I april 2016 tillkännagav den ryske miljardären Yuri Milner skapandet av Genombrott Starshot . Som en del av hans icke-vinstdrivande vetenskapliga organisation (känd som Breakthrough Initiatives), var syftet med Starshot att designa ett lättsegelnanofarkost som skulle kunna nå närmaste stjärnsystem – Alpha Centauri (aka. Rigel Kentaurus) – inom vår livstid.
Sedan starten har forskarna och ingenjörerna bakom Starshot-konceptet försökt ta itu med de utmaningar som ett sådant uppdrag skulle möta. På samma sätt har det funnits många inom forskarvärlden som också har kommit med förslag på hur ett sådant koncept skulle kunna fungera. Det senaste kommer från Max Planck-institutet för solsystemforskning , där två forskare kom på ett nytt sätt att bromsa farkosten när den når sin destination.
För att sammanfatta innebär Starshot-konceptet att ett litet nanofarkoster i gramskala dras av ett ljussegel. Med hjälp av en markbaserad lasermatris skulle detta ljussegel accelereras till en hastighet av cirka 60 000 km/s (37 282 mps) – eller 20 % av ljusets hastighet. Med denna hastighet skulle nanofarkosten kunna nå det närmaste stjärnsystemet till vårt eget – Alpha Centauri, som ligger 4,37 ljusår bort – på bara 20 år.
Project Starshot, ett initiativ sponsrat av Breakthrough Foundation, är tänkt att vara mänsklighetens första interstellära resa. Kredit: breakthroughinitiatives.org
Naturligtvis innebär detta ett antal tekniska utmaningar – som inkluderar möjligheten till en kollision med interstellärt damm , den rätt form på ljusseglet och de rena energikraven för att driva lasermatrisen. Men lika viktig är idén om hur ett sådant farkost skulle sakta ner när det väl nått sin destination. Utan några lasrar i andra änden för att applicera brytenergi, hur skulle farkosten sakta ner tillräckligt för att börja studera systemet?
Det var just denna fråga som René Heller och Michael Hippke valde att ta upp i sin studie, ' Inbromsning av höghastighets interstellär foton seglar in i bundna banor vid Alpha Centauri '. Heller är en astrofysiker som för närvarande hjälper ESA med dess förberedelser inför det kommande PLANetära transiter och oscillationer av stjärnor (PLATO) uppdrag – en exoplanetjägare som sätts in som en del av deras Cosmic Vision-program.
Med hjälp av IT-specialisten Michael Hippke övervägde de två vad som skulle behövas för att interstellära uppdrag skulle nå Alpha Centauri och ge god vetenskaplig avkastning vid dess ankomst. Detta skulle kräva att bromsmanövrar utförs när den väl anlände så att rymdfarkosten inte skulle överskjuta systemet på 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 passera systemet inom några timmar. Här visar vi hur stjärnfotontrycken från stjärntrippeln Alpha Cen A, B och C (Proxima) kan användas tillsammans med gravitationshjälp för att bromsa in inkommande solsegel från jorden.'
Den projicerade vägen ett lättsegeluppdrag till Alpha Centauri skulle kunna ta, vilket skulle göra det möjligt för den att ta en omväg till Proxima Centauri. Kredit: PHL @ UPR Arecibo.
För deras beräkningars skull uppskattade Heller och Hippke att farkosten skulle väga mindre än 100 gram (3,5 ounces), och skulle monteras på ett segel som mäter 100 000 m² (1 076 391 kvadratfot) i yta. När dessa väl var klara anpassade Hippke dem till en serie datorsimuleringar. Baserat på deras resultat föreslog de ett helt nytt uppdragskoncept som helt eliminerar behovet av lasrar.
I huvudsak krävde deras reviderade koncept ett Autonomous Active Sail (AAS) farkost som skulle ge sin egen framdrivning och stoppkraft. Denna farkost skulle sätta ut sina segel i solsystemet och använda solens solvind för att accelerera den till höga hastigheter. När den väl nådde Alpha Centauri-systemet skulle den omplacera sitt segel så att inkommande strålning från Alpha Centauri A och B skulle bromsa ner det.
