'Breakthrough Starshot': sonde koje će stići do tajanstvene planete Proksime Kentaura za 20 godina
(ili, šta je to lasersko nanojedro)
To što svi u zadnje vreme govore o laserskim jedrima kao sredstvu za putovanje do obližnjih zvezda, u najmanju ruku je čudno. Ako tome dodamo i činjenicu da je prošle godine 'slavljena' 55. godišnjica leta prvog čoveka u svemir, čitava stvar postaje još čudnija. Da li je iko ozbiljno najavio nameru da u sledećim decenijama izvede međuzvezdani trip? Jeste! Govorimo, naravno, o programu 'Breakthrough StarShot', inicijativi ruskog milijardera i fizičara Jurija Borisoviča Miljnera (1961.), koji je, kako kaže Wikipedija, ulagao ogromne pare u gotovo sve društvene mreže koje su tada postojale i neke koje će se tek pojaviti. Na osnovu njegovog porekla, čini mi se da nije slučajno odabrao Dan kosmonautike i godišnjicu dela svog imenjaka Jurija da predstavi svoju inicijativu.
Lasersko nanojedro za putovanje do egzoplanete Proxima b. Teorijski, moglo bi da leti 5-6 puta sporije od svetlosti!
Ovu temu sam hotimično načeo još letos, smatrajući je pukim kuriozitetom i mlaćenjem prazne slame. Međutim... da li je tako?
Pre nego što analiziramo o čemu se zapravo radi, očigledno je da je činjenica da su inicijativu podržali Stephen Hawking i Mark Zuckerberg (Facebook) stvorila očekivanja slična... svemu drugom čemu bi istovremeno podršku dala ova dvojica. 'Breakthrough StarShot' zapravo NIJE projekat koji bi trebalo da stvori međuzvezdani brod zasnovan na laserskom pogonu. Nije zbog toga što jednostavno nemamo tehnologiju koja bi to pretočila u stvarnost. Upravo zato 'Breakthrough StarShot' je program koji namerava da u sledećih nekoliko godina uloži $100 miliona ne bi li precizno saznali sve tehnološke poteškoće takve avanture.
Kakav je to pogon koji se bazira na laserskom jedru? Krenimo malo u prošlost. Tačnije, do 60-ih godina, jer su laserska jedra stara koliko i sami laseri. Ubrzo pošto su u Kaliforniji oko 1960. otkriveni uređaji koji su u stanju da emituju koherentnu svetlost, fizičar i SF pisac dr Robert L. Forward je predložio da laseri budu korišćeni za pokretanje solarnih jedara. Koncept je bio prost. Pritisak zračenja Sunčeve svetlosti[1] gura slabašno ali konstantno, i može da 'duva' u solarno jedro (kao što je bio slučaj sa japanskim eksperimentalnim jedrom iz 2010. 'IKAROS'). To je zgodno za putovanja po unutrašnjem solarnom sistemu, ali problem u vezi međuzvezdanog jedrenja je u tome što jačina svetlosti opada sa kvadratom udaljenosti.
Uprkos svemu, solarna jedra su jedan od metoda koji najviše obećavaju kada su u pitanju bespilotna putovanja ka drugim zvezdana uz pomoć današnje tehnologije. Sonda koja bi izvodila manevar gravitacione asistencije Sunca, mogla bi da za drastično ubrzavanje tokom prolaska kroz perihel upotrebi solarno jedro iskoristivši Oberthov efekat. Zato ne iznenađuje da i NASA i ESA proučavaju koncepte međuzvezdanih sondi sa solarnim jedrima koje bi lako mogle da dostignu brzinu od 20 AJ/godišnje (30 milijardi km godišnje[2])
Prvo jedro na svetu 'IKAROS'. Imalo je površinu od 196 m2 i težinu 315 kg. Japanci su tvrdili da je solarni pritisak na jedro iznosio 1,12 mN, tj. deseti deo grama! Poslednji put je veza uspostavljena u maju 2015. Jedro je lansirano zajedno sa sondom za istraživanje Venere, 'Akatsuki'.
Ali vratimo se laserskim jedrima. Forward je shvatio da relativno malo disperzovan laserski zrak može kontinuirano da osvetljava solarno jedro povećavajući mu brzinu do brzine kompatibilne za ljudsko međuzvezdano putovanje (eufemizam da se kaže da astronauti mogu da stignu do svoje destinacije pre nego što umru od starosti). 1969. Kanađanin Philip Norem je unapredio Forwardov koncept međuzvezdanog broda pokretan laserom, ali su se isprečila dva mala problema između te brilijantne ideje i realnosti. Jedan je da bi lasersko jedro trebalo da bude neverovatno tanko i neverovatno veliko da bi bilo ubrzano do relativističke brzine. Naprimer, Norem je zamislio jedro prečnika 40 km i debljine samo 0,3 mikrona (!) sposobno da izdrži temperaturu od 1200°C sa konstantnom reflektivnošću od 99% na talasnoj dužini lasera (ako bi reflektivnost bila niža, temperatura jedra bi se povećala i dovela do isparavanja). Naravno, radilo se o čistoj naučnoj fantastici.
