Akankah Hawking mencapai Alpha Centauri?

Sistem Alpha Centauri terdiri dari sepasang bintang A dan B (yang pertama sedikit lebih besar, yang kedua sedikit lebih kecil dari Matahari), dipisahkan oleh 24 AU (sebanding dengan jarak dari Matahari ke Uranus), serta Proxima katai kerdil merah, yang terletak 735 kali lebih jauh. Proxima mengharumkan namanya "Terdekat" - memiliki 4,22 tahun cahaya untuk itu, dan jarak ke A dan B dekat dengan 4,37 St. Selama 5 tahun terakhir, 3 planet yang dekat dengan Bumi telah ditemukan di sistem bintang ini: $$$b$ dan $$$c$ berputar di sekitar Alpha Centauri B, yang lain $$$b$ dimiliki oleh Proxima www.openexoplanetcatalogue.com/planet/Alpha%20Centauri%20B%20c . Ternyata hanya proxima $$$b$ lebih atau kurang andal terdeteksi, tetapi karena ketidakstabilan katai merah, penampilan kehidupan di atasnya tidak mungkin. Dua planet lainnya (jika mereka benar-benar ada) terlalu dekat dengan bintang mereka, memiliki periode orbit beberapa hari. Namun, data ini tidak dapat diandalkan. Di masa depan, mereka dapat sangat berubah, seperti perkiraan pertama massa Pluto menurun puluhan kali. Selain itu, exoplanet terutama ditemukan sangat dekat dengan bintang - di mana mereka lebih mudah dideteksi. Karena itu, fakta bahwa mereka ditemukan terlalu panas menginspirasi kepercayaan akan keberadaan planet lain.

Kutipan dari sebuah artikel di situs web BBC:

Pengusaha Rusia Yuri Milner dan ilmuwan Inggris terkenal Stephen Hawking meluncurkan proyek Breakthrough Starshot senilai $ 100 juta, yang tujuannya adalah untuk mengirimkan robot mini ke sistem bintang Alpha Centauri terdekat dalam 20 tahun.

Nanosatellite kecil harus mencapai kecepatan hingga 160 juta km / jam untuk mencapai Alpha Centauri dalam 20 tahun dan mengirim data ke Bumi.

Penerbangan antariksa antarbintang telah lama menjadi impian banyak orang, tetapi masalah teknis yang terkait dengan ekspedisi semacam itu sangat kompleks.

Namun, Profesor Hawking mengatakan dalam sebuah wawancara dengan BBC bahwa mimpi ini bisa menjadi kenyataan lebih cepat dari yang kita pikirkan.

"Jika kita ingin bertahan hidup sebagai spesies, kita perlu menjangkau bintang-bintang lain," katanya.
"Menurut para astronom, ada peluang bagus bahwa sebuah planet yang mirip dengan Bumi berputar di sekitar salah satu bintang dari konstelasi Alpha Centauri," catat para ilmuwan. "Tapi kita akan belajar lebih banyak tentang ini dalam dua dekade mendatang dengan bantuan teleskop yang terletak di Bumi dan di luar angkasa."

"Kemajuan teknologi selama dua dekade terakhir dan di masa depan memungkinkan ini untuk generasi berikutnya," kata Hawking. "

Perusahaan mengambil spektakuler - nama "Stephen Hawking" dan "Freeman Dyson" sangat berharga! Dyson berteori pada awal 70-an tentang bagaimana untuk sampai ke Alpha Centauri menggunakan ledakan termonuklir. Mereka berniat mengirim segerombolan mikroprob ke sistem bintang terdekat dalam 15 hingga 20 tahun ke depan, sehingga setelah seperempat abad berikutnya mereka akan mendapatkan gambar dengan pemandangan planet Alpha Centauri B (beberapa peserta proyek akan selamat, sayang).

Partisipasi miliarder Rusia Milner dalam proyek ini memunculkan antusiasme dalam semangat "Rusia akan mengirim penyelidikan ke Alpha Centauri", meskipun Rusia, pada kenyataannya, tidak ada hubungannya dengan itu. Gagasan ini lahir di dalam perut DARPA (Pentagon Agency), bekerja pada susunan laser bertahap sebagai sistem senjata. Array seperti itu adalah seperangkat amplifier serat optik yang melaluinya sinar laser terbagi. Sistem kontrol untuk fase balok paralel memungkinkan Anda memfokuskan sinar total, serta mengontrolnya untuk membidik. Selain gagasan yang jelas untuk merakit beberapa laser menjadi satu "pengaturan Gatling", peran kunci dimainkan oleh interferensi terkontrol dari berkas yang diperkuat, yang memungkinkan untuk meniru bahkan seberkas foton yang konvergen (!). Dengan kata lain, pola difraksi pada permukaan ortogonal terhadap sinar permukaan sedemikian rupa sehingga titik terang di tengahnya memiliki ukuran kecil dibandingkan dengan ukuran susunan laser, dan kecerahannya berkali-kali lebih besar daripada iluminasi maksimum lainnya. Pada saat yang sama, sebagian besar energi yang dipancarkan oleh array bertahap jatuh pada titik terang ini, yang ukurannya dapat berkurang dengan jarak dari instalasi.

