Wird Hawking Alpha Centauri erreichen?

Das Alpha Centauri-System besteht aus einem Paar von Sternen A und B (der erste ist etwas größer, der zweite ist etwas kleiner als die Sonne), die durch 24 AE (vergleichbar mit der Entfernung von der Sonne zu Uranus) getrennt sind, sowie dem 735-mal weiter entfernten roten Zwerg Proxima. Proxima macht seinem Namen „Nearest“ alle Ehre - es hat 4,22 Lichtjahre und die Entfernung zu A und B liegt nahe bei 4,37 St. In den letzten 5 Jahren wurden in diesem Sternensystem 3 erdnahe Planeten gefunden: $$$b$ und $$$c$ drehen sich um Alpha Centauri B, eine andere $$$b$ im Besitz von Proxima www.openexoplanetcatalogue.com/planet/Alpha%20Centauri%20B%20c . Anscheinend nur Proxima $$$b$ mehr oder weniger zuverlässig erkannt, aber aufgrund der Instabilität der Roten Zwerge ist das Auftreten von Leben darauf unwahrscheinlich. Die anderen beiden Planeten (falls tatsächlich vorhanden) befinden sich zu nahe an ihrem Stern und haben Umlaufzeiten von mehreren Tagen. Diese Daten sind jedoch nicht zuverlässig. In Zukunft können sie sich stark ändern, ebenso wie die ersten Schätzungen der Masse von Pluto um das Zehnfache abnahmen. Darüber hinaus befinden sich Exoplaneten hauptsächlich in der Nähe von Sternen - wo sie leichter zu erkennen sind. Die Tatsache, dass sie zu heiß gefunden wurden, schafft Vertrauen in die Existenz anderer Planeten.

Zitat aus einem Artikel auf der BBC-Website:

Der russische Geschäftsmann Yuri Milner und der berühmte britische Wissenschaftler Stephen Hawking starten das 100-Millionen-Dollar-Projekt Breakthrough Starshot, dessen Ziel es ist, Miniroboter in 20 Jahren an das nächstgelegene Alpha-Centauri-Sternensystem zu liefern.

Winzige Nanosatelliten müssen Geschwindigkeiten von bis zu 160 Millionen km / h erreichen, um in 20 Jahren Alpha Centauri zu erreichen und Daten zur Erde zu senden.

Interstellare Raumflüge waren lange der Traum vieler, aber die technischen Probleme, die mit einer solchen Expedition verbunden sind, sind äußerst komplex.

Professor Hawking sagte jedoch in einem Interview mit der BBC, dass dieser Traum schneller wahr werden könnte als wir denken.

"Wenn wir als Spezies überleben wollen, müssen wir andere Sterne erreichen", sagt er.
"Laut Astronomen besteht eine gute Chance, dass sich ein erdähnlicher Planet um einen der Sterne des Sternbilds Alpha Centauri dreht", stellt der Wissenschaftler fest. "Aber wir werden in den nächsten zwei Jahrzehnten mithilfe von Teleskopen auf der Erde und im Weltraum mehr darüber erfahren."

"Der technologische Fortschritt in den letzten zwei Jahrzehnten und in der Zukunft macht dies für die nächste Generation möglich", sagt Hawking.

Das Unternehmen hat spektakulär aufgenommen - die Namen "Stephen Hawking" und "Freeman Dyson" sind es wert! Dyson theoretisierte in den frühen 70er Jahren, wie man mit thermonuklearen Explosionen nach Alpha Centauri kommt. Sie beabsichtigen, in den nächsten 15 bis 20 Jahren einen Schwarm von Mikrosonden zum nächsten Sternensystem zu schicken, damit sie nach einem weiteren Vierteljahrhundert ein Bild mit Ansichten der Planeten von Alpha Centauri B erhalten (leider werden nur wenige der Projektteilnehmer überleben).

