Um ein Raumschiff zu einem anderen Stern zu schicken, sind eine Million Laser erforderlich, die zusammenarbeiten
2016 gründete der russisch-amerikanische Milliardär Yuri Milner Durchbruchinitiativen , einer gemeinnützigen Organisation, die sich der Erforschung einiger der beständigsten Geheimnisse des Universums widmet. Der wichtigste ihrer wissenschaftlichen Bemühungen ist Durchbruch Starshot , ein Proof-of-Concept-Prototyp, der ein Lichtsegel, ein Nanofahrzeug und einen gerichteten Energieantrieb (auch bekannt als Laser) kombiniert, um ein Raumfahrzeug zu schaffen, das in der Lage ist, den nächsten Stern (Alpha Centauri) in unserem Leben zu erreichen.
Dies stellt natürlich alle möglichen technischen und technischen Herausforderungen dar, nicht zuletzt die Energiemenge, die benötigt wird, um das Raumfahrzeug auf relativistische Geschwindigkeiten (einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit) zu beschleunigen. Zum Glück haben Wissenschaftler der Australische Nationaluniversität (ANU) hat kürzlich ein Design für ein gerichtetes Energiearray entwickelt, das aus Millionen einzelner Laser besteht, die über der Erdoberfläche positioniert sind.
Das Papier, das ihre Forschung beschreibt (durchgeführt mit Unterstützung von Breakthrough Initiatives) wurde kürzlich in der . veröffentlicht Zeitschrift der Optical Society of America B . Das Team wurde geleitet von DR. Chathura P. Bandutunga , ein Forschungsstipendiat bei ANUs Zentrum für Gravitationsastrophysik (CGA) und enthalten Mitglieder von ANUs ARC Center for Engineered Quantum Systems , und der Observatorium des Mount Stromlo .
Der Plan fürDurchbruch Starshotfordert ein Nanofahrzeug im Grammbereich, das mit winzigen Sensoren, Triebwerken, einer Kamera und einer Funkantenne ausgestattet ist. Dieses Nanofahrzeug würde von einem Lichtsegel im Metermaßstab gezogen, das 4 x 4 m (13 x 13 ft) misst und von einem 100-Gigawatt-(GW-)Laser-Array beschleunigt wird. Dies würde es dem Raumfahrzeug ermöglichen, Geschwindigkeiten von bis zu 20 % der Lichtgeschwindigkeit (0,2 .) zu erreichenC), so dass es in nur 20 Jahren die Reise nach Alpha Centauri antreten kann.
Gemeinsam kombinierte das ANU-Team Expertise in vielen Bereichen der Optik und Astronomie, von faseroptischen Sensoren und optischen Phased-Arrays bis hin zu Astrophysik und Gravitationswelleninstrumentierung. Für ihre Studie erwogen Dr. Bandutunga und ihre Kollegen verschiedene Möglichkeiten, ein Laser-Array zu schaffen, das 100 Gigawatt (GW) an optischer Dauerstrichleistung erzeugen kann.
Am Ende stellten sie fest, dass die beste Option darin besteht, sich auf 108 bodengestützte Arrays zu verlassen, die gemeinsam agieren. Wie Dr. Bandutunga kürzlich in einer ANU . sagte Pressemitteilung
„Um die riesigen Entfernungen zwischen Alpha Centauri und unserem eigenen Sonnensystem zu überwinden, müssen wir über den Tellerrand hinausschauen und einen neuen Weg für die interstellare Weltraumreise beschreiten. Auf seinem Weg wird das Segel 20 Jahre lang durch das Vakuum des Weltraums fliegen, bevor es sein Ziel erreicht. Während seines Vorbeiflugs an Alpha Centauri wird es Bilder und wissenschaftliche Messungen aufzeichnen, die es zur Erde zurücksendet.“
Künstlerische Darstellung des zur Beschleunigung verwendeten LaserarraysSternenschuss. Kredit: bahnbrechende Initiativen
Dr. Robert Ward, ein Co-Autor des Papiers, ist auch der Gründungswissenschaftler, der den ANU-Knoten dieses Projekts entwickelt hat. Laut Ward ist ein 100-GW-Array keine leichte Aufgabe, da dies etwa das 100-fache der Kapazität der derzeit größten Batterien der Welt ist. „Um dies zu erreichen, schätzen wir die Zahl der benötigten Laser auf etwa 100 Millionen“, sagt er genannt . Außerdem müssten diese Laser wie ein einziger fungieren und auf ein Lichtsegel mit einer Größe von nicht mehr als 16 m . fokussieren2(139 Fuß)2).
