På en gång hade mänskligheten ambitioner som ledde till sådana otroliga projekt som den första bemannade flykten ut i rymden eller ett uppdrag till månen. Nästa steg är kolonisering av planeter och sedan interstellär resor. Breakthrough Starshot Initiative är efterföljaren till den mänskliga ambitionen och lovar att bana väg för stjärnorna i omedelbar närhet.
Genombrott Starshot, hjärnskölden till den ryska miljardärentreprenören Yuri Milner, blev berömd i april 2016 på en presskonferens som deltagit av kända fysiker inklusive Stephen Hawking och Freeman Dyson. Projektet är långt ifrån färdig, men den preliminära planen innebär att skicka tusentals frimärken med frimärksstorlek på stora silver segel, som först kommer in i jorden omloppsbana och sedan påskyndas med markbaserade lasrar.
På två minuters laseracceleration kommer rymdskeppet att accelerera till en femtedel ljusets hastighet - tusen gånger snabbare än något konstgjort fordon i hela mänsklighetens historia.
Varje rymdskepp flyger i 20 år och samlar vetenskaplig information om interstellar rymden. När man når planeterna i stjärnsystemet Alpha Centauri kommer den inbyggda digitala kameran att ta högupplösta fotografier och skicka bilder till jorden, så att vi kan titta på våra närmaste planetgrannar. Förutom vetenskaplig kunskap kan vi ta reda på om dessa planeter är lämpliga för mänsklig kolonisering.
Teamet bakom Breakthrough Starshot är lika imponerande som tekniken. Styrelsen inkluderar Milner, Hawking och Mark Zuckerberg, skaparen av Facebook. Pete Warden, tidigare chef för NASA: s Ames Research Center, är VD. Flera framstående forskare, inklusive Nobelpristagare, rekommenderar projektet och Milner satte in 100 miljoner dollar av sina egna medel för att få arbetet igång. Tillsammans med kollegor investerar de över 10 miljarder dollar under flera år för att slutföra arbetet.
Även om hela denna idé verkar helt sci-fi finns det inget vetenskapligt hinder för dess genomförande. Detta behöver dock inte hända imorgon: för att Starshot ska bli framgångsrikt krävs ett antal tekniska framsteg. Arrangörerna och vetenskapliga konsulterna tror på exponentiell utveckling och att Starshot har funnits i 20 år.
Nedan hittar du en lista över elva Starshot-teknologier och vilka förhoppningar forskare sätter på sin exponentiella utveckling under de kommande tjugo åren.
Kampanjvideo:
Exoplanet upptäckt
En exoplanet är en planet utanför vårt solsystem. Även om den första vetenskapliga upptäckten av en exoplanet ägde rum först 1988, från och med 1 maj 2017, uppdagades 3 608 exoplaneter i 2 702 planetariska system. Medan vissa av dem liknar planeter i solsystemet, finns det många ovanliga sådana, till exempel de med ringar 200 gånger bredare än Saturns.
Vad är orsaken till denna översvämning av upptäckter? Betydande förbättring av teleskop.
För bara 100 år sedan var världens största teleskop Hooker-teleskopet med en spegel på 2,54 meter. Idag är ESO: s Very Large Telescope, som består av fyra stora teleskop med en diameter på 8,2 meter, den mest produktiva markbaserade astronomiska installationen och producerar en vetenskaplig artikel per expertgranskning per dag.
Forskare använder MBT och ett speciellt verktyg för att söka efter solida extrasolära planeter i stjärnans potentiellt bebörliga zon. I maj 2016 hittade forskare som använder TRAPPIST-teleskopet i Chile inte en utan sju exoplaneter i jordstorlek samtidigt i en potentiellt beboelig zon.
Samtidigt, i rymden, har NASA: s Kepler-rymdskepp, speciellt designad för uppgiften, redan identifierat mer än 2 000 exoplaneter. James Webb Space Telescope, som kommer att lanseras i oktober 2018, kommer att ge en enastående insikt i huruvida exoplaneter kan stödja livet. "Om dessa planeter har en atmosfär, kommer JWST att vara nyckeln till att avslöja sina hemligheter," säger Doug Hudgins, en exoplanetforskare vid NASA: s huvudkontor i Washington DC.
Lanseringskostnader
Starshot-moderskeppet kommer att lanseras ombord på raketen och kommer att lansera 1 000 fartyg. Kostnaderna för att transportera nyttolast med raketer för engångsbruk är enorma, men privata tjänsteleverantörer som SpaceX och Blue Origin har visat framgång med att lansera återanvändbara raketer som förväntas minska lanseringskostnaderna avsevärt. SpaceX har redan sänkt kostnaderna till 60 miljoner dollar för att lansera Falcon 9, och när den privata rymdindustrin expanderar och återanvändbara raketer blir vanligare kommer priset att falla och falla.
Star
Varje 15mm Starchip ("stjärnchip") måste innehålla ett stort utbud av sofistikerade elektroniska enheter som ett navigationssystem, en kamera, en kommunikationslaser, ett radioisotopbatteri, en kameramultiplexer och dess gränssnitt. Ingenjörerna hoppas att de kan pressa det hela i en liten maskin med frimärksstorlek.
De första datorchipsna på 1960-talet innehöll ju en handfull transistorer. Tack vare Moore's Law kan vi idag passa miljarder transistorer på varje chip. Den första digitalkameran vägde flera kilogram och tog 0,01 megapixelbilder. Idag tar en digitalkamerasensor högkvalitativa färgbilder på 12 megapixlar och passar in i en smartphone - tillsammans med andra sensorer som GPS, accelerometer och gyroskop. Och vi ser att dessa förbättringar sminkar ut i utforskning av rymden med mindre satelliter som ger oss kvalitetsdata.
