In april 2016 kondigde de Russische miljardair Yuri Milner de oprichting van Breakthrough Starshot aan. Als onderdeel van zijn wetenschappelijke organisatie zonder winstoogmerk (bekend als Breakthrough Initiatives), was het doel van Starshot om een lichtzeil nanocraft te ontwerpen dat in staat zou zijn om het dichtstbijzijnde zonnestelsel - Alpha Centauri (ook bekend als Rigel Kentaurus) - binnen ons leven te bereiken.
Sinds de oprichting hebben de wetenschappers en ingenieurs achter het Starshot-concept geprobeerd de uitdagingen aan te gaan waarmee een dergelijke missie zou worden geconfronteerd. Evenzo zijn er velen in de wetenschappelijke gemeenschap geweest die ook suggesties hebben gedaan over hoe een dergelijk concept zou kunnen werken. Het nieuwste komt van het Max Planck Institute for Solar System Research, waar twee onderzoekers een nieuwe manier bedachten om het vaartuig te vertragen zodra het zijn bestemming heeft bereikt.
Om samen te vatten, het Starshot-concept houdt in dat een klein, gramschaal nanocraft wordt gesleept door een lichtzeil. Met behulp van een laser-array op de grond zou dit lichtzeil worden versneld tot een snelheid van ongeveer 60.000 km / s (37.282 mps) - of 20% van de lichtsnelheid. Met deze snelheid zou de nanocraft in slechts 20 jaar tijd het dichtstbijzijnde zonnestelsel kunnen bereiken - Alpha Centauri, 4,37 lichtjaar van ons verwijderd.
Dit brengt natuurlijk een aantal technische uitdagingen met zich mee, waaronder de mogelijkheid van een botsing met interstellair stof, de juiste vorm van het lichtzeil en de enorme energiebehoeften voor het aandrijven van de laserarray. Maar even belangrijk is het idee hoe zo'n vaartuig zou vertragen zodra het zijn bestemming had bereikt. Zonder lasers aan de andere kant om brekende energie toe te passen, hoe zou het vaartuig dan voldoende vertragen om het systeem te gaan bestuderen?
Het was precies deze vraag die René Heller en Michael Hippke in hun studie verkozen te behandelen: "Vertraging van interstellaire fotonen met hoge snelheid die in gebonden banen bij Alpha Centauri zeilen". Heller is een astrofysicus die de ESA momenteel assisteert bij de voorbereidingen voor de aanstaande PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) -missie - een exoplaneetjager die wordt ingezet als onderdeel van hun Cosmic Vision-programma.
Met de hulp van IT-specialist Michael Hippke hebben de twee overwogen wat er nodig zou zijn voor een interstellaire missie om Alpha Centauri te bereiken, en om bij aankomst goede wetenschappelijke resultaten te leveren. Dit zou vereisen dat remmanoeuvres worden uitgevoerd zodra deze zijn aangekomen, zodat het ruimtevaartuig het systeem niet in een oogwenk zou overschrijden. Zoals ze in hun studie stellen:
“Hoewel zo'n interstellaire sonde 20 jaar na de lancering Proxima zou kunnen bereiken, zou het systeem, zonder drijfgas om het te vertragen, binnen enkele uren het systeem doorkruisen. Hier laten we zien hoe de stellaire fotondrukken van de stellaire drievoudige Alpha Cen A, B en C (Proxima) samen met zwaartekrachtassistenten kunnen worden gebruikt om inkomende zonnezeilen van de aarde te vertragen. ”
Omwille van hun berekeningen schatten Heller en Hippke dat het vaartuig minder dan 100 gram (3,5 ounces) zou wegen en op een zeil van 100.000 m² (1.076.391 vierkante voet) in oppervlakte zou worden gemonteerd. Toen deze eenmaal waren voltooid, paste Hippke ze aan in een reeks computersimulaties. Op basis van hun resultaten stelden ze een geheel nieuw missieconcept voor dat de behoefte aan lasers volledig wegneemt.
In wezen riep hun herziene concept op tot een Autonomous Active Sail (AAS) -vaartuig dat zou zorgen voor zijn eigen voortstuwing en remkracht. Dit vaartuig zou zijn zeil inzetten in het zonnestelsel en de zonnewind van de zon gebruiken om het te versnellen tot hoge snelheden. Zodra het het Alpha Centauri-systeem bereikte, zou het zijn zeil opnieuw inzetten, zodat de inkomende straling van Alpha Centauri A en B het vertragen zou.