Proyek militer yang sesuai DARPA menyandang nama mulia Excalibur (jangan bingung dengan Excalibur sejak zaman SDI ). Rencana bintang terobosan terobosan secara organik terkait dengannya, rinciannya ditetapkan dalam sebuah artikel dengan judul ambisius, " Peta Jalan Menuju Penerbangan Antar Bintang ."

Diusulkan untuk membuat array bertahap dari 100 juta laser inframerah ( $$$\ lambda \ sekitar 1$ mikron) terletak di bagian persegi Bumi dengan sisi 10 km - satu laser masing-masing dengan kekuatan ~ 1 kW per 1 sq. meter Gangguan sinar-sinar ini harus menghasilkan gelombang elektromagnetik dengan tepi yang agak cekung, berwarna ungu pada gambar di atas. Diasumsikan bahwa sudut konvergensi balok yang diperoleh akan ~ $$$10 ^ {- 9}$ Saya senang, dan aliran daya melalui bagiannya adalah ~ 100 GW. Diameter maksimum balok ini adalah ~ 10 m, yaitu, maksimum difraksi paling terang pada permukaan normal ke balok secara bertahap berkurang dari ~ 10 m hingga ~ 1 m saat permukaan bergerak menjauh dari susunan dengan ~ 10 juta km.


Diasumsikan bahwa microprobe dengan massa 1 gram dan layar 0,85 m dari massa yang sama di bawah tekanan cahaya dalam 3 menit akan mencapai kecepatan 43.000 km / detik, melewati 4 juta km. Pada saat ini, diameter balok sama dengan ukuran layar, dan percepatan probe mencapai maksimum 23.700 g (!). Selanjutnya, titik terang di layar berkurang, tetapi akselerasinya tetap tidak berubah dan luar biasa besar. Setelah 76 detik lagi, probe akan melewati sekitar 4 juta km, dan akselerasi akan berhenti (balok akan dimatikan). Pada kecepatan jelajah 61.000 km / detik, mis., Sekitar 20% dari kecepatan cahaya, wahana akan terbang ke Alpha Centauri, yang akan berlangsung selama 20 tahun.

Probe adalah substrat dengan chip, baterai, kamera video dan laser mikro untuk mentransmisikan informasi ke Bumi. Perangkat mungkin bahwa (dan jika) dapat dibuat sangat mini (berat probe total 1 g tanpa layar). Diasumsikan bahwa layar, reflektor yang sama, dapat digunakan sebagai antena fokus untuk pulsa laser dengan kekuatan ~ 1 W. Meskipun pada prinsipnya masih belum jelas bagaimana menerapkan ide ini. Jika reflektor dalam bentuk parabola revolusi, dan sumber cahaya titik dalam fokusnya, maka sinar yang diarahkan secara sempit dapat diperoleh. Tetapi perbedaannya akan jauh lebih besar dari pesanan $$$10 ^ {- 5}$ rad (batas difraksi pada $$$\ lambda = 1$ μm dan aperture ~ 1 m sesuai urutan $$$10 ^ {- 6}$ ), yang penulis terobosan starhot terlalu optimis tentang sebagai dasar untuk mengevaluasi kemungkinan umpan balik.

Array bertahap dapat digunakan sebagai antena penerima (foton yang tiba akan melewati amplifier di arah yang berlawanan, menyebabkan longsoran kuanta terdeteksi). Dipercaya bahwa probe microlaser, menggunakan pemfokusan dengan reflektor, akan memberikan iradiasi pada array dengan fluks foton dengan kepadatan 650 lembar per detik. Menurut penulis proyek, ketika menyandikan satu bit informasi dengan satu kuantum, ini akan memungkinkan data untuk ditransmisikan ke Bumi pada kecepatan 650 bit / detik.