Eine weitere große Herausforderung besteht darin, die Drift jedes Lasers zu messen. „Wir verwenden ein zufälliges digitales Signal, um die Messungen von jedem Laser zu verwürfeln und jeden einzeln in der digitalen Signalverarbeitung zu entschlüsseln.“ sagte Dr. Sibley , des ARC Center for Engineered Quantum Systems. „Auf diese Weise können wir aus einer Vielzahl von Informationen nur die Messungen auswählen, die wir benötigen. Wir können das Problem dann in kleine Arrays aufteilen und sie in Abschnitten miteinander verknüpfen.“
Dann war da noch die Herausforderung durch atmosphärische Verzerrungen, die unvermeidlich sind, wenn man sich auf bodengestützte Arrays verlässt. Aus diesem Grund erfordert das ANU-Design die Verwendung eines Beacon-Satelliten (d. h. eines Leitlasers), der in einer Umlaufbahn um die Erde stationiert ist und als Leiter fungiert und das gesamte Laser-Array zusammenbringt. Wie Professor Michael Ireland von der ANU Research School of Astronomy and Astrophysics (ein weiterer Co-Autor) erklärte:
„Wenn dies nicht korrigiert wird, verzerrt die Atmosphäre den austretenden Laserstrahl und führt dazu, dass er von seinem beabsichtigten Ziel abgelenkt wird. Unser Vorschlag verwendet einen Laserleitstern. Dies ist ein kleiner Satellit mit einem Laser, der das Array aus der Erdumlaufbahn beleuchtet. Während der Laserleitstern auf dem Rückweg zur Erde die Atmosphäre durchquert, misst er die Veränderungen durch die Atmosphäre. Wir haben den Algorithmus entwickelt, der es uns ermöglicht, anhand dieser Informationen das ausgehende Licht des Arrays vorzukorrigieren.“
Sternenschussnähert sich Alpha Centauri und zeigt, wie relativistische Geschwindigkeiten dazu führen, dass Hintergrundsterne rotverschoben werden. Kredit: bahnbrechende Initiativen
Natürlich gibt es noch viel zu tun, was Dr. Bandutunga mit der späteren Reise der verglichSternenschussselbst. Der nächste Schritt besteht darin, einige der grundlegenden Elemente der Missionsarchitektur in einer kontrollierten Laborumgebung zu testen. Dazu gehört laut Dr. Bandutunga die Entwicklung eines Algorithmus zur Korrektur von Atmosphärenverzerrungen und die Untersuchung verschiedener Möglichkeiten, kleine Arrays zu größeren Arrays zu kombinieren.
„Die Arbeit der ANU bestand darin, zu sehen, ob diese Idee überhaupt funktionieren würde“, sagte er. „Ziel war es, Out-of-the-Box-Lösungen zu finden, diese zu simulieren und festzustellen, ob sie physikalisch möglich sind. Obwohl dieser Vorschlag vom ANU-Team unterbreitet wurde, wird international weiter daran gearbeitet, einzigartige und clevere Lösungen für andere Teile des Problems zu finden. Es wird spannend sein, diese Lösungen zusammenzubringen, um das Projekt zum Leben zu erwecken.“
Die Wissenschaft hinter Breakthrough Starshot hat sich in den letzten fünf Jahren erheblich weiterentwickelt. Obwohl kein Zieldatum für den Beginn der Jungfernfahrt bekannt gegeben wurde, hat Yuri Milner in der Vergangenheit vorgeschlagen, dass eine Mission bis 2036 fertig sein könnte. Dies bedeutet, dass die Menschheit in den 2060er Jahren einen ersten Blick auf ein benachbartes Sternensystem werfen könnte. Dies könnte den ersten Blick auf einen potenziell bewohnbaren Exoplaneten aus der Nähe beinhalten.
Weiterlesen: ANU