Een extra bonus van deze voorgestelde manoeuvre is dat het vaartuig, nadat het was vertraagd tot het moment dat het het Alpha Centauri-systeem effectief kon verkennen, een zwaartekrachthulp van deze sterren zou kunnen gebruiken om zichzelf om te leiden naar Proxima Centauri. Eenmaal daar, zou het de eerste verkenning van dichtbij van Proxima b - de exoplanet die het dichtst bij de aarde ligt - kunnen uitvoeren en kunnen bepalen hoe de atmosferische en oppervlaktecondities eruit zien.
Sinds het bestaan van deze planeet voor het eerst werd aangekondigd door de European Southern Observatory in augustus 2016, is er veel gespeculeerd over de vraag of het al dan niet bewoonbaar zou kunnen zijn. Een missie hebben die het zou kunnen onderzoeken om te controleren op de veelbetekenende markeringen - een levensvatbare atmosfeer, een magnetosfeer en vloeibaar water aan de oppervlakte - zou dat debat zeker beslechten.
Zoals Heller uitlegde in een persbericht van het Max Planck Institute, biedt dit concept nogal wat voordelen, maar het brengt ook een aantal trade-offs met zich mee - niet in de laatste plaats de tijd die nodig is om bij Alpha Centauri te komen. 'Ons nieuwe missieconcept zou een hoog wetenschappelijk rendement kunnen opleveren, maar alleen de kleinkinderen van onze kleinkinderen zouden het ontvangen', zei hij. “Starshot daarentegen werkt op een tijdschaal van decennia en kan in één generatie worden gerealiseerd. We hebben dus misschien een vervolgconcept voor de lange termijn voor Starshot geïdentificeerd. ”
Momenteel bespreken Heller en Hippke hun concept met Breakthrough Starshot om te zien of het haalbaar is. Een persoon die hun werk heeft bekeken, is professor Avi Loeb, de Frank B. Baird Jr. hoogleraar wetenschappen aan de Harvard University en de voorzitter van de adviesraad van de Breakthrough Foundation. Zoals hij via e-mail aan Space Magazine vertelde, is het concept van Heller en Hippke het overwegen waard, maar heeft het zijn beperkingen:
“Als het mogelijk is om een ruimtevaartuig te vertragen door sterrenlicht (en zwaartekrachthulp), dan is het ook mogelijk om het in de eerste plaats door dezelfde krachten te lanceren ... Zo ja, waarom is het onlangs aangekondigde Breakthrough Starshot-project met behulp van een laser en niet zonlicht om ons ruimtevaartuig voort te stuwen? Het antwoord is dat onze beoogde laserserie het zeil kan duwen met een energieflux die een miljoen keer groter is dan de lokale zonneflux.
“Bij het gebruik van sterrenlicht om relativistische snelheden te bereiken, moet men een extreem dun zeil gebruiken. In het nieuwe artikel beschouwen Heller en Hippke het voorbeeld van een milligram in plaats van een zeil op gramschaal. Voor een zeil met een oppervlakte van tien vierkante meter (zoals voorzien in onze Starshot-conceptstudie), mag de dikte van hun zeil slechts een paar atomen zijn. Zo'n oppervlak is ordes van grootte dunner dan de golflengte van het licht dat het wil reflecteren, en dus zou zijn reflectiviteit laag zijn. Het lijkt niet haalbaar om het gewicht met zoveel ordes van grootte te verminderen en toch de stijfheid en reflectiviteit van het zeilmateriaal te behouden.
“De belangrijkste beperking bij het definiëren van het Starshot-concept was om Alpha Centauri tijdens ons leven te bezoeken. Verlenging van de reistijd tot na de levensduur van een mens, zoals in dit artikel wordt bepleit, zou de betrokken mensen minder aantrekkelijk maken. Houd er ook rekening mee dat het zeil moet worden vergezeld door elektronica die het gewicht aanzienlijk zal verhogen. ”
Kortom, als tijd geen factor is, kunnen we ons voorstellen dat onze eerste pogingen om een ander zonnestelsel te bereiken inderdaad kunnen inhouden dat een AAS wordt aangedreven en vertraagd door zonnewind. Maar als we bereid zijn eeuwen te wachten totdat een dergelijke missie is voltooid, kunnen we ook overwegen om raketten met conventionele motoren (mogelijk zelfs met bemanning) naar Alpha Centauri te sturen.
Maar als we van plan zijn om daar te komen in onze eigen levens, dan is een lasergestuurd zeil of iets dergelijks de juiste keuze. De mensheid heeft meer dan een halve eeuw besteed aan het onderzoeken van wat zich in onze eigen achtertuin bevindt, en sommigen van ons zijn ongeduldig om te zien wat er naast de deur is!
