Hawking alcançará Alpha Centauri?

O sistema Alpha Centauri consiste em um par de estrelas A e B (a primeira é um pouco maior, a segunda é um pouco menor que o Sol), separada por 24 UA (comparável à distância do Sol a Urano), bem como a anã vermelha Proxima, localizada 735 vezes mais. Proxima faz jus ao nome “Nearest” - tem 4,22 anos-luz e a distância de A e B é próxima a 4,37 St. Nos últimos 5 anos, três planetas próximos ao tamanho da Terra foram encontrados neste sistema estelar: $$$b$ e $$$c$ giram em torno de Alpha Centauri B, outro $$$b$ de propriedade da Proxima www.openexoplanetcatalogue.com/planet/Alpha%20Centauri%20B%20c . Aparentemente, apenas proxima $$$b$ detectado de maneira mais ou menos confiável, mas devido à instabilidade das anãs vermelhas, a aparência de vida nela é improvável. Os outros dois planetas (se eles realmente existem) estão muito perto de sua estrela, tendo períodos orbitais de vários dias. No entanto, esses dados não são confiáveis. No futuro, elas podem mudar bastante, assim como as primeiras estimativas da massa de Plutão diminuíram dezenas de vezes. Além disso, os exoplanetas são encontrados principalmente muito perto das estrelas - onde são mais fáceis de detectar. Portanto, o fato de terem sido encontrados quentes demais inspira confiança na existência de outros planetas.

Citação de um artigo no site da BBC:

O empresário russo Yuri Milner e o famoso cientista britânico Stephen Hawking estão lançando o projeto Breakthrough Starshot, de US $ 100 milhões, cujo objetivo é entregar mini-robôs ao sistema estelar Alpha Centauri mais próximo em 20 anos.

Pequenos nanossatélites terão que atingir velocidades de até 160 milhões de km / h para atingir Alpha Centauri em 20 anos e enviar dados para a Terra.

Os vôos espaciais interestelares têm sido o sonho de muitos, mas os problemas técnicos associados a essa expedição são extremamente complexos.

No entanto, o professor Hawking disse em uma entrevista à BBC que esse sonho pode se tornar realidade mais rápido do que pensamos.

"Se queremos sobreviver como espécie, precisamos alcançar outras estrelas", diz ele.
"Segundo os astrônomos, há uma boa chance de um planeta semelhante à Terra girar em torno de uma das estrelas da constelação Alpha Centauri", observa o cientista. "Mas aprenderemos mais sobre isso nas próximas duas décadas com a ajuda de telescópios localizados na Terra e no espaço."

"O progresso tecnológico nas últimas duas décadas e no futuro torna isso possível para a próxima geração", diz Hawking. "

A empresa pegou espetacular - os nomes "Stephen Hawking" e "Freeman Dyson" valem a pena! No início dos anos 70, Dyson teorizou sobre como chegar a Alpha Centauri usando explosões termonucleares. Eles pretendem enviar um enxame de micróbios para o sistema estelar mais próximo nos próximos 15 a 20 anos, para que depois de mais um quarto de século eles obtenham uma imagem com vistas dos planetas de Alpha Centauri B (poucos dos participantes do projeto sobreviverão, infelizmente).

A participação do bilionário russo Milner nesse projeto deu origem ao entusiasmo no espírito de "A Rússia enviará uma sonda para Alpha Centauri", embora a Rússia, de fato, não tenha nada a ver com isso. Essa idéia nasceu nas entranhas da DARPA (Agência do Pentágono), trabalhando em matrizes de laser em fases como sistemas de armas. Essa matriz é um conjunto de amplificadores de fibra óptica através dos quais passa um feixe de laser dividido. O sistema de controle para as fases dos feixes paralelos permite focar o feixe total e controlá-lo para a mira. Além da idéia óbvia de montar vários lasers em uma "configuração Gatling", o papel principal é desempenhado pela interferência controlada de feixes amplificados, o que torna possível simular até mesmo um feixe convergente (!) De fótons. Em outras palavras, o padrão de difração na superfície ortogonal ao raio da superfície é tal que o ponto brilhante em seu centro tem um tamanho pequeno comparado ao tamanho da matriz do laser, e seu brilho é muitas vezes maior que os outros máximos de iluminação. Ao mesmo tempo, uma parte significativa da energia irradiada pela matriz em fases cai nesse ponto brilhante, cujo tamanho pode diminuir com a distância da instalação.

