Drömmen om att resa till ett annat stjärnsystem och kanske till och med hitta befolkade världar där, är en som har upptäckt mänskligheten i många generationer. Men det var inte förrän rymdutforskningens era som forskare har kunnat undersöka olika metoder för att göra en interstellär resa. Även om många teoretiska mönster har föreslagits under åren har mycket uppmärksamhet nyligen fokuserats på laserdrivna interstellära sonder.
Den första konceptuella designstudien, känd som Project Dragonfly, var värd av Initiative for Interstellar Studies (i4iS) 2013. Konceptet krävde användning av lasrar för att påskynda ett lätt segel och rymdskepp till 5% ljusets hastighet och därmed nå Alpha Centauri på ungefär ett sekel. I ett nyligen uppsatsvärde bedömde ett av lagen som deltog i designtävlingen genomförbarheten av deras förslag om ett segel och magnetiskt segel.
Uppsatsen, med titeln "Project Dragonfly: Sail to the stars", publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Astra Astronautica. Studien leds av Tobias Häfner, en examen från Université Paul Sabatier (UPS) Toulouse och en nuvarande systemingenjör på Open Cosmos Ltd. Han förenades av medlemmar i Oxford Space Systems, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), och AKKA Technologies.
När det gäller interstellära uppdragskoncept har en av de största snubblarna alltid varit den aktuella restiden. Som vi visade i en tidigare artikel, skulle det ta allt från 1 000 till 81 000 år med hjälp av aktuell teknik för att komma till Alpha Centauri. Även om det finns flera teoretiska metoder som kan erbjuda kortare restider, involverar de antingen fysik som ännu inte har bevisats eller skulle vara oöverkomligt dyr.
Därför överklagandet av en ljussegel, som drar nytta av den senaste utvecklingen inom miniatyrisering för att skapa ett mindre och billigare rymdskepp. En annan fördel, åtminstone teoretiskt, är att ett sådant rymdskepp kan accelereras till en bråkdel av ljusets hastighet och därför skulle kunna täcka det stora avståndet mellan vårt solsystem och den närmaste stjärnan på några decennier eller ett enda århundrade .
Som nämnts lanserade i4iS - en frivilligorganisation som syftar till att göra interstellar rymdresor till en verklighet inom en snar framtid - den första konceptuella designstudien för ljusseglar redan 2013. Detta följdes 2014 med en tävling om att utforma ett rymdskepp som skulle kunna nå Alpha Centauri inom 100 år med hjälp av befintliga eller närmaste tekniker.
De fyra finalisterna presenterade sina mönster på en workshop som hölls på British Interplanetary Society i juli 2015. Konceptet som lagts fram av det tekniska universitetet i München-teamet vann, som sedan startade en Kickstarter-kampanj för att samla in pengar för deras design. Designen som lagts fram av teamet från University of California, San Diego, har därefter utvecklats till designen för Breakthrough Initiatives 'Breakthrough Starshot.
Huvudförfattaren Hafner och hans kollegor ingick i teamet CranSEDS, som bestod av ingenjörer och forskare från Cranfield University i Storbritannien, Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Ryssland och UPS i Frankrike. I denna senaste studie presenterade han och några av hans tidigare teammedlemmar sitt uppdragskoncept som en del av en genomförbarhetsstudie.
För den här studiens skull beaktade de alla aspekter av en ljussegls uppdragsarkitektur. Detta sträckte sig från storleken på seglet, materialen som användes för att bygga det, storleken på laseröppningen, laserns placering, rymdskeppets vikt och metoden som rymdskeppet använde för att bromsa när det närmade sig sin destination.
I slutändan uppmanade uppdragsarkitekturen att de använder 100 GW laserkraft för att påskynda ett rymdskepp på 2750 kg (~ 6000 kg) till 5% ljusets hastighet - vilket resulterade i en restid på ungefär ett sekel till Alfa centauri. Seglet skulle bestå av en grafenmonolager som mäter 29,4 km i diameter (18,26 mi) och kräver således en laser med en öppning på 29,4 km (18,26 mi).
