Коли у людства були амбіції, які призводили до таких неймовірних проектів, як перший політ людини в космос або місія на Місяць. Наступним кроком буде колонізація планет, а потім і міжзоряна подорож. Ініціатива Breakthrough Starshot стає наступником людських амбіцій і обіцяє прокласти шлях до найближчих зірок.
Breakthrough Starshot став відомий в квітні 2016 року на прес-конференції, в якій взяли участь відомі фізики, в тому числі Стівен Хокінг і Фрімен Дайсон. І хоча проект поки не можна назвати повноцінним, попередній план передбачає відправку тисяч чіпів розміром з поштову марку на великих сріблястих вітрилах, які спочатку вийдуть на земну орбіту, а потім будуть прискорені наземними лазерами.
За дві хвилини лазерного розгону космічний апарат прискориться до однієї п’ятої швидкості світла — в тисячу разів швидше будь-якого штучного апарату за всю історію людства.
Кожен апарат буде летіти 20 років і збирати наукові дані про міжзоряний простір. Досягнувши планет в зоряній системі Альфи Центавра, вбудована цифрова камера буде фотографувати у високому дозволі і відправляти знімки на Землю, дозволяючи нам поглянути на наших найближчих планетарних сусідів. На додаток до наукових знань ми можемо дізнатися, чи підходять ці планети для колонізації людини.
Команда, яка займається Breakthrough Starshot, така вражаюча, як і технології. У раду директорів входять Мільнер, Хокінг і Марк Цукерберг, засновник Facebook. Роль виконавчого директора займає Піт Уорден, колишній директор науково-дослідницького центру Еймса при NASA. Кілька відомих вчених, включаючи нобелівських лауреатів, консультують проект, а Мільнер виклав 100 мільйонів доларів власних коштів, щоб робота почалася. Разом з колегами вони інвестують понад 10 мільярдів доларів протягом декількох років, щоб робота завершилася.
Хоча вся ця затія здається абсолютно науково-фантастичною, немає ніяких наукових перешкод для її реалізації. Це, втім, не обов’язково має статися завтра: для того щоб Starshot був успішним, необхідний ряд досягнень в області технологій. Організатори і вчені-консультанти вірять в експонентний прогрес і в те, що Starshot реалізується протягом 20 років.
Далі ви знайдете список з одинадцяти технологій Starshot і які надії на їх експоненційний розвиток протягом наступних двадцяти років покладають вчені.
Виявлення екзопланет
Екзопланета — це планета за межами нашої Сонячної системи. Хоча перше наукове виявлення екзопланети відбулося тільки в 1988 році, на 1 травня 2017 року було виявлено 3608 екзопланет в 2702 планетарних системах. Хоча деякі з них нагадують планети в Сонячній системі, серед них є багато незвичайних, наприклад, з кільцями в 200 разів ширше кілець Сатурна.
У чому причина такої повені відкриттів? Суттєве вдосконалення телескопів.
Всього 100 років тому найбільшим телескопом у світі був телескоп Хукера з дзеркалом у 2,54 метра. Сьогодні Дуже Великий Телескоп Європейської південної обсерваторії складається з чотирьох великих телескопів діаметром 8,2 метра і являє собою найпродуктивнішу наземну астрономічну установку, що викривають з однієї наукової статті на експертний огляд в день.
Вчені використовують ДВТ та спеціальний інструмент для пошуку твердих позасонячних планет в потенційно населеній зоні зірки. У травні 2016 року вчені, які використовують телескоп TRAPPIST в Чилі, знайшли не одну, а відразу сім екзопланет земних розмірів потенційно населеної зоні.
Між тим в космос космічний апарат NASA “Кеплер”, спеціально розроблений для цієї задачі, вже ідентифікував більше 2000 екзопланет. Космічний телескоп Джеймса Уебба, який буде запущений в жовтні 2018 року, забезпечить безпрецеденте уявлення про те, чи можуть екзопланети підтримувати життя. «Якщо у цих планет є атмосфера, JWST стане ключем до розкриття їх секретів», говорить Дуг Хадгинс, вчений програми екзопланет в штаб-квартирі НАСА у Вашингтоні.
Витрати на запуск
Материнський корабель Starshot буде запущений на борту ракети і випустить тисячу кораблів. Вартість транспортування корисного навантаження з використанням одноразових ракет величезна, але приватні постачальники послуг, такі як SpaceX і Blue Origin, продемонстрували успіх у запуску багаторазових ракет, які, як очікується, значно знизять витрати на запуск. SpaceX вже скоротила витрати до 60 мільйонів доларів на запуск Falcon 9, і в міру того, як розширюється приватна космічна індустрія і багаторазові ракети стають більш поширеними, ціна буде падати і падати.
Starchip
Кожен 15-міліметровий Starchip («зоряний чіп») повинен містити великий масив хитромудрих електронних пристроїв, таких як система навігації, камера, лазер зв’язку, радіоізотопна батарея, мультиплексор камери і її інтерфейс. Інженери сподіваються, що зможуть обмежити все це в маленькому апараті розміром з поштову марку.
Зрештою, перші комп’ютерні чіпи в 1960-х років містили жменьку транзисторів. Завдяки закону Мура, сьогодні ми можемо вмістити мільярди транзисторів на кожному чіпі. Перша цифрова камера важила кілька кілограмів і робила 0,01-мегапіксельні зображення. Сьогодні сенсор камери робить високоякісні кольорові зображення в 12 мегапікселів і вміщується в смартфоні — поряд з іншими сенсорами начебто GPS, акселерометра і гіроскопа. І ми бачимо, як ці поліпшення просочуються в освоєння космосу з появою невеликих супутників, які забезпечують нам якісні дані.
