Udhëtimi i anijeve të vogla kozmike me lazer në skajet e largëta të sistemit diellor

Anijet kozmike në miniaturë me madhësinë e celularëve mund të fluturojnë nëpër sistemin diellor duke përdorur vela të shtyra me lazer, gjë që do t’i lejonte anijes së vogël kozmike të arrinte shpejtësi shumë më të shpejta – dhe, potencialisht, destinacione shumë më të largëta – sesa raketat me fuqi konvencionale, zbulon një studim i ri.

Anijeve të tanishme kozmike zakonisht duhen vite për të bërë udhëtime brenda sistemit diellor; për shembull, sondës New Horizons të NASA-s iu deshën gati 10 vjet për të arritur në Pluton.

Në teori, anijeve kozmike që përdorin raketa konvencionale do të duheshin mijëra vjet për të përfunduar një udhëtim ndëryjor. Për shembull, Alpha Centauri, sistemi yjor më i afërt me Tokën, shtrihet rreth 4.37 vite dritë larg – më shumë se 25.6 trilion milje (41.2 trilion kilometra), ose më shumë se 276,000 herë distanca nga Toka në Diell. Do t’i duheshin anijes kozmike të NASA-s Voyager 1, e cila u nis në 1977 dhe arriti hapësirën ndëryjore në 2012, rreth 75,000 vjet për të arritur në Alpha Centauri edhe nëse sonda do të drejtohej në drejtimin e duhur, gjë që nuk është.

Problemi me të gjithë shtytësit e raketave është se shtytësi që ata mbajnë me vete ka masë. Udhëtimet e gjata kërkojnë shumë shtytës, gjë që e bën anijen kozmike të rëndë, e cila, nga ana tjetër, kërkon më shumë shtytës, duke i bërë ato më të rënda etj.

Hulumtimet e mëparshme kanë sugjeruar se “lundrimi i lehtë” mund të jetë një nga mënyrat e vetme teknikisht të realizueshme për të çuar një anije kozmike në një yll tjetër brenda një jete njerëzore. Megjithëse drita nuk ushtron shumë presion, shkencëtarët kanë sugjeruar prej kohësh se ajo pak presion që ajo aplikon mund të ketë një efekt të madh. Në të vërtetë, eksperimente të shumta kanë treguar se “velat diellore” mund të mbështeten në dritën e diellit për shtytje nëse anija kozmike është mjaft e lehtë dhe ka një vela mjaft të madhe.

Në të vërtetë, iniciativa prej 100 milionë dollarësh Breakthrough Starshot, e shpallur në vitin 2016, planifikon të lëshojë një mori anijesh kozmike me madhësi mikroçip drejt Alpha Centauri, secila prej tyre ka vela jashtëzakonisht të holla, tepër reflektuese të shtyra nga lazerët më të fuqishëm të ndërtuar ndonjëherë. Plani i bën ata të fluturojnë deri në 20% të shpejtësisë së dritës, duke arritur në Alpha Centauri në rreth 20 vjet.

Një sfidë e madhe me të cilën përballet Starshot është ndërtimi i lazerëve të nevojshëm për shtytje. Ai kërkon një grup lazeri me bazë tokësore të rendit prej 0,4 milje katrorë (1 kilometër katror) dhe i fuqishëm sa 100 gigavat, i cili do të ishte deri tani lazeri më i fuqishëm i krijuar ndonjëherë në Tokë.

Në studimin e ri, studiuesit sugjerojnë se një grup lazeri më modest me bazë tokësore – ai që është 3.3 deri në 33 këmbë (1 deri në 10 metra) i gjerë dhe 100 kilovat deri në 10 megavat në fuqi – mund të jetë ende i dobishëm duke dërguar sonda të vogla nëpër sistemi diellor, duke i shtyrë ato në shpejtësi shumë më të larta se sa mund të mundnin motorët e raketave.

“Lazerë të tillë mund të ndërtohen tashmë sot me një investim relativisht të vogël,” tha për Space.com autori i vjetër i studimit Artur Davoyan, një shkencëtar materialesh në Universitetin e Kalifornisë, Los Anxhelos. “Ne nuk kemi nevojë të presim derisa një lazer 100 gigavat të bëhet i disponueshëm.”

Shkuarja ndëryjore në një shkallë të arsyeshme kohore imponon më shumë kufizime sesa udhëtimi brenda sistemit diellor. Për shembull, Starshot synon të dërgojë sonda tek një yll tjetër brenda jetës njerëzore, kështu që anija e saj kozmike është projektuar të jetë jashtëzakonisht e lehtë – secila vetëm 0,035 ons (1 gram) ose më shumë – për të fluturuar sa më shpejt që të jetë e mundur duke pasur parasysh sasinë e energjisë që marrin. .

Në të kundërt, velat me laser për udhëtimet ndërplanetare nuk duhet të jenë aq të lehta. Shkencëtarët parashikojnë anijen kozmike për udhëtime të tilla që variojnë deri në 3.5 ons (100 g) ose më shumë – një masë “e krahasueshme me atë të një celulari tipik”, tha Davoyan.

