Како ќе стигнеме до Проксима Кентаури Б за 20 години?

Замислете ја оваа сцена од иднината: рој од 9.642 вселенски сонди со брзина од 216 милиони километри на час — што претставува неверојатни 20% од брзината на светлината — се приближуваат до својата крајна цел [1]. Пред нив се наоѓа Проксима Кентаури Б, карпеста егзопланета која по големина, маса и површинска температура е речиси идентична со нашата Земја [1]. Секоја сонда е самостоен вселенски брод со големина на автомобил, но со тежина помала од кредитна картичка [1]. Опремени со радиоактивни извори на енергија, комуникациски ласери, компјутери и камери потенки од лист хартија, овие сонди дејствуваат заедно како паметен рој [1]. За да го максимизираат својот единствен прелет покрај планетата, тие се поделени во 100 облаци од по 100 сонди, продолжувајќи го краткото снимање во 17-часовна фотосесија [1]. Податоците брзо се анализираат и се испраќаат назад кон Земјата, откривајќи ги континетите и океанските бранови на овој далечен свет [1, 2].

Ова е визијата за првата меѓуѕвездена мисија на човештвото [2]. Но, како можеме да ја претвориме оваа научна фантастика во реалност?

1. Меѓуѕвездениот јаз и границите на традиционалните ракети

Денешното истражување на вселената е исклучително бавно [2]. Истражувањето на Марс се одвива со полжавско темпо, а најоддалечените планети на нашиот Сончев систем, како Сатурн и Нептун, се посетени само еднаш или двапати [2]. Растојанијата во нашиот систем се мерат во десетици и стотици милиони километри, што веќе претставува огромен предизвик кој бара скапи ракети и комплексни гравитациски маневри [2]. На пример, на сондата „Juno“ ѝ беа потребни 5 години за да стигне до Јупитер, додека на „New Horizons“ ѝ беше потребна цела деценија за да помине покрај Плутон [2, 3].

Кога зборуваме за други ѕвезди, влегуваме во сосема нова димензија. Меѓуѕвездените растојанија се мерат во трилиони километри — милион пати поголеми од растојанијата со кои веќе тешко се справуваме [3]. „New Horizons“, моментално најбрзата сонда што го напушта нашиот систем, патува со брзина од околу 14 км/с [3]. Со оваа брзина, би ѝ биле потребни дури 91.000 години за да стигне до Проксима Кентаури [3]. За да стигнеме таму во рамките на еден човечки век (на пример, за 20 години), мораме да патуваме илјада пати побрзо, што бара дури милион пати повеќе енергија [3].

Ова е точката каде што хемиските ракети целосно пропаѓаат поради „тиранијата на ракетната равенка“ [3, 4]. За да носи повеќе гориво, ракетата мора да носи и дополнително гориво за да го турка тоа гориво [4]. Пресметките покажуваат дека за да се забрза сонда со големина на „New Horizons“ до такви брзини, би била потребна маса на гориво поголема од целата галаксија Млечен Пат [3, 4]. Дури и напредните нуклеарни концепти не помагаат: ракета со погон на фузиони бомби би морала да потроши еквивалент на 2,8 милиони нуклеарни бомби само за да однесе една класична сонда до Проксима Кентаури за 20 години [4].

Решението е целосно да се заобиколи ракетната равенка [4]. Наместо сондата да го носи горивото со себе, енергијата мора да се испорача директно до неа од надворешен извор — преку моќни ласерски зраци [4]. Кога светлината се одбива од огледало, таа пренесува мал импулс во форма на одвратна сила [4]. Иако оваа сила е екстремно мала (потребни се огромни 150 мегавати ласерска моќ за да се произведе само 1 њутн сила), во безтриењето на вселената таа може постепено да го забрза рефлектирачкото светлосно едро до неверојатни брзини [4].

