Как долететь до альфы центавра — технические подробности

      Комментарии к записи Как долететь до альфы центавра — технические подробности отключены

Как долететь до альфы центавра — технические подробности

Недавно Мильнер и Хокинг нашумели анонсом собственного проекта Breakthrough Starshot. Проект стоит $100 млн, каковые будут израсходованы на изучение техвозможности полета до Альфы Центавра. Инженерная и исследовательская фаза продлятся некое количество лет, по окончании чего разработка самой миссии полета к Альфе Центавра потребует бюджета наибольшего на сегодня научного опыта.

Итак, что же известно сейчас от разработчиков проекта?

Концепт совокупности, включая световой парус и лазерный излучатель

Проект Breakthrough Starshot, по словам авторов, — это попытка подойти к космическим путешествиям со стороны Кремниевой Равнины.

Он предполагает постройку массива лазеров в высокогорных районах Почвы, и создание особых нанокрафтов — массива космических фемтоспутников, каковые разгоняются излучением этих лазеров.

Русский астрофизик «поставил двойку» Хокингу и Мильнеру

Компоненты совокупности

Нанокрафты — это роботизированные космические суда массой порядка граммов, складывающиеся из двух частей:

  1. Электронный модуль StarChip: Закон Мура разрешил существенно снизить в размерах электронные компоненты. Это разрешает создать граммовые устройства, несущие на себе камеры, фотонные подруливатели, питание, навигационное и коммуникационное оборудование, воображающие собой всецело функциональный космический зонд. Наряду с этим цена этих зондов при массовом производстве будет равна стоимости смартфона.
  2. Солнечный парус. Успехи в области нанотехнологий разрешили создавать поразительно узкие и легкие метаматериалы. Это обещает возможность создания метровых парусов толщиной в много атомов и массой порядка граммов.

Лазерные излучатели

Последние годы падение мощности и рост лазеров их стоимости подчиняется закону Мура. Это разрешает создать особые фазовые массивы лазеров («light beamer»), мощностью до 100 гигаватт.

Всего проект Breakthrough Starshot потребует:

— Постройки в высокогорных районах километрового массива лазерных излучателей.

— хранения и Генерации нескольких гигаватт-час энергии для каждого запуска

— Запуск «материнского корабля», что выведет на высокую орбиту тысячи нанокрафтов

— Применения возможностей адаптивной оптики в настоящем времени, для компенсации атмосферных явлений

— Фокусировки луча света на световом парусе в течение нескольких мин. для разгона нанокрафтов до нужной скорости (20% от скорости света)

— Учета влияния столкновений с межзвездной пылью в пути

— Захвата изображения планет, передачи второй научной информации на Землю посредством бортовой лазерной коммуникационной совокупности

— Применения лазерных излучателей для получения данных с нанокрафтов более 4 лет спустя

Кое-какие из этих требований являются большие инженерные вызовы, каковые предстоит решить команде проекта. Предлагаемая лазерная двигательная совокупность по своим масштабам существенно превосходит все трудящиеся сейчас аналоги. Сама сущность проекта предполагает взаимодействие и глобальную кооперацию.

Технические изюминки проекта

Концепт совокупности из нанокрафтов, электронного модуля и лазерных излучателей StarChip — это, на сегодня, самый похожий на правду и реалистичный метод запустить миссию к Альфе Центавра в отечественном поколении. Главные элементы предлагаемой конструкции совокупности основаны на разработках каковые уже имеются, или будут дешёвы в скором времени, при разумных догадках.

Команда ученых-специалистов проекта не видит технически нереализуемых вещей. Но, как и при любом «полете на Луну», существуют инженерные вызовы, каковые предстоит преодолеть.

Авторы проекта перечислили (eng) особенности и проблемы миссии:

Электронный модуль StarChip

4 фотонных двигателя малой тяги

Лазерные диоды на 1 Ватт массой менее грамма обширно дешёвы сейчас по низкой цене. Производственные тенденции таковы, что происходит удвоение мощности лазеров при той же массе каждые два года. Возможно ожидать что данный тренд сохранится еще некое время.