Die Teilnahme des russischen Milliardärs Milner an diesem Projekt löste im Geiste „Russland wird eine Sonde an Alpha Centauri senden“ Begeisterung aus, obwohl Russland in der Tat nichts damit zu tun hat. Diese Idee wurde im Darm von DARPA (Pentagon Agency) geboren und arbeitete an phasengesteuerten Laser-Arrays als Waffensysteme. Ein solches Array ist ein Satz von Glasfaserverstärkern, durch die ein geteilter Laserstrahl hindurchgeht. Das Steuersystem für die Phasen paralleler Strahlen ermöglicht es Ihnen, den gesamten Strahl zu fokussieren und ihn zum Zielen zu steuern. Neben der offensichtlichen Idee, mehrere Laser zu einem „Gatling-Aufbau“ zusammenzusetzen, spielt hier die kontrollierte Interferenz verstärkter Strahlen eine Schlüsselrolle, die es ermöglicht, auch einen konvergierenden (!) Photonenstrahl zu emulieren. Mit anderen Worten, das Beugungsmuster auf der Oberfläche senkrecht zum Strahl der Oberfläche ist derart, dass der helle Punkt in seiner Mitte im Vergleich zur Größe des Laserarrays eine geringe Größe aufweist und seine Helligkeit um ein Vielfaches größer ist als die anderen Beleuchtungsmaxima. Gleichzeitig fällt ein erheblicher Teil der von der phasengesteuerten Anordnung abgestrahlten Energie auf diesen hellen Punkt, dessen Größe mit der Entfernung von der Installation abnehmen kann.

Das entsprechende Militärprojekt DARPA trägt den glorreichen Namen Excalibur (nicht mit Excalibur aus der Zeit des SDI verwechseln). Der Durchbruch-Starhot-Plan ist organisch damit verbunden, dessen Details in einem Artikel mit dem ehrgeizigen Titel „ Road Map to Interstellar Flight “ aufgeführt sind.

Es wird vorgeschlagen, ein phasengesteuertes Array von 100 Millionen Infrarotlasern zu erstellen ( $$$\ lambda \ ca. 1$ Mikrometer) auf einem quadratischen Abschnitt der Erde mit einer Seite von 10 km - ein Laser mit einer Leistung von jeweils ~ 1 kW pro 1 Quadratmeter. Meter Die Interferenz dieser Strahlen sollte eine elektromagnetische Welle mit einer leicht konkaven Vorderkante erzeugen, die in der obigen Abbildung lila ist. Es wird angenommen, dass der Konvergenzwinkel des so erhaltenen Strahls ~ ist $$$10 ^ {- 9}$ Ich bin froh und der Stromfluss durch den Abschnitt beträgt ~ 100 GW. Der maximale Durchmesser dieses Strahls beträgt ~ 10 m, d. H. Das hellste Beugungsmaximum auf der Oberfläche senkrecht zum Strahl nimmt allmählich von ~ 10 m auf ~ 1 m ab, wenn sich die Oberfläche um ~ 10 Millionen km von der Anordnung entfernt.


Es wird angenommen, dass eine Mikrosonde mit einer Masse von 1 Gramm und einem Segel von 0,85 m derselben Masse unter leichtem Druck in 3 Minuten eine Geschwindigkeit von 43.000 km / s erreicht und 4 Millionen km passiert. In diesem Moment entspricht der Strahldurchmesser der Größe des Segels und die Beschleunigung der Sonde erreicht ein Maximum von 23.700 g (!). Anschließend nimmt ein heller Fleck auf dem Segel ab, aber die Beschleunigung bleibt unverändert und fantastisch groß. Nach weiteren 76 Sekunden passiert die Sonde ungefähr 4 Millionen km und die Beschleunigung stoppt (der Strahl wird ausgeschaltet). Bei einer Reisegeschwindigkeit von 61.000 km / s, d. H. Ungefähr 20% der Lichtgeschwindigkeit, fliegt die Sonde nach Alpha Centauri, was 20 Jahre dauern wird.