Terobosan starhot melibatkan peluncuran ribuan microprobe, yang secara bersamaan akan meningkatkan keandalan proyek. Namun, mengelola operasi ribuan probe tidak dimungkinkan karena keterlambatan 4 tahun dalam menerima sinyal. Oleh karena itu, mereka harus membuat keputusan sendiri, yang memerlukan sensor dan mikroprosesor yang cukup kuat, dan yang paling penting, mesin untuk mengarahkan dan mengoreksi lintasan dalam mendekati Alpha Centauri. Probe perlu berinteraksi satu sama lain, sehingga komunikasi radio yang andal diperlukan. Laser pulsa untuk mencari "mitra" tidak cocok, karena untuk koneksi seperti itu Anda perlu tahu di mana mengarahkan sinar.

Dan mereka harus saling mencari, dan pada jarak, mungkin dalam jutaan kilometer. Penyebaran probe dalam perjalanan ke Alpha Centauri akan sangat besar, tanpa ada kemungkinan mengoreksi lintasan mereka dari Bumi saat mereka mendekat. Penting untuk diingat bahwa mereka tidak akan memiliki kesempatan untuk memperlambat pada saat kedatangan, sehingga mereka harus membuat keputusan dan bertindak sangat cepat (waktu penerbangan di dekat planet terestrial akan menjadi sepersekian detik). Dan untuk ini, Anda memerlukan energi dan optik untuk navigasi - pada probe seberat 1 gram!

Dalam hubungan ini, satu lagi masalah mendasar muncul: bagaimana bisa sebuah penyelidikan dengan massa ~ 1 g menemukan Matahari tanpa optik untuk navigasi astronomi? Perlu dicatat bahwa karena divergensi berkas dari probe, itu akan mencakup wilayah miliaran kilometer di tata surya, jadi Anda harus membidik matahari. Tapi bagaimana microprobe melihatnya? Tidak mungkin!

Dengan demikian, masalah mengumpulkan dan mengirimkan informasi dari mikroprob ke Bumi sangatlah kompleks. Pada prinsipnya tidak mungkin dapat diatasi, jika tidak puas dengan sinyal bahwa pesawat terbang mendekati tujuan mereka. Meskipun pesan seperti itu akan sangat sulit didapat! Jika sudut divergensi balok dari probe adalah $$$2.2 \ cdot 10 ^ {- 5}$ Saya senang bahwa dengan daya 1 W per array bertahap 10 kali 10 km, 650 foton benar-benar tiba dari Alpha Centauri dalam sedetik (sisanya akan lewat karena perbedaan sinar). Tapi di sini dispersi dalam perjalanan ke Bumi dan di atmosfer, serta latar belakang foton dari Matahari dan benda-benda di sekitarnya, tidak diperhitungkan. Bagaimana cara membedakan foton inframerah yang datang dari probe untuk 40.000 miliar km dari yang lain dengan panjang gelombang yang sama? Penulis Road Map tidak memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini.


Kesulitan mendasar lainnya adalah bahwa selama akselerasi probe perlu untuk memastikan orientasi reflektor yang benar sehubungan dengan balok. Bagaimana cara mengecualikan pengaruh fluktuasi medan gelombang dan cacat permukaan layar, yang akan muncul di bawah aksi iradiasi dengan kepadatan energi ~ 100 GW per meter persegi? Deviasi sekecil layar atau deformasi dapat menyebabkan probe jauh dari target atau bahkan membuangnya keluar dari balok. Oleh karena itu, perlu untuk mengontrol posisi layar (reflektor) selama akselerasi, ketika akselerasi mencapai 20.000 g kekalahan dan lebih tinggi. Kita membutuhkan mesin orientasi yang cukup kuat yang dapat mengatasi kekuatan inersia, sementara mereka harus memiliki massa total kurang dari satu gram. Karena jarak akselerasi mendekati 10 juta km, penundaan sinyal di ujung jalur ini akan mencapai 30 detik di setiap arah. Jelas bahwa koreksi orientasi dan bentuk layar yang tepat waktu tidak dimungkinkan, oleh karena itu, akselerasi yang stabil pada arah sinar adalah masalah yang terbuka.

Secara keseluruhan, rencana starhot Breakthrough ditata dengan baik. Dia mengacu pada keberhasilan nyata dalam pengembangan array laser bertahap yang dicapai di DARPA. Organisasi ini tentu saja tertarik pada hasil yang akan diperoleh dalam perjalanan upaya untuk menyelesaikan kesulitan mendasar yang terkait dengan implementasi ide ini. Namun, bertentangan dengan antusiasme Hawking dan Dyson, dia tidak terlihat layak.