Dr Robert L. Forward (1932-2002).
Sledeći 'problem' je bio vezan za sâm laser. Za slanje broda na drugu zvezdu bio bi nam potreban stvarno veliki laser, uglavnom zato što se i njegov zrak širi sa porastom udaljenosti. Norem je izračunao da bi za slanje broda do Alfu Kentaura bio potreban laser žute svetlosti prečnika 270 kilometara. Da, dobro si pročitao – 270 km, veličine malog meseca[3]. Što se tiče potrebne snage, bolje da i ne govorimo o tome – procenjeno je da bi trebalo da iznosi oko 1016 vati – mnogo više nego što naša civilizacija može da pruži[4]. Uprkos svemu, koncept laserskog jedra je postao popularan u naučnoj fantastici, i brojni pisci koriste taj tip letilica u svojim romanima, kao što je bio slučaj sa knjigom 'Straw in the Eye of God' iz 1975. Larryja Nivena i Jerryja Pournellea.
Tokom 70-ih i 80-ih godina pojavile su se verzije originalnog Forward-Noremovog koncepta koje su obećavale rešenja za izvorne nedostatke. Neki su u cilju smanjivanja prečnika lasera predlagali korišćenje aparature sa X-zracima (laseri sa X-zracima imaju manje rasipanje). Iako je tačno i to da niko ne zna kako da napravi rendgenski laser tolike snage koji bi radio decenijama. Forward je revidirao svoju izvornu ideju, i 1984. godine prikazao realističnije jedro i to sa ljudskom posadom. Sada je predložio korišćenje džinovskog ili 'paralelnog' Frenelovog sočiva koje bi lebdelo u kosmosu na velikoj udaljenosti od lasera. Sočivo bi imalo prečnik od 50.000 km (!!!) i masu od 50.000 tona. Takvo sočivo bi fokusiralo laserski zrak jačine ~20 TW, eliminišući potrebu za gigantskim ustrojstvom. Samo jedro bi bilo sastavljeno od tri 'stepena' koja bi omogućila međuzvezdano putovanje do obližnje zvezde tamo i natrag. Forwardovo jedro iz 1984. je trebalo da ima prečnik od 1.000 km i debljinu od 16 mikrona (hiljaditih delova mm!), sa sa temperaturom nižom od 400°C. To nije bilo loše, ali je ostajao problematični ogromni laser neviđene snage.
Trostepeno lasersko svetlosno jedro sa ljudskom posadom. Jedro bi imalo težinu od 0,1 gr/m2, odn. ukupno 78.500 tona. Jedro bi konstantno bilo ubrzavano brzinom od 3 m/s2. Pošto je zvezda ε Eridani udaljena 10,8 sv. godina, putnicima će uz ubrzavanje i usporavanje trebati 23,2 godine po zemaljskim satovima, odn. 20,5 god. po brodskom satu. Tamo bi istraživanje odnelo još 5 godina, tako da bi čitavo putovanje trajalo 51 godinu, ali bi putnici ostareli za 46 godina.
1983. slavni teorijski fizičar Freeman Dyson (1923) – otac broda 'Orion' koji bi koristio nuklearno oružje kao pogon[5] i Dysonove sfere – predlagao je korišćenje 'masera' – mikrotalasnog lasera – jer bi to dozvoljavalo rupe na jedru čime bi bilo olakšano. Inspirisan Dysonom, Forward je 1985. osmislio brod 'Starwisp', masersko jedro teško samo 16 grama sa korisnim teretom od 4 grama. (Forward je verovao da će nanotehnologija XXI veka omogućiti minijaturizaciju tog nivoa). Zahvaljujući malim dimenzijama, 'Starwisp' bi mogao da koristi laser od 'samo' 10 do 50 gigavata koji ubrzava do 20% od brzine svetlosti (60.000 km/s) za samo nekoliko dana (!!) Na taj način, 'Starwisp' bi stigao do Alfe Kentaura za oko dvadeset godina a koristio bi sâmo jedro kao antenu za slanje podataka ka Zemlji (kojima bi trebalo sledećih 4,4 godine da stignu do nas). Koncepciju 'Starwispa' je 2000. godine razmotrio Nasin naučnik Goeffrey Landis. Zaključio je da bi jedro trebalo da bude teško 1 kg (sa teretom od 80 grama), a da bi dostiglo 10% brzine svetlosti sa laserom od 56 gigavata, i do Kentaura bi stigao za četrdesetak godina.