2. Екстремни материјали: Дизајнирање на едро од силициум нитрид

Идејата за светлосни едра датира уште од изумот на ласерот во 1960 година, но таа се соочува со суров физички проблем: концентрирањето на моќен зрак на мала цел создава деструктивен интензитет на топлина [5]. Ниту едно огледало не е совршено; дури и најдобрите рефлектираат 99,999% од ласерската светлина, додека преостанатите 0.001% се апсорбираат како топлина [5]. Ова создава маѓепсан круг: за да издржи топлина, огледалото мора да биде потешко, што бара уште помоќен ласер, што пак ја зголемува топлината [6].

Проектите како Брејктру Старшот (Breakthrough Starshot) го решија овој проблем со помош на нови материјали како силициум нитрид — лесна, термоотпорна керамика [6, 7]. Користејќи фотолитографија, овој материјал може да се обликува во огледала со дебелина од само 200 нанометри [7]. Оваа дебелина е доволна за да рефлектира 70% од ласерската светлина, додека остатокот поминува низ неа без да ја загрее [7]. Ова му овозможува на едрото да преживее интензитет на зрачење кој надминува 10 гигавати по квадратен метар, што би претворило кој било стандарден материјал во супержешка плазма [7].

За дополнително да се намали масата, напредните техники можат да врежат наноскопски дупки во силициум нитридот кои се помали од брановата должина на ласерот, овозможувајќи му да ја задржи рефлексивноста (слично на металната мрежа во микровална печка) [7, 8]. Ова едро, со ширина од 4 метри, се потпира на рамка направена од аерограф — јаглеродна пена која е седум пати полесна од воздухот, но 35 пати поцврста од силициум аерогел [8]. Заедно, едрото и рамката тежат само 1 грам, а носат научен товар од 1,6 грама, што ја прави вкупната тежина на сондата едвај 2,6 грама [8].

3. Бруталното патување: 12.000g и хазардите на вселената

За да го придвижиме ова едро до 20% од брзината на светлината, ни треба џиновски ласерски систем со ширина од 2,8 километри на Земјата, кој комбинира илјадници помали зраци во еден моќен зрак од 200 гигавати [8].

Сондата лансирана од ниската Земјина орбита ќе помине низ неверојатно брутално забрзување од 12.000g во траење од 500 секунди [8].

• Веќе во првите 2 секунди таа станува најбрзиот објект направен од човекот [9].

• По 80 секунди, таа го поминува Месечината со брзина од 10.000 км/с [9].

За време на ова лансирање, ласерот мора да се прилагодува секоја милисекунда [9]. Најмалиот дисбаланс би ја превртел сондата [9]. Нанометарските шари врежани директно на површината на едрото функционираат како пасивни оптички контролни површини за да ја задржат сондата стабилна на ласерскиот сноп [9].

Откако ќе го преживее ова брутално лансирање, сондата ја чека две децении патување низ суровиот меѓуѕвезден медиум [9]. Иако вселената изгледа празна, сондата ќе се соочи со околу 67 милиграми високоенергетски атоми по квадратен метар, што ќе испорача вкупно 124 гигаџули деструктивна радијација без можност за тежок заштитен штит [9]. Дополнително, околу 1% од судирите ќе бидат со вселенска прашина [10]. За да се заштити, сондата ќе се сврти „со работ напред“ во насока на патувањето [10]. Маневрирањето и ротирањето на едрото ќе се врши без гориво, со користење на ситни LED светилки на рабовите на едрото, кои со испуштање фотони создаваат благ повратен притисок [10].

За да се минимизира ризикот од целосно откажување поради овие опасности, планот е во текот на два месеци да се лансираат 10.000 сонди во вселената [10]. Додека некои ќе настрадаат од судири со прашина, илјадници ќе преживеат [10]. Сондите ќе комуницираат меѓу себе со ласери, формирајќи паметен рој кој се предупредува за претстојните вселенски опасности [10].

4. Научниот пакет: Помал од нокт, попаметен од iPhone

Пакувањето на сите научни и комуникациски уреди во сонда од 2,6 грама е можеби најголемиот инженерски подвиг на овој концепт [10, 11].

