L'invio di un veicolo spaziale a un'altra stella richiederà la collaborazione di un milione di laser
Nel 2016, il miliardario russo-americano Yuri Milner ha fondato Iniziative rivoluzionarie , un'organizzazione senza scopo di lucro dedicata a investigare alcuni dei misteri più duraturi dell'Universo. Il principale tra i loro sforzi scientifici è Innovazione Starshot , un prototipo proof-of-concept che combina una vela di luce, un nanoveicolo e una propulsione a energia diretta (nota anche come laser) per creare un veicolo spaziale in grado di raggiungere la stella più vicina (Alpha Centauri) nelle nostre vite.
Naturalmente, questo presenta tutti i tipi di sfide tecniche e ingegneristiche, non ultima la quantità di potenza necessaria per accelerare la navicella spaziale a velocità relativistiche (una frazione della velocità della luce). Per fortuna, gli scienziati del Università nazionale australiana (ANU) ha recentemente ideato un progetto per un array di energia diretta composto da milioni di singoli laser posizionati sulla superficie terrestre.
Il documento che descrive la loro ricerca (condotta con il supporto di Breakthrough Initiatives) è stato recentemente pubblicato su Journal of the Optical Society of America B . La squadra era guidata da Dott. Chathura P. Bandutunga , un ricercatore con ANU's Centro di Astrofisica Gravitazionale (CGA), e includeva membri dell'ANU Centro ARC per sistemi quantistici ingegnerizzati , e il Osservatorio del Monte Stromlo .
Il piano perInnovazione Starshotrichiede un nanoveloce in scala grammo dotato di minuscoli sensori, propulsori, una fotocamera e un'antenna radio. Questo nanoveicolo sarebbe trainato da una vela di luce su scala metrica che misura 4 x 4 m (13 x 13 piedi) ed è accelerata da un array laser da 100 gigawatt (GW). Ciò consentirebbe al veicolo spaziale di raggiungere velocità fino al 20% della velocità della luce (0,2C), permettendogli di compiere il viaggio verso Alpha Centauri in soli 20 anni.
Insieme, il team dell'ANU ha unito le competenze in molte aree dell'ottica e dell'astronomia, che vanno dai sensori in fibra ottica e phased array ottici all'astrofisica e alla strumentazione per le onde gravitazionali. Per il bene del loro studio, la dott.ssa Bandutunga e i suoi colleghi hanno preso in considerazione varie possibilità per creare un array laser in grado di generare 100 gigawatt (GW) di potenza ottica a onda continua.
Alla fine, hanno stabilito che l'opzione migliore è fare affidamento su 108 array a terra che agiscono di concerto. Come ha detto il Dr. Bandutunga in un recente ANU comunicato stampa
“Per coprire le grandi distanze tra Alpha Centauri e il nostro sistema solare, dobbiamo pensare fuori dagli schemi e creare un nuovo modo di viaggiare nello spazio interstellare. Una volta in viaggio, la vela volerà nel vuoto dello spazio per 20 anni prima di raggiungere la sua destinazione. Durante il suo sorvolo di Alpha Centauri, registrerà immagini e misurazioni scientifiche che trasmetterà sulla Terra”.
Rappresentazione artistica dell'array laser utilizzato per accelerareColpo di stella. Credito: Iniziative rivoluzionarie
Il dottor Robert Ward, coautore del documento, è anche lo scienziato fondatore che ha aperto la strada al nodo ANU di questo progetto. Secondo Ward, un array da 100 GW non è un compito facile, poiché è circa 100 volte la capacità delle batterie più grandi del mondo oggi. 'Per raggiungere questo obiettivo, stimiamo che il numero di laser necessari sia di circa 100 milioni', ha disse . Inoltre, questi laser dovrebbero agire come un tutt'uno e concentrarsi su una vela di luce che non misura più di 16 m2(139 piedi2).
Un'altra grande sfida è come misurare la deriva di ciascun laser. 'Utilizziamo un segnale digitale casuale per codificare le misurazioni da ciascun laser e decodificare ognuna separatamente nell'elaborazione del segnale digitale', ha detto il dottor Sibley , dell'ARC Center for Engineered Quantum Systems. 'Questo ci consente di selezionare solo le misurazioni di cui abbiamo bisogno da una vasta gamma di informazioni. Possiamo quindi suddividere il problema in piccoli array e collegarli insieme in sezioni'.
Poi c'era la sfida posta dalla distorsione atmosferica, che è inevitabile quando si fa affidamento su array a terra. Per questo motivo, il progetto dell'ANU prevede l'uso di un satellite Beacon (ovvero un laser guida) stazionato in orbita attorno alla Terra che fungerebbe da conduttore e riunirebbe l'intero array laser. Come ha spiegato il professor Michael Ireland della ANU Research School of Astronomy and Astrophysics (un altro coautore):
“Se non corretto, l'atmosfera distorce il raggio laser in uscita, facendolo deviare dalla sua destinazione prevista. La nostra proposta utilizza una stella guida laser. Questo è un piccolo satellite con un laser che illumina l'array dall'orbita terrestre. Quando la stella guida laser attraversa l'atmosfera sulla via del ritorno verso la Terra, misura i cambiamenti dovuti all'atmosfera. Abbiamo sviluppato l'algoritmo che ci consente di utilizzare queste informazioni per correggere preventivamente la luce in uscita dall'array”.
Colpo di stellaavvicinandosi ad Alpha Centauri, mostrando come le velocità relativistiche causano lo spostamento verso il rosso delle stelle sullo sfondo. Credito: Iniziative rivoluzionarie
Naturalmente, c'è ancora molto lavoro da fare, che il Dr. Bandutunga ha paragonato all'eventuale viaggio delColpo di stellasi. Il prossimo passo è iniziare a testare alcuni degli elementi di base dell'architettura della missione in un ambiente di laboratorio controllato. Secondo il dott. Bandutunga, ciò include lo sviluppo di un algoritmo per correggere la distorsione dell'atmosfera e l'analisi di vari modi per combinare piccoli array per creare array più grandi.
'Il lavoro svolto all'ANU era vedere se questa idea avrebbe funzionato', ha detto. “L'obiettivo era trovare soluzioni pronte all'uso, simularle e determinare se fossero fisicamente possibili. Sebbene questa proposta sia stata avanzata dal team dell'ANU, c'è più lavoro in corso a livello internazionale per trovare soluzioni uniche e intelligenti per altre parti del problema. Sarà emozionante riunire queste soluzioni per dare vita al progetto'.
La scienza dietro Breakthrough Starshot è progredita notevolmente negli ultimi cinque anni. Sebbene non sia stata annunciata alcuna data prestabilita per l'inizio del viaggio inaugurale, Yuri Milner ha suggerito in passato che una missione potrebbe essere pronta entro il 2036. Ciò significa che l'umanità potrebbe dare una prima occhiata a un vicino sistema stellare entro il 2060, che potrebbe includere il primo sguardo ravvicinato di un esopianeta potenzialmente abitabile.
Ulteriori letture: ANU