I april 2016 tillkännagav den ryska miljardären Yuri Milner skapandet av Breakthrough Starshot. Som en del av hans icke-vinstdrivna vetenskapliga organisation (känd som Breakthrough Initiatives) var syftet med Starshot att utforma ett ljussegla nanokraft som skulle kunna nå det närmaste stjärnsystemet - Alpha Centauri (alias Rigel Kentaurus) - under vår livstid.
Sedan starten har forskarna och ingenjörerna bakom Starshot-konceptet försökt ta itu med de utmaningar som ett sådant uppdrag skulle möta. På liknande sätt har det funnits många inom det vetenskapliga samfundet som också har lagt fram förslag på hur ett sådant koncept kan fungera. Det senaste kommer från Max Planck Institute for Solar System Research, där två forskare kom med ett nytt sätt att bromsa fartyget när det når sin destination.
För att sammanfatta innebär Starshot-konceptet en liten, nanokraftig gram-skala som bogseras av en ljussegel. Med hjälp av en markbaserad laseruppsättning skulle detta ljussteg accelereras till en hastighet av cirka 60 000 km / s (37 282 mps) - eller 20% ljusets hastighet. Med denna hastighet skulle nanokraften kunna nå det närmaste stjärnsystemet till vårt eget - Alpha Centauri, som ligger 4,37 ljusår bort - på bara 20 år.
Naturligtvis innebär detta ett antal tekniska utmaningar - som inkluderar möjligheten till en kollision med interstellärt damm, den korrekta formen på ljusskenan och de rena energikraven för att driva lasersystemet. Men lika viktigt är idén om hur ett sådant hantverk skulle sakta ner när det nått sin destination. Utan laser i andra änden för att tillämpa brytande energi, hur skulle fartyget sakta nog för att börja studera systemet?
Det var just denna fråga som René Heller och Michael Hippke valde att ta itu med i sin studie, "Bromsning av interstellär foton med hög hastighet seglar in i bundna banor vid Alpha Centauri". Heller är en astrofysiker som för närvarande hjälper ESA med sina förberedelser för det kommande PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) - en exoplanetjägare som distribueras som en del av deras Cosmic Vision-program.
Med hjälp av IT-specialist Michael Hippke övervägde de två vad som skulle behövas för interstellär uppdrag för att nå Alpha Centauri och ge god vetenskaplig avkastning vid dess ankomst. Detta skulle kräva att bromsmanövrar genomförs när den anlände så att rymdskeppet inte skulle överskrida systemet med ett ögonblick. Som de säger i sin studie:
”Även om en sådan interstellär sond kunde nå Proxima 20 år efter lanseringen, utan drivmedel för att bromsa den, skulle den korsa systemet inom några timmar. Här demonstrerar vi hur stjärnfototrycket från stjärna trippel Alpha Cen A, B och C (Proxima) kan användas tillsammans med gravitationstjänster för att bromsa inkommande solseglar från jorden. ”
För deras beräkningar uppskattade Heller och Hippke att farkosten skulle väga mindre än 100 gram (3,5 ounce) och skulle monteras på ett segel som mäter 100 000 m² (1 076 391 kvadratfot) i ytytan. När dessa var färdiga anpassade Hippke dem till en serie datorsimuleringar. Baserat på deras resultat föreslog de ett helt nytt uppdragskoncept som helt undanröjer behovet av lasrar.
I huvudsak krävde deras reviderade koncept ett autonomt aktivt segel (AAS) farkost som skulle ge en egen framdrivning och stoppkraft. Detta fartyg skulle sätta sitt segel i solsystemet och använda solens solvind för att påskynda det till höga hastigheter. När den nådde Alpha Centauri-systemet skulle den distribuera sitt segel så att inkommande strålning från Alpha Centauri A och B skulle ha effekten att bromsa det ner.
