Femto-rumfartøjer kunne rejse til Alpha Centauri

Sidste år annoncerede et lille hold astronomer opdagelsen af ​​en jordlignende planet, der kredser om den røde dværgstjerne Proxima Centauri, en af ​​vores nærmeste naboer i Alpha Centauri-systemet. Denne exoplanet, kaldet Proxima Centauri b, sidder i den beboelige zone omkring sin vært. Alt vand der burde eksistere i flydende form, hvilket gør denne planet til en vigtig kandidat i søgen efter udenjordisk liv.

Derfor har Proxima Centauri b skabt stor interesse. Det er omkring 40 billioner kilometer fra Jorden, en afstand lys tilbagelægger på lidt over fire år. Et rumfartøj, der rejser med omkring en tiendedel af lysets hastighed, kan tage turen om omkring 50 år.

Og det rejser et interessant spørgsmål. Er det muligt at bygge et rumfartøj, som vi kunne sende til Proxima Centauri inden for livet for mennesker, der lever i dag?

I dag får vi et slags svar, takket være arbejdet fra Andreas Hein og venner ved Institute for Interstellar Studies i London, Storbritannien. Disse fyre har udarbejdet planer for et rumfartøj i gramstørrelse, der kunne klare rejsen, udstyret med en suite på instrumenter, der kunne lave rudimentære observationer af stjernesystemet og sende resultaterne tilbage til Jorden. De kalder deres femto-rumfartøj for Andromeda-sonden og siger, at det kan være på vej til Proxima Centauri og dets søsterstjerner om blot et par år.

Men der er et forbehold. Mens nogle af de teknologier, der kræves til denne rejse, er tilgængelige nu eller i den nærmeste fremtid, er andre meget mere spekulative.

Det grundlæggende design er ligetil. Andromeda-sonden er i bund og grund det opsummerede indre af et smartphone-kamera. Den består af et sort/hvidt 12 megapixel kamera, et objektiv, nogle inertisensorer og et magnetometer. Den har også et atombatteri, rudimentært styretøj og et kommunikationssystem. Den samlede masse af det foreslåede rumfartøj er 23 gram, siger Hein og co.

Og den drives frem af laserlys. Ideen, som flere andre har udforsket før, er at udstyre Andromeda-sonden med et let sejl og accelerere den mod Proxima Centauri på spidsen af ​​en enormt kraftig laserstråle. Denne laser vil sidde i kredsløb om Jorden med en kontinuerlig effekt på 15 gigawatt.

Hein og co giver en grundig gennemgang af de teknologiske udfordringer, der er forbundet med at bygge sådan et rumfartøj (hvis ikke lasersystemet).

En af de mest kritiske udfordringer er deep space navigation. Meget af sondens navigationsnøjagtighed vil afhænge af laserens pegningsnøjagtighed. Holdet siger, at nanoradisk nøjagtighed ville gøre tricket, og at flere nuværende rumfartøjer har lignende krav. James Webb-teleskopet har f.eks. en pegende nøjagtighed på 24 nanoradianer.

Men rumfartøjet skal stadig foretage mindre justeringer fra tid til anden. Og dette vil kun være muligt, hvis den ved, hvor den er med høj nøjagtighed. Dette kunne gøres ved hjælp af det indbyggede kamera og inertisensorer til stjernesporing, men det er stadig en udfordrende opgave.

Rumfartøjet skal også orientere sig selv og spore objekter nøjagtigt. Med en lyshastighed på 0,1 vil rumfartøjet passere gennem Proxima Centauri-systemet på omkring seks dage. I den tid skal den tage så mange fotografier og andre observationer, som den kan klare.

Så rumfartøjet bliver nødt til at spore sine mål og pege sig selv på dem med høj nøjagtighed, ellers vil billederne være ubrugelige. Og det bliver nødt til at gøre dette selvstændigt, fordi kommunikationstiden på otte år sætter alvorlige begrænsninger for, hvilken hjælp jordkontrol kan give.

Hein og co identificerer forskellige måder at pege rumfartøjet på og ændre dets orientering. Det er afgørende, at flere af disse ikke kræver interne strømkilder. En idé er at ændre reflektansen af ​​dele af det lette sejl, så laseren udøver en ujævn kraft, der får den til at dreje.