Koncept 'Starwisp'. Mikrotalasno sočivo bi imalo prečnik od 560 km i omogućavalo bi ubrzanje sonde do 10% brzine svetlosti.
I, ako brzo 'premotamo' do danas, dolazimo do 'Breakthrough StarShot' inicijative najavljene 12. aprila 2016. Miljner je rekao da bi voleo da ka Proximi b pošalje lasersko jedro teško oko jednog grama uz upotrebu nanotehnologije, tako da bi jedan jednostavni čip sadržajao senzore, 4 kamere, 4 fotonska trastera, navigacione sisteme i sve druge sisteme koje imaju letilice. U isto vreme, jedro bi bilo 'debelo' samo par mikrona i svega 4 metra u prečniku. Što se tiče lasera, Miljner sugeriše korišćenje plantaže lasera snage oko 100 gigavata i dimenzija reda kilometra, koji bi mogli da budu postavljeni u visokim planinama na našoj planeti radi uštede u slanju u kosmos.
Ideja ti zvuči poznato? Pa naravno, jer je to oživljen 'Starwisp'! Ali upravo je tu vrlo bitna razlika. 'StarShot' ne bi činio jedan brod, već bi bilo mnogo – možda stotine ili hiljade – laserskih nanojedara, koristeći prednosti njihove male težine i cene. Flota nanosatelita bi stigla do Proxime b za 20-ak godina a koristila bi isti zrak za slanje podatke kući. Projektom će rukovoditi Pete Worden, bivši direktor Nasinog centra Ames, a pomagali bi mu, između ostalih, Ann Druyan[6] i Freeman Dyson lično (dasa danas ima 95 godina!). Miljner veruje da bi do realizacije njegove inicijative moglo doći za dvadeset ili trideset godina, tako da vam je bolje da živite do 2050, ako želite da vidite prve slike najbliže nam planete (super-Zemlje) koja se okreće oko crvene zvezde Proksime Kentaura.
Set lasera koji će pokretati nanojedra. Početkom godine Inicijativa je sklopila dogovor sa Evropskom južnom opservatorijom i čileanskim teleskopom VLT da uz financijsku inekciju pokušaju da pronađu nove planete u sistemu.
Međutim, koliko je realna Rusova iinicijativa? Kao što vidimo, nije postignut neki veliki napredak, jer su Dyson i Forward predložili koncept 'Starwisp-a' još 70-ih godina. Danas je jedno međuzvezdano putovanje nemoguće bez astronomskih ulaganja, verovatno preko pet milijardi na koliko je Miljner procenio svoj projekat. Ostavljajući lasersku tehnologiju po strani, ništa nam ne garantuje da ćemo moći da stvorimo nanotehnološke sonde koje bi mogle da rade 30 ili više godina. Ukratko, postoje još mnoge nepoznanice, ali se nadamo da će projekat makar utvrditi do koje mere je ovakav projekat u našem dometu. Jedino je šteta što Forward više nije sa nama. Sigurno bi bio srećan da vidi koliko se danas priča o laserskim jedrima.
Još informacija:
- http://breakthroughinitiatives.org/
- http://www.geoffreylandis.com/lightsail/lightsail89.html
- http://orbitalvector.com/Deep%20Space%20Propulsion/Solar%20Sails/Solar%20Sails.htm
- http://www.scientificamerican.com/article/100-million-plan-will-send-probes-to-the-nearest-star1/
- http://www.centauri-dreams.org/?p=35402
[1] Pritisak je mali, ali istoj udaljenosti od Sunca konstantan: na udaljenosti Merkura (0,39 AJ) iznosi 60,6 µPa (µN/m2), na udaljenosti Zemlje (1 AJ) 9,08 µPa (0,000009 grama/m2!), na udaljenosti Jupitera 0,34 µPa.
[2] To je udaljenost do Urana!
[3] Recimo, Jupiter od svojih 65 satelita, samo 4 ima veće dimenzije od ovog lasera.
[4] Tj. više nego što može da potroši za ovakvu namenu. Naša planeta godišnje potroši energije reda veličine 1,8×1013 W.
[5] Moj omiljeni međuplanetni projekat ali nije originalan, jer su to prvi predložili najpre sovjetski revolucionar i raketaš Nikolaj Ivanovič Kibaljčič 1881, a potom nemački inženjer Hermann Ganswindt 1891.
[6] Supruga Karla Sagana, koautor slavne serije iz 1980 'Cosmos', i pisac i producent novog serijala koji je vodio N. Tyson. Meni je poznata kao direktor projekta snimanja pozlaćenih diskova koji su poslali 'poruke' sondama 'Voyager'.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