En extra bonus med denna föreslagna manöver är att hantverket, när det hade retarderats till den punkten att det effektivt kunde utforska Alpha Centauri-systemet, sedan kunde använda en gravitationstjänst från dessa stjärnor för att omdirigera sig mot Proxima Centauri. Väl när den var där kunde den utföra den första nära upptäckten av Proxima b - den närmaste exoplaneten till jorden - och bestämma hur dess atmosfäriska och ytförhållanden är.
Sedan existensen av denna planet först tillkännagavs av European Southern Observatory redan i augusti 2016 har det varit mycket spekulationer om huruvida den kan vara beboelig eller inte. Att ha ett uppdrag som kunde undersöka det för att kontrollera om markörerna - en livskraftig atmosfär, en magnetosfär och flytande vatten på ytan - skulle säkert lösa debatten.
Som Heller förklarade i ett pressmeddelande från Max Planck-institutet ger detta koncept en hel del fördelar, men kommer med sin andel av avvägningar - inte minst är det tiden det skulle ta att komma till Alpha Centauri. "Vårt nya missionskoncept kunde ge en hög vetenskaplig avkastning, men bara barnbarn till våra barnbarn skulle få det," sade han. Starshot, å andra sidan, fungerar på en tidsplan av årtionden och kunde realiseras i en generation. Så vi kanske har identifierat ett långsiktigt uppföljningskoncept för Starshot. ”
För närvarande diskuterar Heller och Hippke sitt koncept med Breakthrough Starshot för att se om det skulle vara livskraftigt. En person som har tittat över sitt arbete är professor Avi Loeb, Frank B. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard University och ordförande för Breakthrough Foundation's Advisory Board. Som han berättade för Space Magazine via e-post, är det koncept som Heller och Hippke presenterade värt att överväga, men har dess begränsningar:
”Om det är möjligt att bromsa ett rymdskepp med stjärnbelysning (och gravitationshjälp), är det också möjligt att starta det i första hand av samma krafter ... Om så är fallet, varför är det nyligen tillkännagivna Breakthrough Starshot-projektet med en laser och inte solljus för att driva vårt rymdskepp? Svaret är att vår föreställda laseruppsättning kan skjuta seglet med ett energiflöde som är en miljon gånger större än det lokala solflödet.
”När man använder stjärnbelysning för att nå relativistiska hastigheter måste man använda ett extremt tunt segel. I det nya uppsatsen överväger Heller och Hippke exemplet på ett milligram istället för ett gramskala segel. För ett segel med en yta på tio kvadratmeter (som förutses i vår Starshot-konceptstudie) måste tjockleken på seglet endast vara några få atomer. En sådan yta är ordningsföljd som är tunnare än ljusets våglängd som den syftar till att reflektera, och därför skulle dess reflektivitet vara låg. Det verkar inte möjligt att minska vikten med så många storleksordningar och ändå bibehålla segelmaterialets styvhet och reflektionsförmåga.
”Den huvudsakliga begränsningen för att definiera Starshot-konceptet var att besöka Alpha Centauri under vår livstid. Att förlänga resetiden utöver människors livstid, vilket förespråkas i detta dokument, skulle göra det mindre tilltalande för de inblandade människorna. Man bör också tänka på att seglet måste åtföljas av elektronik som kommer att lägga betydligt till vikten. ”
Kort sagt, om tiden inte är en faktor, kan vi föreställa oss att våra första försök att nå ett annat solsystem kan innebära att AAS drivs och bromsas av solvind. Men om vi är villiga att vänta århundraden på att ett sådant uppdrag ska slutföras, kan vi också överväga att skicka raketer med konventionella motorer (kanske till och med besättningsvis) till Alpha Centauri.
Men om vi är avsedda att komma dit inom vår egen livstid, då kommer ett laserdrivet segel eller något liknande att vara vägen att gå. Mänskligheten har tillbringat mer än ett halvt sekel för att utforska vad som finns i vår egen trädgård, och några av oss är otåliga att se vad som ligger intill!