O projeto militar correspondente DARPA leva o nome glorioso Excalibur (não o confunda com Excalibur desde a época da SDI ). O plano starhot Breakthrough está organicamente vinculado a ele, cujos detalhes são apresentados em um artigo com o ambicioso título " Roteiro para o vôo interestelar ".

Propõe-se criar uma matriz de fases de 100 milhões de lasers infravermelhos ( $$$\ lambda \ aproximadamente 1$ mícrons) localizados em uma seção quadrada da Terra com um lado de 10 km - um laser cada um com uma potência de ~ 1 kW por 1 sq. medidor A interferência desses raios deve produzir uma onda eletromagnética com uma aresta levemente côncava, roxa na figura acima. Supõe-se que o ângulo de convergência do feixe assim obtido seja ~ $$$10 ^ {- 9}$ Estou feliz, e o fluxo de energia através de sua seção é de ~ 100 GW. O diâmetro máximo desse feixe é de ~ 10 m, ou seja, a máxima máxima de difração mais brilhante na superfície normal do feixe diminui gradualmente de ~ 10 ma ~ 1 m à medida que a superfície se afasta da matriz em ~ 10 milhões de km.


Supõe-se que uma microssonda com massa de 1 grama e uma vela de 0,85 m da mesma massa sob pressão leve em 3 minutos atingirá uma velocidade de 43.000 km / s, passando 4 milhões de km. Neste momento, o diâmetro do feixe é igual ao tamanho da vela e a aceleração da sonda atinge um máximo de 23.700 g (!). Posteriormente, um ponto brilhante na vela diminui, mas a aceleração permanece inalterada e extraordinariamente grande. Após outros 76 segundos, a sonda passará cerca de 4 milhões de km e a aceleração será interrompida (o feixe será desligado). A uma velocidade de cruzeiro de 61.000 km / s, ou seja, aproximadamente 20% da velocidade da luz, a sonda voará para Alpha Centauri, que durará 20 anos.

A sonda é um substrato com chips, uma bateria, uma câmera de vídeo e um micro laser para transmitir informações à Terra. É possível que dispositivos (e se) possam ser feitos em miniatura (peso total da sonda 1 g sem vela). Supõe-se que a vela, o mesmo refletor, possa ser usada como uma antena de foco para pulsos de laser com uma potência de ~ 1 W. Embora nem esteja claro em princípio como implementar essa ideia. Se o refletor estiver na forma de um parabolóide de revolução, e a fonte pontual de luz estiver em seu foco, poderá ser obtido um feixe de direção estreita. Mas sua divergência será muito maior que a ordem $$$10 ^ {- 5}$ rad (limite de difração em $$$\ lambda = 1$ μm e uma abertura de ~ 1 m é da ordem $$$10 ^ {- 6}$ ), sobre os quais os autores do Breakthrough starhot estavam otimistas demais como base para avaliar a possibilidade de feedback.

Uma matriz em fases pode ser usada como uma antena receptora (os fótons que chegam passarão pelos amplificadores na direção oposta, causando a detecção de uma avalanche de quanta). Acredita-se que o microlaser da sonda, usando o foco com um refletor, proporcionará irradiação da matriz com um fluxo de fótons com uma densidade de 650 peças por segundo. Segundo os autores do projeto, ao codificar um bit de informação com um quantum, isso permitirá que os dados sejam transmitidos à Terra a uma velocidade de 650 bits / s.