En extra bonus med denna föreslagna manöver är att farkosten, när den väl hade bromsats upp till den grad att den effektivt kunde utforska Alpha Centauri-systemet, kunde sedan använda en gravitationshjälp från dessa stjärnor för att omdirigera sig mot Proxima Centauri. Väl där kunde den genomföra den första utforskningen på nära håll av Nästa b – den exoplanet som ligger närmast jorden – och bestäm hur dess atmosfäriska och ytförhållanden är.
Sedan existensen av denna planet var först tillkännagavs av European Southern Observatory redan i augusti 2016, har det varit mycket spekulationer om om det kan vara beboeligt eller inte . Att ha ett uppdrag som kunde undersöka det för att leta efter kontrollmarkörerna – en livskraftig atmosfär, en magnetosfär och flytande vatten på ytan – skulle säkert avgöra den debatten.
Som Heller förklarade i en pressmeddelande från Max Planck Institute erbjuder detta koncept en hel del fördelar, men kommer med sin andel av avvägningar – inte minst den tid det skulle ta att ta sig till Alpha Centauri. 'Vårt nya uppdragskoncept skulle kunna ge en hög vetenskaplig avkastning, men bara barnbarnen till våra barnbarn skulle få det,' sa han. 'Starshot, å andra sidan, fungerar på en tidsskala av decennier och skulle kunna förverkligas på 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 lönsamt. En person som har sett över deras arbete är professor Avi Loeb, Frank B. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard University och ordföranden för Breakthrough Foundations rådgivande nämnd. Som han berättade för Universe Today via e-post, är konceptet som Heller och Hippke lagt fram värt att överväga, men har sina begränsningar:
'Om det är möjligt att bromsa en rymdfarkost med stjärnljus (och gravitationshjälp), så är det också möjligt att skjuta upp den i första hand med samma krafter... Om så är fallet, varför används det nyligen tillkännagivna Breakthrough Starshot-projektet med laser och inte solljus för att driva vår rymdfarkost? Svaret är att vår tänkta laseruppsättning kan driva seglet med ett energiflöde som är en miljon gånger större än det lokala solflödet.
'När man använder stjärnljus för att nå relativistiska hastigheter måste man använda ett extremt tunt segel. I den nya tidningen överväger Heller och Hippke exemplet med ett milligram istället för ett segel i gramskala. För ett segel på tio kvadratmeter (som föreställts i vår Starshot-konceptstudie) måste tjockleken på deras segel endast vara några få atomer. En sådan yta är storleksordningar tunnare än ljusets våglängd som den strävar efter att reflektera, och därför skulle dess reflektionsförmåga vara låg. Det verkar inte möjligt att minska vikten med så många storleksordningar och ändå behålla styvheten och reflektionsförmågan hos segelmaterialet.
'Den huvudsakliga begränsningen för att definiera Starshot-konceptet var att besöka Alpha Centauri under vår livstid. Att förlänga restiden utöver en människas livstid, som förespråkas i detta dokument, skulle göra det mindre tilltalande för de inblandade. Man bör också komma ihåg att seglet måste åtföljas av elektronik som kommer att öka dess vikt avsevärt.”
Kort sagt, om tiden inte är en faktor kan vi föreställa oss att våra första försök att nå ett annat solsystem verkligen kan innebära att en AAS drivs fram och bromsas av solvinden. Men om vi är villiga att vänta i århundraden på att ett sådant uppdrag ska slutföras, kan vi också överväga att skicka raketer med konventionella motorer (möjligen till och med bemannade) till Alpha Centauri.
Men om vi är inställda på att ta oss dit inom vår egen livstid, då kommer ett laserdrivet segel eller något liknande att vara vägen att gå. Mänskligheten har ägnat över ett halvt sekel åt att utforska vad som finns i vår egen bakgård, och några av oss är otåliga att se vad som finns bredvid!
Vidare läsning: Max Planck-institutet , ArXiv