Ndërsa Starshot përballet me kufizime masive që e bëjnë të vështirë vendosjen e të gjitha sistemeve dhe instrumenteve të nevojshme të anijes kozmike në një platformë të vetme, një sondë 3,5 ons “mund të pajiset lehtësisht me të gjithë komponentët e nevojshëm, duke përfshirë spektrometrat, përshpejtuesit, detektorët e grimcave, kamerat etj. më – të gjithë përbërësit kryesorë për të kryer një mision të duhur shkencor në hapësirat e largëta të hapësirës, ​​”tha Davoyan.

Për më tepër, për shkak se një grup lazer mund të lëshojë më shumë se një sondë, ai potencialisht mund të dërgojë një flotë sondash të vogla, secila me pajisje të ndryshme, në një destinacion. “Për shembull, njëra mund të jetë një sondë magnetometër, tjetra e pajisur me një kamerë, e treta shërben si një detektor grimcash,” tha Davoyan. “Ne parashikojmë që shumë sonda të vogla mund të dërgohen në destinacione vërtet të ndryshme për të bërë përparim në shkencë.”

Përveç kësaj, për shkak se udhëtimet ndërplanetare nuk kërkojnë llojin e lazerëve të fuqishëm që nevojiten me Starshot, ato gjithashtu nuk kërkojnë vela të mëdha me llojin e veçorive të jashtëzakonshme materiale që nevojiten për t’i bërë ballë kërkesave të shumta të fluturimit ndëryjor, të tilla si mos avullimi nën dritën e një lazer kaq i fuqishëm. Studiuesit sugjeruan që nitridi i silikonit ose nitridi i borit lundrimet rreth 4 inç (10 centimetra) të gjera duhet të mjaftojnë për fluturimet brenda sistemit diellor.

“Puna jonë është një hap i parë drejt misioneve të shpejta dhe me kosto të ulët ndërplanetare dhe në hapësirë të thellë,” tha Davoyan. “Ne shohim se mund të shfaqet një model i ri për eksplorimin e hapësirës, ku përdoruesit individualë, të cilët zakonisht nuk kanë qasje në hapësirë, tani mund të shpenzojnë vetëm disa mijëra dollarë dhe të nisin një mision të vërtetë të thellë në hapësirë.”

Vargjet me lazer të rendit 100 kilovat janë tashmë në zhvillim e sipër nga ushtria amerikane; në vitin 2020, për shembull, anija luftarake bregdetare e marinës amerikane USS Little Rock mori një lazer 150 kilovat. Për më tepër, kostoja e lazerëve me fuqi të lartë po bie me shpejtësi çdo vit, e nxitur nga nevoja për telekomunikacion optik, me lazer 1 kilovat të disponueshëm për më pak se 10,000 dollarë, vuri në dukje Davoyan.

“Vlerësimet e përafërta tregojnë se një rreze lazer 1 megavat mund të ndërtohet me më pak se 100 milionë dollarë, që është shumë më pak se shumica e misioneve të NASA-s,” tha Davoyan. “E rëndësishmja, pasi të ndërtohet, rrezet mund të përdoren dhe të ripërdoren për të lëshuar sonda të shumta në drejtime të ndryshme. Në thelb, rreze lazer është një investim kapital fillestar dhe, pasi të ndërtohet, shërben si një platformë lëshimi. Kostoja e misionit më pas konsiston në prodhimin e sondave. e cila, me përdorimin e prodhimit masiv, mund të jetë rreth 100 dollarë, lëshimi i sondave në orbitë për më pak se 100 dollarë për sondë dhe më pas operimi i një misioni gjatë jetës së tij të dobishme. Prandaj, në përgjithësi qasja e drejtuar nga lazer ofron kosto shumë të ulët për eksplorimi i hapësirës”.

Shkencëtarët vlerësuan se një vela me lazer 0,035 ons me një vela 4 inç me shpejtësi prej rreth 112,000 mph (180,000 km/h) mund të arrinte në Mars në 20 ditë, krahasuar me 200 ditët për roverin Perseverance të NASA-s; Jupiteri në 120 ditë, krahasuar me pesë vjet për sonden Juno të NASA-s; Plutoni në më pak se tre vjet, krahasuar me 10 vjet për anijen New Horizons të NASA-s; dhe 100 herë distanca e Tokës nga dielli në 10 vjet, krahasuar me gati 30 vjet për anijen kozmike të NASA-s Voyager 1.

“Fakti që ne mund të ndryshojmë mënyrën se si po eksplorohet hapësira tashmë sot me një investim minimal është vërtet energjik,” tha Davoyan. “Një qasje e tillë lejon pothuajse të gjithë të zhvillojnë dhe të nisin misionin e tyre – diçka që nuk ishte e mundur më parë. Do të ishte vërtet emocionuese të shihje një student universitar që dërgon sondën e tij shkencore, të themi, Jupiterit.”

Shkencëtarët tani shpresojnë të testojnë dhe prototipojnë idetë e tyre. “Ne po bashkëpunojmë gjithashtu me industrinë dhe qeverinë për të çuar më tej disa nga dizajnet dhe idetë që kemi,” tha Davoyan. “Ne besojmë se mund të bëjmë një ndryshim të vërtetë në të ardhmen e eksplorimit të hapësirës.”