Како да фотографирате далечна планета со камера од една десетина од грам? Решението е оптичка фазна решетка без леќи [11]. Овој уред е широк 20 сантиметри, но дебел само 250 нанометри и е направен од ултратенок литиум ниобиум оксид со златни и силициумски контакти [11]. Оваа технологија на метаповршини веќе се тестира со успех во соларните опсерватории на Земјата за прецизно снимање без тешки ротирачки делови [11].

За обработка на овие податоци е потребен компјутер со процесорска моќ на современ паметен телефон, но 100 пати полесен [12, 13]. Наместо традиционалното нагризување на силициум, научниците предлагаат производство со директно таложење на атомски слоеви (atomic layer deposition) [12]. Со фокусирање на електронски сноп се исцртуваат хемиски активни патеки на кои во вакуумска комора се лепат полупроводнички или метални атоми, создавајќи електронски кола дебели само еден атом [12].

Иако оваа технологија денес се соочува со големи предизвици — процесот е екстремно бавен, скап и создава кревки кола склони кон корозија и прегревање поради зголемениот електричен отпор кај нано-проводниците — сепак е совршена за оваа мисија [13]. Имено, целата сонда има вкупен енергетски буџет од само 14 килоџули за целото дводецениско патување — количина на енергија што просечен телефон ја троши за само 2 часа скролање на социјалните мрежи [13].

Оваа минимална енергија ќе биде обезбедена од минијатурен радиоактивен генератор кој го користи распаѓањето на Плутониум-238 [13, 14]. Овој материјал зрачи топлина со децении (времето на полураспад е 88 години) [14]. Преку т.н. Зебеков ефект (Seebeck effect), температурната разлика помеѓу два специјални полупроводници создава електричен напон, овозможувајќи му на овој генератор со големина на срцев пејсмејкер постојано да испорачува околу 1 ват електрична енергија за време на прелетот [14, 15].

5. Повикот кон дома и големиот геополитички предизвик

Откако сондата ќе ги сними првите фотографии на Проксима Кентаури Б, се соочува со последната пречка: како да испрати 100 килобити податоци назад кон Земјата на растојание од 4,25 светлосни години користејќи само микровати моќ? [15]

За да го постигнат ова, сондите повторно ќе дејствуваат како рој [15]. Тие ќе ја искористат рефлектирачката задна страна на своите едра како огледала, здружувајќи се во едно џиновско виртуелно чинесто огледало кое ќе ги фокусира ласерските кодирани сигнали кон Земјата [15, 16]. На Земјата ќе мора да се изградат специјални телескопи со ултрасензитивни камери кои ќе зафаќаат површина од неколку фудбалски игралишта за да ги фатат овие бледи светлосни импулси [16]. Првите податоци би пристигнале на Земјата точно 25 години по лансирањето [16].

И покрај постојаниот напредок на технологијата, денес не сме ни блиску до остварување на овој сон [16]. Амбициозниот проект „Брејктру Старшот“ вреден 100 милиони долари се распадна во 2025 година [16]. Ваква мисија никогаш нема да се реализира без глобална поддршка [16]. Таа бара една нација да изгради ласер од 200 GW насочен кон небото — што истовремено претставува и моќно геополитичко оружје [16]. Денес, и покрај тоа што вселенските летови се поевтини од кога било, буџетите на NASA и ESA се намалуваат, амбициозните мисии се откажуваат, а долгорочните планови се скратуваат [16].

Технологијата можеби ќе биде подготвена во следните неколку децении, но политичката волја и финансирањето за вакви масивни истражувања може да бараат многу повеќе време да пристигнат [17]. Сондата која ќе ги сними првите реални слики од вонсоларен свет веројатно нема да биде лансирана за време на нашиот животен век [17]. Сепак, научните и инженерските лекции што ги учиме денес го трасираат патот за денот кога човештвото конечно ќе ги напушти границите на својата ѕвезда [17].