En anden, mere magtkrævende idé er at flytte en masse på en stråle, hvilket får rumfartøjet til at rotere. Men holdets favorit er at udstyre sejlet med bevægelige klapper, der kan generere drejningsmoment og dermed vende rumfartøjet.

Et af problemerne ved interstellar rejser er risikoen for at ramme en støvpartikel. Ved en tiendedel af lysets hastighed kunne en sådan kollision fordampe rumfartøjet. Så Hein og co planlægger at dække sonden med et grafen Whipple-skjold bestående af flere lag designet til at bryde enhver partikel ad, når de passerer gennem lagene, og derved sprede deres energi.

Risikoen for ødelæggelse rejser en anden interessant idé - at sende en sværm af rumfartøjer. Det øger redundansen af ​​missionen og dataindsamlingskapaciteten. Det udnytter også laserstrålen bedre, som vil sprede sig, så meget af energien går tabt. Af disse grunde giver en sværm af femto-rumfartøjer mening.

Så er der kommunikationssystemet med Jorden, som skal være i stand til at sende de billeder hjem, som rumfartøjet tager. Med strøm til en præmie og ved afstande på flere lysår, vil det sandsynligvis tage betydelig tid.

Men det kan forbedres på forskellige måder. En idé er at opsætte et databaseret system ved at sende femto-rumfartøjer på forskellige tidspunkter for at opfange signalerne og sende dem videre. En anden er at bruge solens gravitationsfelt som en linse til at fokusere signaler fra Proxima Centauri. Det ville betyde at placere et rumfartøj bag vores sol i en direkte linje med målet, en anden vanskelig og dyr opgave.

Onboard power er lidt mere ligetil. Dette skulle være et atombatteri af en eller anden art. Dette genererer varme, efterhånden som dets radioaktive indhold henfalder og er en af ​​de få komponenter, der ligger godt inden for moderne tekniske grænser.

Endelig er der det vanskelige spørgsmål om, hvor meget alt dette ville koste, og hvornår en sådan mission kunne sendes. Hein og co nøjes med det bemærkelsesværdige tal på 11 millioner dollars af udviklingsomkostningerne for det første rumfartøj. Det virker ambitiøst, selvom det kun er for rumfartøjet.

Den tager heller ikke højde for de meget større omkostninger forbundet med at udvikle og lancere et laserfremdrivningssystem af gigantiske proportioner. En 15 GW laser er et betydeligt dyr. Det er omkring en størrelsesorden mere kraft end kapaciteten af ​​Three Gorges Dam i Kina, som i øjeblikket er verdens mest magtfulde kraftværk.

Mens nogle af teknologierne bag denne idé synes mulige på kort til mellemlang sigt, er der flere, der ikke er det, især laserfremdrivningssystemet. Omkostningerne eller tidsplanen virker heller ikke fuldt forankret i den virkelige verden.

Ikke desto mindre siger Hein og co, at deres rapport antager en lanceringsdato på et sted mellem 2025 og 2035.

Den måske vigtigste mangel ved denne mission er den videnskabelige gevinst. Løftet her er et par smartphonebilleder af Proxima Centauri eller dens søsterstjerner i Alpha Centauri-systemet.

Der er stor sandsynlighed for, at disse billeder ikke er af høj kvalitet og måske slet ikke viser noget, mindst af alt Proxima Centauri b. Efter al sandsynlighed vil vi sandsynligvis hurtigere kunne tage bedre billeder af denne exoplanet ved hjælp af rumteleskoper i vores eget solsystem, såsom James Webb-teleskopet.

Men det er for at udelukke eventyrlysten i denne mission. Og derfor ville det være uklogt at udelukke det.

Et nyt rumkapløb er ved at varme op, mens private rumvirksomheder kæmper om adgangen til kredsløb. De mål, der er tydeligst i deres sigte, er: at sende mennesker i kredsløb, sende dem rundt om månen, nærliggende asteroider og måske ind på dem. Ud over det er der Mars.

Men for en håbefuld rumvirksomhed, der ønsker at skabe sig et navn, kunne Proxima Centauri og dets søsterstjerner komme med et udfordrende forslag. Hein og co krydser sikkert fingre.

Ref: arxiv.org/abs/1708.03556 : The Andromeda Study: A Femto-Spacecraft Mission to Alpha Centauri

skjule