För att Starshot ska lyckas behöver vi en chipmassa på cirka 0,22 gram fram till 2030. Men om förbättringar fortsätter att komma i samma takt tyder prognoserna på att detta är fullt möjligt.
Lätt segel
Seglet bör vara tillverkat av ett material som kommer att vara mycket reflekterande (för att få maximal puls från lasern), minimalt absorberande (för att inte brännas av värme) och samtidigt mycket lätt (tillåtet för snabb acceleration). Dessa tre kriterier är oerhört viktiga och för närvarande finns det inget lämpligt material för dem.
De nödvändiga framstegen kan komma från att automatisera konstgjord intelligens och påskynda upptäckten av nya material. Denna automatisering har gått så långt att maskininlärningsmetoder idag kan "generera bibliotek med kandidater för lämpligt material i tiotusentals positioner" och låta ingenjörer bestämma vilka som är värda att kämpa för och vilka som är värda att testa under vissa förhållanden.
Energilagring
Även om Starchip kommer att använda ett litet radioisotopbatteri för sin 24-åriga resa, kommer vi fortfarande att behöva konventionella kemiska batterier för lasrarna. Lasrar kommer att behöva släppa kolossal energi på kort tid, vilket innebär att energin måste lagras i batterier i närheten.
Batterierna förbättras med cirka 5-8% per år, även om vi ofta inte ser detta eftersom energiförbrukningen ökar. Om batterierna fortsätter att förbättras med denna hastighet kommer de på tjugo år att ha 3-5 gånger mer kapacitet än de är i dag. Andra innovationer kan följa en stor investering i batteribranschen. Samföretaget Tesla-Solar City har redan levererat 55 000 till Kauai för att driva det mesta av sin infrastruktur.
lasrar
Tusentals kraftfulla lasrar kommer att användas för att driva fartyget tillsammans med seglet.
Lasrar följde Moores lag på ungefär samma sätt som integrerade kretsar och fördubblade kraften var 18: e månad. Det senaste decenniet har en dramatisk acceleration i skalningen av kraften hos dioder och fiberlasrar. Den första genomborrade 10 kilowatt enfodrad fiber 2010 och en 100 kilowattbarriär några månader senare. Förutom råkraft behöver vi också framgång när vi kombinerar fasade matrislasrar.
Fart
Vår förmåga att röra sig snabbt … rörde sig snabbt. År 1804 uppfanns tåget och fick snart en hörd hastighet på 100 kilometer per timme. Rymdskeppet "Helios-2" förmörkade denna rekord 1976: i det snabbaste ögonblicket rörde "Helios-2" sig från jorden med en hastighet av 356 040 km / h. 40 år senare har rymdskeppet New Horizons nått en heliocentrisk hastighet på 45 kilometer per sekund (mer än 200 000 kilometer i timmen). Men även med den hastigheten skulle det ta lång tid att nå Alpha Centauri, fyra ljusår bort.
Även om accelerering av subatomära partiklar till hastighet nära ljus har blivit vanligt i partikelacceleratorer, har makroskopiska objekt inte varit så framgångsrika. Att nå 20% ljusets hastighet skulle vara 1000 gånger hastigheten för varje mänskligt byggt objekt.
Minneslagring
Möjligheten att lagra information blev grunden för beräkningar. Starshot kommer att bero på fortsatta minskningar i kostnaden och storleken för det digitala minnet för att ge tillräckligt med lagringsutrymme för sina program och bilder som fångats i Alpha Centauri-stjärnsystemet och dess planeter.
Kostnaden för minne har minskat exponentiellt i årtionden: 1970 var en megabyte värd cirka en miljon dollar; nu - bara pennies. Storleken som krävs för lagring har också krympt, från en 5-megabyte hårddisk laddad 1956 med en gaffeltruck till 512-gigabyte USB-stick som väger några gram.
telekommunikation
När Starchip tagit bilderna måste de skickas tillbaka till jorden för bearbetning.
Telekommunikationen har utvecklats avsevärt sedan Alexander Graham Bell uppfann telefonen 1876. Den genomsnittliga internethastigheten idag är cirka 11 megabit per sekund. Bandbredden och hastigheten som krävs för att skicka digitala bilder under fyra ljusår - 40 biljoner kilometer - kommer att kräva de senaste framstegen inom telekommunikation.
Li-Fi-tekniken är extremt lovande och dess trådlösa överföring lovar att vara 100 gånger snabbare än Wi-Fi. Det finns också experiment inom kvanttelekommunikation, som inte kommer att vara snabba, men säkra.
beräkningar
Det sista steget i Starchip-projektet är att analysera de data som rymdskeppet returnerar. För att göra detta måste vi förlita oss på den exponentiella utvecklingen av datorkraft, som har ökat med en biljon gånger under de senaste 60 åren.
Nyligen har nedgången i datakostnaderna starkt förknippats med moln. Ser vi framåt och använder nya datortekniker som kvantum, kan vi förvänta oss en 1 000-faldig ökning av effekten när Starshot returnerar data. Denna extraordinära datorkraft gör det möjligt för oss att utföra sofistikerade vetenskapliga simuleringar och analyser av vårt närmaste angränsande stjärnsystem.
ILYA KHEL