Starhot inovador envolve o lançamento de milhares de microssondas, o que aumentará simultaneamente a confiabilidade do projeto. No entanto, o gerenciamento da operação de milhares de sondas será impossível devido a um atraso de quatro anos no recebimento de sinais. Portanto, eles terão que tomar decisões por conta própria, para os quais precisam de sensores e um microprocessador bastante poderoso, e mais importante - motores para orientar e corrigir trajetórias ao se aproximar de Alpha Centauri. As sondas precisam interagir umas com as outras, sendo necessária uma comunicação via rádio confiável. Os pulsos de laser para procurar "parceiros" não são adequados, porque para tal conexão, você precisa saber para onde direcionar o feixe.

E eles terão que se procurar e a distâncias, possivelmente em milhões de quilômetros. A dispersão das sondas no caminho para Alpha Centauri será enorme, sem nenhuma possibilidade de corrigir suas trajetórias da Terra à medida que se aproximam. É importante ter em mente que eles não terão a oportunidade de desacelerar na chegada, portanto terão que tomar decisões e agir muito rapidamente (o tempo de voo perto de um planeta terrestre será uma fração de segundo). E para isso, você precisa de energia e óptica para navegação - em uma sonda de 1 grama!

Nesse sentido, surge mais um problema fundamental: como uma sonda com uma massa de ~ 1 g encontra o Sol sem óptica para a navegação astronômica? Deve-se notar que, devido à divergência do feixe da sonda, ele cobrirá uma região de bilhões de quilômetros no sistema solar; portanto, você precisa mirar no sol. Mas como a microssonda o verá? De jeito nenhum!

Assim, o problema de coletar e transmitir informações de micróbios para a Terra é extraordinariamente complexo. É improvável que seja superável em princípio, se não estiver satisfeito com os sinais de que as sondas voaram perto de seu destino. Embora até essas mensagens sejam extremamente difíceis de obter! Se o ângulo de divergência do feixe da sonda for $$$2,2 \ cdot 10 ^ {- 5}$ Fico feliz que, com uma potência de 1 W por matriz em fases de 10 por 10 km, 650 fótons realmente cheguem de Alpha Centauri em um segundo (o resto passará devido à divergência do feixe). Mas aqui a dispersão no caminho para a Terra e na atmosfera, bem como o fundo de fótons do Sol e dos objetos ao redor, não são levados em consideração. Como distinguir um fóton infravermelho que chega de uma sonda de 40.000 bilhões de km de qualquer outro com o mesmo comprimento de onda? O autor do roteiro não responde a essas perguntas.


Outra dificuldade fundamental é que, durante a aceleração da sonda, é necessário garantir a orientação correta do refletor em relação ao feixe. Como excluir a influência das flutuações do campo de ondas e dos defeitos superficiais da vela, que aparecerão sob a ação de irradiação com uma densidade de energia de ~ 100 GW por metro quadrado? O menor desvio da vela ou sua deformação pode levar a sonda para longe do alvo ou até jogá-la para fora do raio. Portanto, é necessário controlar a posição da vela (refletor) durante a aceleração, quando a aceleração atinge 20.000g ou mais. Precisamos de mecanismos de orientação suficientemente poderosos que possam superar as forças da inércia, enquanto eles devem ter uma massa total inferior a um grama. Como a distância de aceleração é próxima de 10 milhões de km, o atraso dos sinais no final desse caminho chegará a 30 segundos em cada direção. É claro que a correção oportuna da orientação e do formato da vela não é possível; portanto, a aceleração estável da sonda na direção do feixe é um problema em aberto.

No geral, o plano starhot Breakthrough é bastante bem definido. Ele se baseia nos verdadeiros sucessos no desenvolvimento de matrizes de laser em fases obtidas na DARPA. Essa organização certamente está interessada nos resultados que serão obtidos no curso dos esforços para resolver as dificuldades fundamentais associadas à implementação dessa idéia. No entanto, ao contrário do entusiasmo de Hawking e Dyson, ela não parece viável.