Die Sonde ist ein Substrat mit Chips, einer Batterie, einer Videokamera und einem Mikrolaser zur Übertragung von Informationen zur Erde. Geräte sind möglich, die (und wenn) ganz klein gemacht werden können (Gesamtgewicht der Sonde 1 g ohne Segel). Es wird angenommen, dass das Segel, derselbe Reflektor, als Fokussierantenne für Laserpulse mit einer Leistung von ~ 1 W verwendet werden kann. Obwohl im Prinzip noch nicht einmal klar ist, wie diese Idee umgesetzt werden soll. Wenn der Reflektor die Form eines Rotationsparaboloids hat und die Punktlichtquelle im Fokus steht, kann ein eng gerichteter Strahl erhalten werden. Aber seine Divergenz wird viel größer sein als die Reihenfolge $$$10 ^ {- 5}$ rad (Beugungsgrenze bei $$$\ lambda = 1$ μm und eine Apertur von ~ 1 m liegt in der Größenordnung $$$10 ^ {- 6}$ ), über die die Autoren von Breakthrough starhot als Grundlage für die Bewertung der Möglichkeit von Rückmeldungen zu optimistisch waren.

Ein phasengesteuertes Array kann als Empfangsantenne verwendet werden (ankommende Photonen passieren Verstärker in die entgegengesetzte Richtung, wodurch eine Lawine von Quanten erfasst wird). Es wird angenommen, dass der Sondenmikrolaser unter Verwendung der Fokussierung mit einem Reflektor eine Bestrahlung des Arrays mit einem Photonenfluss mit einer Dichte von 650 Stücken pro Sekunde liefert. Laut den Autoren des Projekts können beim Codieren eines Informationsbits mit einem Quantum Daten mit einer Geschwindigkeit von 650 Bit / s zur Erde übertragen werden.

Der bahnbrechende Starhot beinhaltet den Start von Tausenden von Mikrosonden, was gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Projekts erhöht. Die Verwaltung des Betriebs von Tausenden von Sonden ist jedoch aufgrund einer Verzögerung von 4 Jahren beim Empfang von Signalen nicht möglich. Daher müssen sie selbst Entscheidungen treffen, für die Sensoren und ein ausreichend leistungsfähiger Mikroprozessor benötigt werden, und vor allem Motoren zur Ausrichtung und Korrektur von Flugbahnen bei Annäherung an Alpha Centauri. Die Sonden müssen miteinander interagieren, daher ist eine zuverlässige Funkkommunikation erforderlich. Laserpulse zur Suche nach "Partnern" sind nicht geeignet, weil Für eine solche Verbindung müssen Sie wissen, wohin der Strahl gerichtet werden muss.

Und sie müssen sich gegenseitig suchen und in Entfernungen, möglicherweise in Millionen von Kilometern. Die Streuung der Sonden auf dem Weg nach Alpha Centauri wird enorm sein, ohne dass die Möglichkeit besteht, ihre Flugbahn von der Erde aus zu korrigieren, wenn sie sich nähern. Es ist wichtig zu bedenken, dass sie bei ihrer Ankunft keine Gelegenheit haben, langsamer zu werden. Daher müssen sie Entscheidungen treffen und sehr schnell handeln (die Flugzeit in der Nähe eines terrestrischen Planeten beträgt Sekundenbruchteile). Und dafür benötigen Sie Energie und Optik für die Navigation - auf einer Sonde mit einem Gewicht von 1 Gramm!

In diesem Zusammenhang ergibt sich ein weiteres grundlegendes Problem: Wie kann eine Sonde mit einer Masse von ~ 1 g die Sonne ohne Astronavigationsoptik finden? Es ist zu beachten, dass der Strahl aufgrund der Abweichung von der Sonde einen Bereich von Milliarden Kilometern im Sonnensystem abdeckt, sodass Sie in die Sonne zielen müssen. Aber wie wird die Mikrosonde das sehen? Auf keinen Fall!