Denna laser skulle placeras i närheten av solen (antingen vid Earth-Sun L1 Lagrange Point eller i Cislunar omloppsbana) och skulle drivas av massiva solpaneler. För att bromsa upp skulle rymdskeppet bryta det lilla seglet och utplacera ett magnetiskt segel bestående av metalltrådar. Detta segel skulle bilda en loopad struktur med ungefär 35 km (22 mi) i diameter och väga 1000 kg (2200 lbs).
När det magnetiska seglet hade installerats skulle de fånga plasma från det interstellära mediet och solvinden från Alpha Centauri för att retardera och komma in i systemet. Denna arkitektur, slutsatsen, skulle uppnå en balans mellan massa och hastighet, möjliggöra för uppdraget att nå Alpha Centauri på drygt 100 år och låta den utföra vetenskapliga operationer vid ankomst.
Som de indikerar i sin studie erbjuder denna typ av uppdragsarkitektur många fördelar, inte minst är det faktum att ett större rymdskepp skulle kunna bära mer i vägen för instrument och samla mer vetenskapliga data än ett rymdskepp i gram skala (som med Breakthrough Starshots Star). Som de drog slutsatsen:
"Både [laser- och magnetiska segel] har fördelen att inget drivmedel behöver transporteras i rymdskeppet. Uppdraget är baserat på teknik som för närvarande är tillgänglig eller under utveckling, men skulle behöva omfattande förbättringar för att faktiskt bygga den nödvändiga rymdinfrastrukturen ... lasersystemet används under en rimlig tidsperiod, i en baslinje med flera rymdskepp. Lärdomar och data som samlats in från det första rymdskeppet kan användas för att förbättra följande. ”
De erkänner också de utmaningar som ett sådant uppdrag skulle innebära, vilket inkluderar behovet av kilometerstora strukturer i rymden. Sådana strukturer måste byggas i omloppsbana, vilket först skulle kräva utveckling av omloppstillverkningsanläggningar. Och naturligtvis kommer laser och andra avgörande system att behöva ytterligare förfining och utveckling. Ändå är konceptet, enligt deras studie, genomförbart och tekniskt sundt.
Vissa tvivlar emellertid. Till exempel finns det Dr. Claudius Gros, en teoretisk fysiker från Institutet för teoretisk fysik vid Goethe University Frankfurt. Gros är en långvarig förespråkare för att använda lasersegleteknologi för att bygga ett interstellärt rymdskepp och har utfört teoretiskt arbete med användning av magnetiska segel för att bromsa ett sådant rymdskepp.
Han är också grundaren av Project Genesis, ett förslag att skicka lasersegeldrivna rymdfarkoster utrustade med genfabriker eller kryogena skida till andra stjärnsystem, där de skulle distribuera mikrobiellt liv till ”övergående bebobara exoplaneter - dvs. planeter som kan stödja livet, men inte troligtvis kommer att ge upphov till det på egen hand. Som han uttryckte till Space Magazine via e-post:
“När det gäller retardationen med ett magnetfält är det faktiskt inte möjligt inom de antagna parametrarna. Det skulle kräva ett magnetiskt segel som väger flera hundra ton för att göra jobbet när fartyget kryssar med 5% av ljusets hastighet och när det måste stoppa inom 20 år, som antagits i detta dokument. För att påskynda ett sådant tungt farkost krävs mycket starkare lanseringssystem. ”
Konceptet att använda lasrar eller solseglar för att utföra interstellära uppdrag har djupa rötter. Det har dock bara varit under de senaste åren som ansträngningarna för att skapa sådana rymdfarkoster verkligen har gått samman. För närvarande finns det många koncept som erbjuder olika uppdragsarkitekturer, som alla har sin del av utmaningar och fördelar.
Med flera förslag nu i utveckling - som inkluderar förslaget från Haefner och hans kollega, är ii4S: s Dragonfly-koncept och Genombrott Starshot - det kommer att vara mycket intressant att se vilka (om några) av de nuvarande ljusseglkoncepten kommer att försöka göra resan till Alpha Centauri under de kommande decennierna.
Kommer det att vara en som kommer dit inom våra livstid, eller en som kan skicka tillbaka mer i vägen för vetenskaplig information? Eller kan det vara en kombination av de två, en sorts kortsiktig / långsiktig typ av affär? Svårt att säga. Poängen är att drömmen om att införa ett interstellärt uppdrag kanske inte förblir en dröm under mycket längre tid.
