Antalet bekräftade extrasolplaneter har ökat med språng och gränser de senaste åren. Med varje ny upptäckt uppstår frågan om när vi kanske kan utforska dessa planeter direkt naturligt. Hittills har det funnits flera förslag, allt från lasersegeldrivet nanokraft som skulle resa till Alpha Centauri på bara 20 år (genombrott Starshot) till långsammare mikrofartyg utrustade med genlaboratorier (The Genesis Project).
Men när det gäller att bromsa dessa farkoster så att de kan sakta ner och studera avlägsna stjärnor och kretsplaneter blir saker lite mer komplicerade. Enligt en nyligen genomförd studie av själva mannen som tänkte på Genesis-projektet - professor Claudius Gros från Institutet för teoretisk fysik Goethe University Frankfurt - kunde special segel som förlitar sig på superledare för att generera magnetfält användas för just detta ändamål.
Starshot och Genesis är lika i det att båda begreppen försöker utnyttja de senaste framstegen inom miniatyrisering. Idag kan ingenjörer skapa sensorer, thrusterar och kameror som kan utföra beräkningar och andra funktioner, men är en bråkdel av storleken på äldre instrument. Och när det gäller framdrivning finns det många alternativ, allt från konventionella raketer och jon-drivenheter till laserdrivna ljus segel.
Att bromsa ett interstellärt uppdrag har emellertid förblivit en mer betydande utmaning eftersom ett sådant farkost inte kan utrustas med bromsande drivkrafter och bränsle utan att öka vikten. För att hantera detta föreslår professor Gros att använda magnetiska segel, vilket skulle ge många fördelar jämfört med andra tillgängliga metoder. Som prof. Gros förklarade till Space Magazine via e-post:
”Klassiskt skulle du utrusta rymdskeppet med raketmotorer. Normala raketmotorer, eftersom vi använder dem för att starta satelliter, kan ändra hastigheten endast med 5-15 km / s. Och till och med det bara när du använder flera steg. Det räcker inte för att bromsa ett farkost som flyger med 1000 km / s (0,3% c) eller 100000 km / s (c / 3). Fusion eller antimateriella enheter skulle hjälpa lite, men inte väsentligt. ”
Seglet som han föreställer sig skulle bestå av en massiv superledande slinga som mäter cirka 50 kilometer i diameter, vilket skulle skapa ett magnetfält när en förlustfri ström inducerades. När den joniserade väte i det interstellära mediet aktiverats reflekteras från segelets magnetfält. Detta skulle påverka rymdfarkostens fart till den interstellära gasen och gradvis bromsa det.
Enligt Gros beräkningar skulle detta fungera för långsamma segel trots den extremt låga partikeltätheten i det interstellära utrymmet, vilket fungerar till 0,005 till 0,1 partiklar per kubikcentimeter. "Ett magnetiskt segel handlar med energiförbrukning med tiden", sade Gros. "Om du stänger av motorn på din bil och låter den rulla i viloläge kommer den att sakta ner på grund av friktion (luft, däck). Det magnetiska seglet gör samma sak där friktionen kommer från den interstellära gasen. ”
En av fördelarna med denna metod är det faktum att det kan byggas med befintlig teknik. Nyckelteknologin bakom det magnetiska seglet är en Biot Savart-slinga som, när den paras med samma typ av supraledande spolar som används i högenergifysik, skulle skapa ett kraftfullt magnetfält. Med ett sådant segel kan ännu tyngre rymdfarkoster - de som väger upp till 1 500 kg (1,5 ton; 3 307 kg) - retarderas från en interstellär resa.
Den enda stora nackdelen är den tid ett sådant uppdrag skulle ta. Baserat på Gros egna beräkningar skulle en höghastighetsöverföring till Proxima Centauri som förlitade sig på magnetisk momentbromsning kräva ett fartyg som vägde cirka 1 miljon kg (1000 ton; 1102 ton). Emellertid skulle ett interstellärt uppdrag som involverar ett fartyg på 1,5 ton kunna nå TRAPPIST-1 på cirka 12 000 år. Som Gros avslutar:
”Det tar lång tid (eftersom den mycket låga tätheten för det interstellära mediet). Det är dåligt om du vill se en avkastning (vetenskaplig information, spännande bilder) under din livstid. Magnetiska segel fungerar, men bara när du är glad att ta det (mycket) långa perspektivet. ”
Med andra ord skulle ett sådant system inte fungera för ett nanokraft som det som planeras av Breakthrough Starshot. Som Starshots egna Dr. Abraham Loeb förklarade är projektets huvudmål att uppnå drömmen om interstellär resa inom en generation av fartygets avgång. Förutom att vara Frank B. Baird Jr. Professor i vetenskap vid Harvard University, är Dr. Loeb också ordförande för Breakthrough Starshot Advisory Committee.
Som han förklarade till Space Magazine via e-post:
”[Gros] drar slutsatsen att det är möjligt att bryta på den interstellära gasen endast vid låga hastigheter (mindre än en bråkdel av en procent av ljusets hastighet) och även då behöver man ett segel som är tiotals mil bredt och väger ton. Problemet är att med så låg hastighet kommer resan till de närmaste stjärnorna att ta över tusen år.
"Breakthrough Starshot-initiativet syftar till att lansera ett rymdskepp med en femtedel av ljusets hastighet så att det når de närmaste stjärnorna inom en mänsklig livstid. Det är svårt att få folk upphetsade över en resa vars slutförande inte kommer att bevittnas av dem. Men det finns en varning. Om människors livslängd skulle kunna utvidgas till årtusenden genom genteknik, skulle design av den typ som Gros anser vara säkert mer tilltalande. ”
Men för uppdrag som The Genesis Project, som Gros ursprungligen föreslog 2016, är tiden inte en faktor. En sådan sond, som skulle bära encelliga organismer - antingen kodade i en genfabrik eller lagras som kryogensfrysta sporer - kan ta tusentals år att nå ett angränsande stjärnsystem. Då en gång där skulle det börja sådd planeter som hade identifierats som "övergående beboelig" med encelliga organismer.
För ett sådant uppdrag är restiden inte den avgörande faktorn. Det som är viktigt är förmågan att bromsa upp och etablera en bana runt en planet. På det sättet skulle rymdskeppet kunna utsäda dessa närliggande världar med markorganismer, vilket kan ha effekten att sakta terraformera det i förväg av mänskliga upptäcktsresande eller bosättare.
Med tanke på hur lång tid det skulle ta för människor att nå till och med de närmaste extra-solplaneterna, är ett uppdrag som varar några hundra eller några tusen år ingen stor sak. I slutändan kommer vilken metod vi väljer att utföra interstellär uppdrag att minska hur mycket tid vi är villiga att investera. För undersökningens skull är snabbhet nyckelfaktorn, vilket innebär lätta farkoster och otroligt höga hastigheter.
Men när det gäller långsiktiga mål - som att sätta liv i andra världar och till och med terraformera dem för mänsklig bosättning - är den långsamma och stadiga metoden bäst. En sak är säker: när dessa typer av uppdrag går från konceptstadiet till förverkligande, kommer det säkert att bli spännande att se!