Jelas, satu titik lemah luput dari perhatian para penggemar. Setelah diperiksa lebih dekat, itu berubah menjadi celah besar di mana terobosan starhot dapat jatuh ke jurang fantasi yang tidak terealisasi. Hal ini disebabkan oleh masalah refleksi radiasi dengan kekuatan ~ 100 GW per ~ 1 sq. layar meter. Sepersepuluh dari semua pembangkit listrik AS akan memberi daya pada larik laser selama 5 hingga 10 menit, yang akan berkonsentrasi pada layar yang berukuran kurang dari satu meter! Apa yang memungkinkan reflektor tidak menguap dengan pemanasan yang mengerikan?

Sekilas, semuanya dipikirkan dengan baik di sini. Layar seharusnya terbuat dari bahan nano seperti graphene dalam bentuk film ~ 1 m tebal dengan koefisien refleksi 99,999%. Koefisien 99,995% telah dicapai, keberhasilan dalam arah ini menginspirasi kepercayaan bahwa refleksi yang diinginkan dapat dicapai. Akselerasi di atas 20 000g film seperti itu dapat bertahan, dan ketebalan mikronya sangat penting untuk ini (tekanan internal bahan dengan kepadatan $$$\ rho$ dan tebal $$$h$ ke arah akselerasi $$$a$ sama dengan $$$\ rho ha$ Pa). Misalkan sebuah film memantulkan 99,999% energi radiasi. Kemudian dia mendapat ~ 1 MW panas, yang harus dibuang. Di ruang angkasa, ini hanya dapat dilakukan melalui radiasi, yang mengatur hukum Stefan-Boltzmann:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

dimana $$$I$ - Intensitas radiasi (W / sq.m) dari permukaan yang dipanaskan ke suhu $$$T$ Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$ - Konstanta Stefan-Boltzmann (dalam SI). Menurut rumus ini, untuk emisi panas berlebih dengan kapasitas 1 MW dari 1 persegi. meter dari permukaan, itu harus memiliki suhu 2050 K.

Karena hukum radiasi Kirchhoff,

$$

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

dimana $$$r (\ omega, T)$ - emisivitas tubuh (mis., kepadatan spektral fluks radiasi termal), $$$\ alpha (\ omega, T)$ - kapasitas penyerapannya (fraksi radiasi insiden dengan frekuensi $$$\ omega$ diserap pada suhu $$$T$ ) dan $$$f (\ omega, T)$ - kepadatan spektral radiasi benda hitam pada suhu $$$T$ . Ini mengikuti bahwa cermin menyerap $$$\ alpha (\ omega, T) = 10 ^ {- 5}$ (= 0,001%) akan memiliki emisivitas di $$$10 ^ 5$ kali kurang dari tubuh yang benar-benar hitam pada suhu dan frekuensi yang sama. Oleh karena itu, pada suhu permukaan 2050 K (diperlukan untuk menghilangkan kelebihan panas 1 MW per 1 sq. M), cermin akan memancarkan dalam spektrum sinar laser di $$$10 ^ 5$ kali lebih sedikit energi daripada benda hitam akan memancarkan pada suhu yang sama dalam spektrum yang sama. Karena itu, untuk $$$T = 2050K$ cermin akan terpancar masuk $$$> 10 ^ 5$ kali lebih sedikit energi daripada tubuh hitam di seluruh spektrum.

Oleh karena itu, untuk memastikan penghilangan panas berlebih, perlu untuk meningkatkan suhu cermin lebih dari $$$(10 ^ 5) ^ {1/4} = $ 17,7$ kali.

Jadi, bahkan jika cermin mampu memantulkan 99,999% radiasi laser 100 GW per 1 m2, maka suhu permukaannya harus lebih tinggi dari 36.500 K. Perhatikan bahwa hukum Stefan-Boltzmann memberikan hasil yang sama jika sisi kirinya sama dengan fluks. radiasi per film (100 GW per sq.m). Jelas, tidak ada nanomaterial yang dapat menahan suhu ini selama beberapa menit. Dengan kata lain, sebuah film yang memantulkan 99,999% radiasi energi sedang akan meleleh dan menguap di bawah pancaran foton 100 GW.

Proyek terobosan starhot adalah upaya putus asa lain untuk datang dengan sesuatu dalam situasi di mana Semesta tidak ingin membiarkan seseorang melampaui Tata Surya, hanya memungkinkan untuk secara pasif mengamati dirinya sendiri. Rupanya, seperti semua proyek lain untuk mencapai bintang terdekat, itu akan tetap menjadi mimpi pipa.