem niezłe, natomiast w ciągu stu lat – stuprocentowe.
To, co czyni misję znacznie bardziej atrakcyjną, niż na początku projektu, to odkrycie planety Proxima Centauri b, które ogłoszono dwa lata temu. Planeta obiega Proximę w takiej odległości, że może na niej istnieć życie, a informacja ta nieco zmieniła priorytety misji Starshot. Wcześniej planowano zbadać tylko gwiazdę; teraz można skupić się na bliższej obserwacji także samej planety. I trzeba przyznać, że brzmi to naprawdę fantastycznie, natomiast, jak zauważa sam Dyson, zespół na początek powinien skupić się na eksploracji Układu Słonecznego. Technologia i założenia są bardzo obiecujące, natomiast Alfa Centauri może być skokiem na zbyt głęboką wodę. Jednakże, w ten czy inny sposób, technologia zostanie rozwinięta. Nawet, jeśli misja nigdy nie dojdzie do skutku, to pomysły oraz wyniki badań z pewnością przysłużą się przyszłym inicjatywom. A kto wie, może nazwisko Jurija Milnera jeszcze przebije się do szerszej świadomości. Do następnego!
źródło: Scientific American 04/2017 / zdjęcie tytułowe od Wikipedii
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