Для успіху Starshot нам знадобиться, щоб маса чіпа становила близько 0,22 грама до 2030 року. Але якщо поліпшення будуть продовжувати приходити такими ж темпами, прогнози припускають, що це цілком можливо.
Легкий парус
Парус повинен бути зроблений з матеріалу, який буде мати високу відбивну здатність (щоб набрати максимальний імпульс від лазера), мінімально поглинаючий (щоб не згорів від тепла) і при цьому дуже легкий (дозволяв швидко розігнатися). Ці три критерії надзвичайно важливі, і в даний час відповідного матеріалу для них просто не існує.
Необхідні досягнення можуть прийти від автоматизації штучного інтелекту і прискорення виявлення нових матеріалів. Така автоматизація дійшла до того, що методи машинного навчання сьогодні можуть генерувати бібліотеки кандидатів на відповідні матеріали в десятки тисяч позицій і дозволяють інженерам визначити, за які варто боротися і які варто тестувати при певних умовах.
Зберігання енергії
Хоча Starchip буде використовувати крихітну радіоізотопну батарею протягом своєї 24-річної подорожі, нам все одно знадобляться звичайні хімічні батареї для лазерів. Лазерам потрібно вивільняти колосальну енергію в короткі терміни, а значить енергію доведеться зберігати в батареях поблизу.
Акумулятори поліпшуються приблизно на 5-8% на рік, хоча ми часто не бачимо цього, тому що рівень споживання енергії зростає. Якщо батареї продовжать поліпшуватися в такому темпі, через двадцять років вони будуть в 3-5 разів більш місткі, ніж сьогодні. Інші інновації можуть послідувати за великими інвестиціями у сферу акумуляторів. Спільне підприємство Tesla і Solar City вже поставило 55 000 в Кауаї, щоб живити більшу частину своєї інфраструктури.
Лазери
Тисячі потужних лазерів будуть використовуватися для просування апарату разом з вітрилом.
Лазери підкорялися закону Мура майже так само, як інтегральні схеми, множачи потужність вдвічі через кожні 18 місяців. За останнє десятиріччя відбулося різке прискорення масштабування потужності діодних і волоконних лазерів. Перші пробили 10 кіловат з одномодового волокна в 2010 році і 100-кіловатний бар’єр через кілька місяців. На додаток до сирої мощі нам також потрібен успіх в об’єднанні фазованих матричних лазерів.
Швидкість
Наша здатність швидко рухатися… рухатися швидко. У 1804 році був винайдений поїзд і дуже скоро набрав нечувану швидкість в 100 кілометрів на годину. Космічний апарат «Геліос-2» затьмарив цей рекорд в 1976 році: у найшвидший момент «Геліос-2» віддалявся від Землі на швидкості 356 040 км/год. Через 40 років космічний апарат «Нові горизонти» досяг геліоцентричної швидкості в 45 кілометрів в секунду (більше 200 000 кілометрів на годину). Але навіть якщо рухатися з такою швидкістю, буде потрібно багато часу, щоб дістатися до Альфи Центавра за чотири світлових роки від нас.
Хоча розгін субатомних часток до навколосвітлової швидкістю став звичайною справою для прискорювачів частинок, макроскопічні об’єкти так розігнати не виходило. Досягнення 20% швидкості світла стане 1000-кратним збільшенням швидкості для будь-якого об’єкта, побудованого людиною.
Зберігання пам’яті
Основою для розрахунків стала здатність зберігати інформацію. Starshot буде залежний від триваючого зниження вартості і розмірів цифрової пам’яті, щоб забезпечити достатній простір для зберігання своїх програм та зображень, зроблених в зоряній системі Альфа Центавра і її планет.
Вартість пам’яті знижувалася експоненціально протягом десятиліть: в 1970 році мегабайт коштував близько мільйона доларів; зараз — дрібницю. Розмір, необхідний для зберігання, також стиснувся: від 5-мегабайтового жорсткого диска, завантаження в 1956 році за допомогою вилочного навантажувача, до 512-гігабайтні USB-накопичувачів вагою в кілька грамів.
Телекомунікація
Як тільки Starchip зробить знімки, їх потрібно буде відправити на Землю для обробки.
Телекомунікації істотно прогресували з тих пір, як Олександр Грем Белл винайшов телефон у 1876 році. Середня швидкість інтернету сьогодні — близько 11 мегабіт в секунду. Пропускна здатність і швидкість, необхідна для відправки цифрових зображень за 4 світлових роки — 40 трильйонів кілометрів — зажадають останніх досягнень в області телекомунікацій.
0край багатообіцяючою є технологія Li-Fi, бездротова передача якої обіцяє стати в 100 разів швидше Wi-Fi. Також проводяться експерименти в області квантових телекомунікацій, які не будуть швидкими, але зате безпечними.
Обчислення
Останнім кроком проекту Starchip буде аналіз даних, що повертаються космічним апаратом. Для цього нам доведеться покластися на експоненційний розвиток обчислювальної потужності, яка збільшилася в трильйон разів за останні 60 років.
Зниження вартості обчислень останнім часом сильно пов’язують з хмарами. Заглядаючи в майбутнє і використовуючи нові методи обчислень начебто квантових, ми можемо очікувати тисячократного збільшення потужності до того часу, коли Starshot буде повертати дані. Така виняткова обчислювальна потужність дозволить нам виконувати складне наукове моделювання та аналіз нашої найближчої сусідньої зоряної системи.