Obviamente, um ponto fraco iludiu a atenção dos entusiastas. Após uma inspeção mais minuciosa, ela se transforma em uma enorme lacuna através da qual o starhot Breakthrough pode cair no abismo de fantasias irrealizáveis. Isto é devido ao problema de reflexão da radiação com uma potência de ~ 100 GW por ~ 1 sq. medidor de vela. Um décimo de todas as usinas de energia dos EUA alimentará o conjunto de laser por 5 a 10 minutos, concentrando-se em uma vela com menos de um metro de tamanho! O que permitirá que o refletor não evapore com um aquecimento tão monstruoso?

À primeira vista, tudo está bem pensado aqui. Supõe-se que a vela seja feita de nanomateriais, como o grafeno, na forma de um filme de aproximadamente 1 μm de espessura, com um coeficiente de reflexão de 99,999%. Um coeficiente de 99,995% já foi alcançado, sucessos nesse sentido inspiram confiança de que a reflexão desejada pode ser alcançada. A aceleração acima de 20 000g é capaz de suportar esse tipo de filme, e sua microespessura é essencial para isso (tensão interna de um material com densidade $$$\ rho$ e grosso $$$h$ na direção da aceleração $$$a$ é igual a $$$\ rho ha$ Pa). Suponha que um filme reflita 99,999% da energia radiante. Então ela recebe ~ 1 MW de calor, que deve ser descartado. No espaço, isso só pode ser feito através da radiação, que regula a lei de Stefan-Boltzmann:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

onde $$$I$ - intensidade de radiação (W / m²) de uma superfície aquecida a uma temperatura $$$T$ Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$ - constante de Stefan-Boltzmann (em SI). De acordo com esta fórmula, para a emissão de excesso de calor com uma capacidade de 1 MW a partir de 1 quadrado. metros da superfície, deve ter uma temperatura de 2050 K.

Devido à lei de radiação de Kirchhoff,

$$

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

onde $$$r (\ omega, T)$ - emissividade do corpo (ou seja, densidade espectral do fluxo de radiação térmica), $$$\ alpha (\ omega, T)$ - sua capacidade de absorção (fração da radiação incidente com freqüência $$$\ omega$ absorvido à temperatura $$$T$ ) e $$$f (\ omega, T)$ - densidade espectral da radiação do corpo negro à temperatura $$$T$ . Daqui resulta que o espelho absorvente $$$\ alpha (\ omega, T) = 10 ^ {- 5}$ (= 0,001%) terá uma emissividade em $$$10 ^ 5$ vezes menos que um corpo completamente preto na mesma temperatura e frequência. Portanto, a uma temperatura de superfície de 2050 K (necessária para remover o excesso de calor de 1 MW por 1 metro quadrado), o espelho emitirá no espectro do raio laser em $$$10 ^ 5$ vezes menos energia que um corpo negro irradiaria à mesma temperatura e no mesmo espectro. Portanto, para $$$T = 2050K$ o espelho irá irradiar $$$> 10 ^ 5$ vezes menos energia que um corpo negro em todo o espectro.

Portanto, para garantir a remoção do excesso de calor, é necessário aumentar a temperatura do espelho em mais de $$$(10 ^ 5) ^ {1/4} = $ 17,7$ vezes.

Assim, mesmo que um espelho seja capaz de refletir 99,999% da radiação laser de 100 GW por 1 m2, sua temperatura superficial deve ser superior a 36.500 K. Observe que a lei de Stefan-Boltzmann fornece o mesmo resultado se seu lado esquerdo for igual ao fluxo radiação por filme (100 GW por m2). Obviamente, nenhum nanomaterial pode suportar essa temperatura por vários minutos. Em outras palavras, um filme refletindo 99,999% da radiação de energia moderada derreterá e evaporará sob uma chuva de fótons de 100 GW.

O projeto starhot Breakthrough é outra tentativa desesperada de encontrar algo em uma situação em que o Universo não queira deixar as pessoas fora do Sistema Solar, permitindo apenas observar-se passivamente. Aparentemente, como todos os outros projetos para alcançar as estrelas mais próximas, ele continuará sendo um sonho.