Daher ist das Problem des Sammelns und Übertragen von Informationen von Mikrosonden zur Erde fantastisch komplex. Es ist im Prinzip unwahrscheinlich, dass es überwunden werden kann, wenn es nicht mit den Signalen zufrieden ist, dass die Sonden in der Nähe ihres Ziels geflogen sind. Obwohl selbst solche Nachrichten extrem schwer zu bekommen sein werden! Wenn der Divergenzwinkel des Strahls von der Sonde ist $$$2.2 \ cdot 10 ^ {- 5}$ Ich bin froh, dass mit einer Leistung von 1 W pro phasengesteuertem Array von 10 x 10 km tatsächlich 650 Photonen in einer Sekunde von Alpha Centauri ankommen (der Rest wird aufgrund der Strahldivergenz vergehen). Aber hier werden die Streuung auf dem Weg zur Erde und in die Atmosphäre sowie der Photonenhintergrund von der Sonne und den umgebenden Objekten nicht berücksichtigt. Wie kann man ein Infrarotphoton, das 40.000 Milliarden km von einer Sonde kommt, von einem anderen mit derselben Wellenlänge unterscheiden? Der Autor der Road Map gibt keine Antworten auf diese Fragen.


Eine weitere grundlegende Schwierigkeit besteht darin, dass während der Beschleunigung der Sonde die korrekte Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf den Strahl sichergestellt werden muss. Wie kann der Einfluss von Schwankungen des Wellenfeldes und Oberflächendefekten des Segels ausgeschlossen werden, die bei Bestrahlung mit einer Energiedichte von ~ 100 GW pro Quadratmeter auftreten? Die geringste Abweichung des Segels oder seine Verformung kann die Sonde weit vom Ziel wegführen oder sogar aus dem Strahl werfen. Daher ist es notwendig, die Position des Segels (Reflektors) während der Beschleunigung zu steuern, wenn die Beschleunigung satte 20.000 g und mehr erreicht. Wir brauchen ausreichend starke Orientierungsmotoren, die die Trägheitskräfte überwinden können, während sie eine Gesamtmasse von weniger als einem Gramm haben müssen. Da die Beschleunigungsentfernung nahe 10 Millionen km liegt, erreicht die Verzögerung der Signale am Ende dieses Pfades 30 Sekunden in jede Richtung. Es ist klar, dass eine rechtzeitige Korrektur der Ausrichtung und Form des Segels nicht möglich ist, daher ist eine stabile Beschleunigung der Sonde in Richtung des Strahls ein offenes Problem.

Insgesamt ist der Breakthrough Starhot-Plan ziemlich gut angelegt. Er stützt sich auf die tatsächlichen Erfolge bei der Entwicklung von Phasenlaser-Arrays, die bei DARPA erzielt wurden. Diese Organisation ist sicherlich an den Ergebnissen interessiert, die im Zuge der Bemühungen zur Lösung der grundlegenden Schwierigkeiten bei der Umsetzung dieser Idee erzielt werden. Entgegen der Begeisterung von Hawking und Dyson sieht sie jedoch nicht machbar aus.

Offensichtlich entging eine Schwachstelle der Aufmerksamkeit der Enthusiasten. Bei näherer Betrachtung wird es zu einer riesigen Lücke, durch die der Durchbruch-Sternschuss in den Abgrund nicht realisierbarer Fantasien fallen kann. Dies ist auf das Problem der Reflexion von Strahlung mit einer Leistung von ~ 100 GW pro ~ 1 Quadratmeter zurückzuführen. Meter Segel. Ein Zehntel aller US-Kraftwerke wird das Laser-Array 5 bis 10 Minuten lang mit Strom versorgen, wobei es sich auf ein Segel mit einer Größe von weniger als einem Meter konzentriert! Was ermöglicht es dem Reflektor, bei solch einer monströsen Erwärmung nicht zu verdampfen?