Это окажет помощь создать действенные подруливатели для нанокрафтов.

Рост мощности лазеров. Из этого

4 камеры

Камеры на 2 мегапикселя, массой менее грамма дешёвы по низкой цене. Их развитие кроме этого подчиняется закону Мура, разрешая удваивать количество пикселей для той же массы матрицы каждые два года.

Занимательны кроме этого потенциальные возможности камер, трудящихся по принципу плоского массива Фурье-захвата (PFCA). Они не требуют зеркал, линз и других движущихся частей. Складываются из массива полупроводниковых элементов, каковые реагируют на свет в зависимости от его угла падения.

По количеству PFCA смогут быть в 100 тысяч раз меньше самой маленькой фокусной камеры. Но, пока эта разработка находится на старте собственного пути.

Мона Лиза, снятая камерой PFCA.

Защитное покрытие

Особое покрытие нужно для защиты конструкции нанокрафтов от столкновения с частицами в межзвездном пространстве. Один из таких материалов — это бериллиево-бронзовый сплав.

Батарея

Конструкция батареи представляет собой один из самых сложных технических вызовов проекта.

На данный момент, в качестве главного источника энергии на борту рассматривается плутоний-238 либо америций-241. На питание совокупности отведено 150 грамм. Ко мне включена масса радиоизотопа и суперконденсатора, что будет заряжаться от ядерного распада.

Существуют кроме этого идеи воспользоваться нагревом фронтальной части поверхности нанокрафтов (из-за сотрудничества с межзвездной пылью). Тепловой источник может обеспечить подачу 6мВт на любой квадратный сантиметр собственной площади на протяжении крейсерской фазы миссии в межзвездном пространстве.

Сам световой парус, быть может, удастся покрыть узкой пленкой из фотоэлектрического материала, как это было сделано в японской миссии солнечного паруса IKAROS. Это может оказаться весьма полезным при приближении к второй звезде на расстояние 2 астрономических единиц. На расстоянии 1 астрономической единицы подобный материал, кроме того владея эффективностью всего 10%, будет способен обеспечить 2кВт мощности.

Это более чем в 100 тысяч раз превышает мощность радиоактивного источника энергии, и, возможно, разрешит достигнуть намного более высоких скоростей передачи данных по лазерной связи.

Коммуникация

Ориентация передатчика на Землю

Поиск Почвы — достаточно несложная задача, учитывая ее близость к Солнцу — весьма яркой звезде, в случае если наблюдать со стороны Альфы Центавра.

Из-за дифракционного предела, угловой диаметр луча длиной волны 1 микрон на антенне метрового класса, будет равна примерно 0.1 угловой секунды. Ориентация таковой точности возможно достигнута при применении фотонных двигателей малой тяги.

Посылка изображений посредством лазера, применяя парус как антенну

Изображения целевых планет смогут передаваться одноваттным лазером на борту, в импульсном режиме. При подходе к цели, парус будет употребляться для фокусировки лазерного сигнала.

К примеру, для паруса размером 4м, дифракционный предел размера пятна на Земле будет порядка 1000м1. Приблизительно для того чтобы же масштаба планируется делать принимающий массив антенн. Применение паруса в качестве оптической совокупности может "настойчиво попросить" различных форм паруса на старте миссии (при разгоне) и на протяжении коммуникационной фазы. Для более действенной передачи информации, при приближении к цели, парусу возможно придана форма линзы Френеля.

Из-за доплеровского результата при сдвиге нанокрафтов относительно Земли, нужно применение волны лазера меньше, чем у совокупности запуска — это разрешит поддерживать высокую скорость передачи через воздух отечественной планеты.

Получение изображений посредством массива лазерных излучателей

Недавние удачи группы MIL Lincoln Labs и Лаборатории Реактивного Перемещения продемонстрировали возможность детектировать единичные фотоны, испускаемые лазером с больших расстояний. На данный момент рекордсменом есть совокупность LADEE, которая способна трудиться на лунных расстояниях. Она применяет методику криогенно охлажденных нанотрубок. Это разрешает передавать 2 бита на фотон.