Auf den ersten Blick ist hier alles gut durchdacht. Das Segel soll aus Nanomaterialien wie Graphen in Form eines ~ 1 μm dicken Films mit einem Reflexionskoeffizienten von 99,999% bestehen. Ein Koeffizient von 99,995% wurde bereits erreicht, Erfolge in dieser Richtung wecken das Vertrauen, dass die gewünschte Reflexion erreicht werden kann. Eine Beschleunigung über 20 000 g kann einem solchen Film standhalten, und seine Mikrodicke ist dafür wesentlich (innere Spannung eines Materials mit einer Dichte) $$$\ rho$ und dick $$$h$ in Richtung Beschleunigung $$$a$ gleich $$$\ rho ha$ Pa). Angenommen, ein Film reflektiert 99,999% der Strahlungsenergie. Dann bekommt sie ~ 1 MW Wärme, die entsorgt werden muss. Im Weltraum kann dies nur durch Strahlung geschehen, die das Stefan-Boltzmann-Gesetz regelt:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

wo $$$I$ - Strahlungsintensität (W / m²) von einer auf eine Temperatur erhitzten Oberfläche $$$T$ Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$ - Stefan-Boltzmann-Konstante (in SI). Nach dieser Formel für die Emission von überschüssiger Wärme mit einer Leistung von 1 MW von 1 Quadrat. Meter der Oberfläche sollte es eine Temperatur von 2050 K haben.

Aufgrund des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes

$$

$$\ frac {r (\ omega, T)} {\ alpha (\ omega, T)} = f (\ omega, T)$$

wo $$$r (\ omega, T)$ - das Emissionsvermögen des Körpers (d. H. Die spektrale Dichte des Flusses der Wärmestrahlung), $$$\ alpha (\ omega, T)$ - seine Absorptionskapazität (Anteil der einfallenden Strahlung mit der Frequenz $$$\ omega$ bei Temperatur absorbiert $$$T$ ) und $$$f (\ omega, T)$ - spektrale Dichte der Schwarzkörperstrahlung bei Temperatur $$$T$ . Daraus folgt der absorbierende Spiegel $$$\ alpha (\ omega, T) = 10 ^ {- 5}$ (= 0,001%) hat einen Emissionsgrad in $$$10 ^ 5$ mal weniger als ein komplett schwarzer Körper bei gleicher Temperatur und Frequenz. Daher emittiert der Spiegel bei einer Oberflächentemperatur von 2050 K (erforderlich, um überschüssige Wärme von 1 MW pro 1 Quadratmeter abzuführen) im Spektrum des Laserstrahls in $$$10 ^ 5$ mal weniger Energie als ein schwarzer Körper würde bei der gleichen Temperatur im gleichen Spektrum strahlen. Daher für $$$T = 2050K$ Der Spiegel strahlt ein $$$> 10 ^ 5$ mal weniger Energie als ein schwarzer Körper im gesamten Spektrum.

Um die Wärmeabfuhr zu gewährleisten, ist es daher erforderlich, die Temperatur des Spiegels um mehr als zu erhöhen $$$(10 ^ 5) ^ {1/4} = $ 17,7$ mal.

Selbst wenn ein Spiegel 99,999% der Laserstrahlung von 100 GW pro 1 m2 reflektieren kann, sollte seine Oberflächentemperatur höher als 36.500 K sein. Beachten Sie, dass das Stefan-Boltzmann-Gesetz das gleiche Ergebnis liefert, wenn seine linke Seite gleich dem Fluss ist Strahlung pro Film (100 GW pro m²). Offensichtlich kann kein Nanomaterial dieser Temperatur mehrere Minuten standhalten. Mit anderen Worten, ein Film, der 99,999% der Strahlung mittlerer Energie reflektiert, schmilzt und verdampft unter einem Schauer von Photonen mit 100 GW.

Das Breakthrough Starhot-Projekt ist ein weiterer verzweifelter Versuch, etwas in einer Situation zu finden, in der das Universum die Menschen nicht aus dem Sonnensystem herauslassen will, sondern sich nur passiv beobachten kann. Wie bei allen anderen Projekten zur Erreichung der nächsten Sterne wird es offenbar ein Wunschtraum bleiben.