Совокупность применяет 10см оптику на космическом корабле и однометровый телескоп на почва.

Массив лазерных излучателей, задействованый при разгоне нанокрафтов, будет использована в инверсном режиме, как массив принимающих антенн.

Солнечный парус

Целостность паруса под тягой

На этапе изучения предполагается применение в миссии 100 гигаватного лазера. Как такое излучение повлияет на солнечный парус?

Самый идеальный отражающий материал на сегодня — это диэлектрическое зеркало — композитный материал с толщиной слоя подобранной под длину волны.

Диэлектрическое зеркало способно снижать количество поглощаемого тепла на 5 порядков, отражая 99.999% излучения.

Для лазера 100 ГВатт и паруса 4х4м — это значит что любой квадратный метр паруса будет нагреваться энергией в 60 кВт. Это довольно много — около 50 электрических чайников на полной мощности. Такую мощность рассеять излучением тяжело. Но, как утверждают разработчики, это нагреет парус, но не расплавит его.

Предполагается, что применяя всецело диэлектрический парус с оптимизированными материалами будет вероятно снизить поглощение ниже 9 порядков от приходящего излучения.

Рассматриваются варианты применения новых материалов наподобие графена.

Вероятно кроме этого применение материалов с низким поглощением, кроме того без высокой отражающей свойства (к примеру, стекло). Подобные материалы используются в оптоволоконной оптике при высоких нагрузках.

Не считая защиты со стороны паруса, электроника модуля StarChip должна быть защищена от набегающего потока. Это возможно достигнуто сочетанием геометрии (ориентируя электронику «в профиль», с низким поперечным сечением) и покрытием самых серьёзных компонентов особой защитой. Такими покрытиями смогут выступать упоминавшиеся многослойные диэлектрические ответы, уже продемнострированные в лабораториях.

Слабо поглощающий материал паруса вместе с ограниченным применением высокоотражающего материала для защиты электроники, будет защищать StarChip не превышая граммового масштаба массы модуля. Для предстоящего производства изучается конструкция из кремниевых микрокубов на подложке из диоксида кремния.

Устройство

Нужно создать скелет паруса, что будет держать нагрузку при разгоне устройства, быть устойчивым к сотрудничеству с межзвездной средой, и будет способен поменять форму паруса. Сейчас рассматривается последовательность композитных материалов на базе графена, каковые способны поменять собственную длину в зависимости от электрического напряжения, приложенного к ним. Ранее было продемонстрировано, что центробежное ускорение маленьких весов по краям может натягивать парус.

Удержание на луче

Форма луча и устройства светового паруса должны быть оптимизированы для стабильности на фазе запуска. В это время порядка 10 мин., парус приобретает 1 тераджоуль световой энергии. По данной причине, кроме того небольшие различия особенностей паруса либо неоднородности луча, переместят центр давления с центра весов паруса, и сместят его вектор тяги.

Современная индустрия оптических покрытий при массовом производстве смартфонов и телескопной оптики уже находится на приемлемом для миссии уровне качества. Но конечный материал паруса пока не существует и должен быть создан.

Лазерный излучатель

Цена

Оценка примерной цене лазерного массива на Земле основана на экстраполяции двух последних десятилетий, и на возможностях удешевления при массовом производстве.

Цена лазерных усилителей уменьшается экспоненциально с 1990г по 2015г, уменьшаясь в два раза каждые полтора года. В случае если тренд продолжится, строительство громадного излучателя в ближайшие десятилетия обойдется на пара порядков дешевле.

До тех пор пока разработчики сравнивают цена с наибольшим научным проектом в мире. Это возможно, к примеру, МКС (ценой $157 млрд) либо экспериментальный термоядерный реактор ITER ($15 млрд).

Фаза

Для проверки возможностей совокупности был изучен случай с парусом метрового масштаба. К примеру, для фокусировки луча света на парусе 4х4м на расстоянии в 200 тысяч километров, потребуется угол фокусировки в 2 нанорадиана (0.4 угловых миллисекунд). Это дифракционный предел для километрового лазерного излучателя, трудящегося на длине волны в 1 микрон.

Интерферометрия для Event Horizon Telescope показала возможность успехи суб-нанорадианной точности на длине волны 1мм.

Воздух

Воздух вводит два результата:

— поглощение (нарушение целостности передачи)

— понижение качества луча (размывание луча)

Передающая свойство воздуха на длине волны 1 мкм весьма хороша — более 90% для объектов расположенных высоко в горах. При таком размещении установки это снизит размывание луча в воздухом, что разрешит адаптивной оптике максимально приблизиться к дифракционному пределу. Атмосферная турбулентность, которая размывает луч, приблизительно в 4 раза ниже на высоте 5 км, чем на уровне моря.

Еще больше нивелировать воздействие воздуха возможно коррекцией режима работы лазерных излучателей посредством маяка в космосе.

Проект Breakthrough Starshot желает достигнуть дифракционного предела для оптических лазерных совокупностей в 0.2–1 км. Это на 1–2 порядка лучше существующих ответов, но нет никаких фундаментальных ограничений в достижении данной цели.

Запуск:

Точность наведения на метровый парус

Лазерный излучатель обязан фокусироваться в пятно на парусе меньше чем размер самого паруса на орбите 60 000 км над почвой.

Наведение лазера должно быть согласовано с положением звездной совокупности Альфы Центавра так, дабы пролет совокупности проходил в пределах двух астрономических единиц. Применение фотонных двигателей малой тяги разрешит корректировать курс на 1–2 астрономических единицы.

В задаче позиционирования луча основной есть неприятность удержания паруса на луче. Это зависит от расстояния и размеров паруса до него. Для метрового паруса рабочее расстояние для запуска может быть около нескольких миллионов километров. Точность прицеливания, нужная на таковой дистанции образовывает пара угловых миллисекунд.

Существует пара способов ответа данной неприятности.

Модель воздуха калибруют посредством радара, лазерного луча и оптических измерений в настоящем времени. Это разрешит достигнуть нужной точности позиционирования.

Большая часть земных телескопов (к примеру, телескоп Кека) имеют точность порядка нескольких угловых секунд и ограничено смогут отслеживать объекты в режиме 100 угловых миллисекунд. Для целей миссии нужно большое улучшение точности.

Однако, генерация лазерного луча совокупностью с фазированной решеткой, с совокупностью отслеживания сигнала маяка (для коррекции влияния воздуха) космического аппарата может разрешить достигнуть нужной точности.

Удержание на паруса на луче

Существует последовательность эффектов, каковые делают эту задачу сложной. Это нестабильность луча, режимы работы лазера, силы действующие на парус, нагревание паруса, неоднородности воздуха, вызванные энергией излучателей.

Вышеописанные неприятности возможно решать вращением паруса и регуляция формы как паруса, так и пучка лучей, приходящих на него. Обратная сообщение окажет помощь работе лазерных излучателей, но маленькое время полета требует независимой стабилизации совокупности.

Один из перспективных подходов содержится в том, дабы придавать парусу особую форму, стабилизирующую его положение на луче. Т.е., при вращении, на парус будут влиять такие крутящие силы и моменты, каковые будут стремиться вернуть его ориентацию. Высокочастотная дрожь снизит общее число передаваемой парусу энергии, но хорошая динамика паруса может снизить его чувствительность к помехам, выше определенной частоты.

Потому, что для создания луча будет употребляться массив с фазированной решеткой, профиль пучка может иметь такую форму, дабы максимизировать свойство паруса сохранять собственную позицию на луче, кроме того без механизма обратной связи.

хранение и Производство энергии

хранение и Производство энергии есть технологическим вызовом.

Генерация 100 ГВт мощности и доставка ее в течение нескольких мин. в полной мере достижимо на современном уровне разработок. Электростанции на природном газе смогут генерировать энергию по цене $0.1 за киловатт-час.

На данный момент так же дешёвы батареи и суперконденсаторы, каковые способны обеспечить нужную емкость хранения по разумной цене.

Правильное определение орбитальной позиции экзопланеты

Чтобы доставить нанокрафт к экзопланете с точность до 1 астрономической единицы, может потребоваться правильный учет всех массивных тел вблизи траектории полета.

Часть информации возможно собрана первыми миссиями проекта и учтена в последующих запусках. Кроме этого принимаются упрочнения для лучшего понимания эфемерид — орбитальных позиции больших объектов в конкретные моменты времени, талантливых оказать влияние на траекторию перемещения. Это включает в себя сотрудничество с наибольшими телескопами в южном полушарии, включая Very Large Telescopes и Gemini.

Крейсерский этап:

Межзвездная пыль

Основываясь на оценках плотности пыли в ближайшей к нам межзвездной среде, за время путешествия к Альфе Центавра любой квадратный сантиметр фронтальной площади поперечного сечения электронного модуля StarChip и светового паруса, столкнется приблизительно с 1000 пылевых частиц размером от 100 нанометров и выше. Однако, возможность столкновения с частицей в 1 микрометр за все время полета, образовывает около 10%. А возможность встретить более большие частицы — незначительна.

Пылевая частица размером 100 нанометров, двигающаяся на скорость в 20% от скорости света, проберётся в электронный модуль на глубину порядка 0.4мм. Для оценки результата, приведены расчеты для модуля, размерами 10см х 0.1мм. Площадь поперечного сечения для того чтобы модуля образовывает 0.1 см2. Защитное покрытие из бериллиевой латуни, нанесенное на переднюю часть для того чтобы модуля, может обеспечить его защиту от эрозии и воздействия пыли.

При необходимости, геометрия StarChip возможно поменяна (к примеру в форме «иглы») для предстоящего уменьшения площади поперечного сечения.

Сам парус, для минимизации повреждений, возможно свернут в более обтекаемую конфигурации на протяжении крейсерской фазы полета.

Импульс от удара частицы размером 100 нм относительно мелок, и возможно компенсирован фотонными подруливателями.

Влияние межпланетной пыли в нашей системы незначительно если сравнивать с межзвездной пылью. О наличии пыли в совокупности Альфы Центавра известно мало.

Межзвездная среда и космические лучи

Средняя протяженность свободного пробега и ларморовский радиус частиц межзвездной плазмы намного больше, чем размер нанокрафта. Это указывает, что такие частицы будут оказывать влияние на стены независимо друг от друга, не образуя ударный шок.

Протоны из межзвездной плазмы на скорости 20% от скорости света, будут влиять на нанокрафт с кинетическими энергиями 18 МэВ, а электроны будут иметь энергию 10.2 кэВ. Наряду с этим не имеет значения, объединены ли электрон и протон в атом водорода, либо прилетают по отдельности. Будет происходить эрозия поверхности нанокрафта из-за распыления. Количество распыленных так атомов будет составлять порядка 1000 на см2.

Полная утрата массы передней поверхности устройства составит только пара слоев.

Протоны на энергии 18 МэВ будут попадать на глубину порядка нескольких миллиметров. Исходя из этого будет нужен защитный слой, талантливый остановить такие частицы, дабы избежать повреждения электроники.

Космические лучи значительно менее редки, чем межзвездные протоны, соответственно смогут быть проигнорированы. Столкновения с более тяжелыми элементами должны быть смягчены защитным покрытием: ядра гелия имеют энергии порядка 72 МэВ и их количество образовывает около 10% от количества свободных протонов. Ядра элементов углерода, кислорода и азота несут энергии в 200–300 МэВ и присутствуют числом 0.01% от общего количества.

Для разработки разработок защиты, нужно проведение лабораторных опытов для ионов, движущихся со скоростью 20% от скорости света и сталкивающихся с жёстким телом.

Столкновения с электронами и межзвёздными ионами, теоретически, может иметь собственные преимущества: они имели возможность бы придать нанокрафту потенциал до 10 кВ (кинетическая энергия на электрон). Фронтальная поверхность нанокрафтов будет нагреваться со скоростью 6 мВт на см2, что даст маленькой термоэлектрический источник энергии при путешествии в межзвездной среде.

Межзвездный полет к Альфа Центавра


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: