Ooit had de mensheid ambities die leidden tot zulke ongelooflijke projecten als de eerste bemande vlucht naar de ruimte of een missie naar de maan. De volgende stap is de kolonisatie van planeten en vervolgens interstellaire reizen. Het Breakthrough Starshot Initiative is de opvolger van de menselijke ambitie en belooft onze weg te banen naar de sterren in de directe omgeving.
Breakthrough Starshot, het geesteskind van de Russische miljardair-ondernemer Yuri Milner, maakte in april 2016 zijn stempel op een persconferentie die werd bijgewoond door gerenommeerde natuurkundigen, waaronder Stephen Hawking en Freeman Dyson. Hoewel het project nog lang niet voltooid is, omvat het voorlopige plan het verzenden van duizenden chips ter grootte van een postzegel op grote zilveren zeilen, die eerst de baan van de aarde zullen binnendringen en vervolgens worden versneld door lasers op de grond.
In twee minuten laserversnelling versnelt het ruimtevaartuig tot een vijfde van de lichtsnelheid - duizend keer sneller dan enig kunstmatig voertuig in de hele geschiedenis van de mensheid.
Elk ruimtevaartuig zal 20 jaar vliegen en wetenschappelijke gegevens verzamelen over de interstellaire ruimte. Bij het bereiken van de planeten in het Alpha Centauri-sterrenstelsel, zal de ingebouwde digitale camera foto's met hoge resolutie maken en afbeeldingen naar de aarde sturen, zodat we naar onze naaste planetaire buren kunnen kijken. Naast wetenschappelijke kennis kunnen we erachter komen of deze planeten geschikt zijn voor menselijke kolonisatie.
Het team achter Breakthrough Starshot is net zo indrukwekkend als de technologie. De raad van bestuur bestaat uit Milner, Hawking en Mark Zuckerberg, de maker van Facebook. Pete Warden, voormalig directeur van NASA's Ames Research Center, is CEO. Verschillende vooraanstaande wetenschappers, waaronder Nobelprijswinnaars, adviseren het project en Milner heeft $ 100 miljoen van zijn eigen middelen geïnvesteerd om het werk op gang te krijgen. Samen met collega's investeren ze gedurende meerdere jaren meer dan $ 10 miljard om het werk te voltooien.
Hoewel dit hele idee volledig sci-fi lijkt, is er geen wetenschappelijk obstakel voor de implementatie ervan. Dit hoeft echter morgen niet te gebeuren: om Starshot succesvol te laten zijn, is een aantal technologische vooruitgang vereist. De organisatoren en wetenschappelijke adviseurs geloven in exponentiële vooruitgang en dat Starshot al 20 jaar bestaat.
Hieronder vind je een lijst met elf Starshot-technologieën en wat hoopt dat wetenschappers hun exponentiële ontwikkeling in de komende twintig jaar vastzetten.
Promotie video:
Detectie van exoplaneten
Een exoplaneet is een planeet buiten ons zonnestelsel. Hoewel de eerste wetenschappelijke ontdekking van een exoplaneet pas in 1988 plaatsvond, werden er vanaf 1 mei 2017 3.608 exoplaneten ontdekt in 2.702 planetaire systemen. Hoewel sommige op planeten in het zonnestelsel lijken, zijn er veel ongebruikelijke, zoals die met ringen die 200 keer breder zijn dan die van Saturnus.
Wat is de reden voor deze stortvloed aan ontdekkingen? Aanzienlijke verbetering van telescopen.
Nog maar 100 jaar geleden was de grootste telescoop ter wereld de Hooker-telescoop met een spiegel van 2,54 meter. Tegenwoordig is de Very Large Telescope van ESO, bestaande uit vier grote telescopen met een diameter van 8,2 meter, de meest productieve astronomische faciliteit op de grond, die per dag één wetenschappelijk artikel per beoordeling door een expert produceert.
Wetenschappers gebruiken MBT en een speciaal hulpmiddel om te zoeken naar solide planeten buiten de zon in de potentieel bewoonbare zone van de ster. In mei 2016 vonden wetenschappers die de TRAPPIST-telescoop in Chili gebruikten niet één, maar zeven exoplaneten ter grootte van de aarde tegelijk in een potentieel bewoonbare zone.
Ondertussen heeft NASA's Kepler-ruimtevaartuig, speciaal ontworpen voor deze taak, in de ruimte al meer dan 2000 exoplaneten geïdentificeerd. De James Webb Space Telescope, die in oktober 2018 wordt gelanceerd, zal een ongekend inzicht geven in de vraag of exoplaneten leven kunnen ondersteunen. "Als deze planeten een atmosfeer hebben, zal JWST de sleutel zijn om hun geheimen te onthullen", zegt Doug Hudgins, een exoplaneetwetenschapper op het hoofdkantoor van NASA in Washington DC.
Lanceringskosten
Het Starshot-moederschip wordt aan boord van de raket gelanceerd en zal 1.000 schepen lanceren. De kosten van het transporteren van ladingen met raketten voor eenmalig gebruik zijn enorm, maar particuliere dienstverleners zoals SpaceX en Blue Origin hebben aangetoond succesvol te zijn met het lanceren van herbruikbare raketten die naar verwachting de lanceringskosten aanzienlijk zullen verlagen. SpaceX heeft de kosten al verlaagd tot $ 60 miljoen om de Falcon 9 te lanceren, en naarmate de particuliere ruimtevaartindustrie uitbreidt en herbruikbare raketten vaker voorkomen, zal de prijs dalen en dalen.
Zetmeel
Elke 15 mm Starchip ("sterchip") moet een groot aantal geavanceerde elektronische apparaten bevatten, zoals een navigatiesysteem, een camera, een communicatielaser, een radio-isotoopbatterij, een cameramultiplexer en zijn interface. De ingenieurs hopen dat ze het allemaal in een kleine machine van postzegelformaat kunnen persen.
De eerste computerchips in de jaren zestig bevatten immers een handvol transistors. Dankzij de wet van Moore kunnen we tegenwoordig miljarden transistors op elke chip plaatsen. De eerste digitale camera woog enkele kilo's en maakte foto's van 0,01 megapixels. Tegenwoordig legt een digitale camerasensor hoogwaardige kleurenafbeeldingen van 12 megapixels vast en past in een smartphone - samen met andere sensoren zoals GPS, versnellingsmeter en gyroscoop. En we zien deze verbeteringen doordringen tot verkenning van de ruimte met kleinere satellieten die ons kwaliteitsgegevens leveren.
Om Starshot succesvol te laten zijn, hebben we in 2030 een chipmassa van ongeveer 0,22 gram nodig. Maar als verbeteringen in hetzelfde tempo blijven komen, suggereren prognoses dat dit heel goed mogelijk is.
Licht zeil
Het zeil moet gemaakt zijn van een materiaal dat sterk reflecterend is (om de maximale puls van de laser te krijgen), minimaal absorberend (om niet verbrand te worden door hitte) en tegelijkertijd erg licht is (toegestaan voor snelle acceleratie). Deze drie criteria zijn buitengewoon belangrijk en momenteel is er geen geschikt materiaal voor.
De noodzakelijke vooruitgang kan komen van het automatiseren van kunstmatige intelligentie en het versnellen van de ontdekking van nieuwe materialen. Deze automatisering is zo ver gegaan dat methoden voor machinaal leren tegenwoordig "bibliotheken met kandidaten voor geschikt materiaal op tienduizenden posities kunnen genereren" en ingenieurs in staat stellen te bepalen welke het waard zijn om voor te vechten en welke het waard zijn om onder bepaalde omstandigheden te testen.
Energie opslag
Terwijl Starchip een kleine radio-isotopenbatterij zal gebruiken voor zijn 24-jarige reis, hebben we nog steeds conventionele chemische batterijen nodig voor de lasers. Lasers zullen in korte tijd kolossale energie moeten afgeven, wat betekent dat de energie in nabijgelegen batterijen moet worden opgeslagen.
Batterijen verbeteren met ongeveer 5-8% per jaar, hoewel we dit vaak niet zien omdat het energieverbruik toeneemt. Als batterijen in dit tempo blijven verbeteren, zullen ze over twintig jaar 3-5 keer meer capaciteit hebben dan nu. Andere innovaties kunnen volgen op een grote investering in de batterij-industrie. De joint venture Tesla-Solar City heeft al 55.000 aan Kauai geleverd om het grootste deel van zijn infrastructuur van stroom te voorzien.
Lasers
Duizenden krachtige lasers zullen worden gebruikt om het vaartuig samen met het zeil voort te drijven.
Lasers gehoorzaamden de wet van Moore op vrijwel dezelfde manier als geïntegreerde schakelingen en verdubbelden het vermogen elke 18 maanden. Het laatste decennium heeft een dramatische versnelling gezien in de schaalvergroting van het vermogen van diode- en vezellasers. De eerste doorboorde 10 kilowatt single-mode vezel in 2010 en een barrière van 100 kilowatt een paar maanden later. Naast brute kracht hebben we ook succes nodig bij het combineren van phased array-lasers.
Snelheid
Ons vermogen om snel te bewegen … ging snel. In 1804 werd de trein uitgevonden en behaalde al snel een ongehoorde snelheid van 100 kilometer per uur. Het ruimtevaartuig "Helios-2" overschaduwde dit record in 1976: op het snelste moment bewoog "Helios-2" zich met een snelheid van 356.040 km / u van de aarde af. Veertig jaar later heeft het ruimtevaartuig New Horizons een heliocentrische snelheid bereikt van 45 kilometer per seconde (meer dan 200.000 kilometer per uur). Maar zelfs met die snelheid zou het lang duren om Alpha Centauri te bereiken, vier lichtjaar verwijderd.
Hoewel het versnellen van subatomaire deeltjes tot bijna-lichtsnelheid gemeengoed is geworden in deeltjesversnellers, zijn macroscopische objecten niet in staat geweest om op die manier te versnellen. Een lichtsnelheid van 20% zou 1000 keer de snelheid van een door mensen gebouwd object zijn.
Geheugenopslag
De mogelijkheid om informatie op te slaan werd de basis voor berekeningen. Starshot zal afhangen van de voortdurende afname van de kosten en de omvang van het digitale geheugen om voldoende opslagruimte te bieden voor zijn programma's en afbeeldingen die zijn vastgelegd in het Alpha Centauri-sterrenstelsel en zijn planeten.
De kosten van geheugen zijn decennia lang exponentieel gedaald: in 1970 was een megabyte ongeveer een miljoen dollar waard; nu - slechts centen. De benodigde opslagruimte is ook kleiner geworden, van een harde schijf van 5 megabyte die in 1956 met een vorkheftruck werd geladen tot USB-sticks van 512 gigabyte die een paar gram wogen.
Telecommunicatie
Zodra Starchip de afbeeldingen heeft vastgelegd, moeten ze voor verwerking naar de aarde worden teruggestuurd.
De telecommunicatie is aanzienlijk vooruitgegaan sinds Alexander Graham Bell de telefoon uitvond in 1876. De gemiddelde internetsnelheid van vandaag is ongeveer 11 megabit per seconde. De bandbreedte en snelheid die nodig zijn om digitale beelden over vier lichtjaar - 40 biljoen kilometer - te verzenden, vereisen de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van telecommunicatie.
Li-Fi-technologie is buitengewoon veelbelovend, en de draadloze transmissie ervan belooft 100 keer sneller te zijn dan Wi-Fi. Er zijn ook experimenten op het gebied van kwantumtelecommunicatie, die niet snel, maar veilig zal zijn.
Berekeningen
De laatste stap van het Starchip-project is het analyseren van de gegevens die door het ruimtevaartuig zijn teruggestuurd. Om dit te doen, zullen we moeten vertrouwen op de exponentiële ontwikkeling van rekenkracht, die de afgelopen 60 jaar met een biljoen keer is toegenomen.
Onlangs is de daling van de computerkosten sterk in verband gebracht met wolken. Als we vooruitkijken en nieuwe rekenmethoden zoals quantum gebruiken, kunnen we een 1000-voudige toename van het vermogen verwachten tegen de tijd dat Starshot gegevens retourneert. Deze uitzonderlijke rekenkracht stelt ons in staat om geavanceerde wetenschappelijke simulaties en analyses uit te voeren van ons dichtstbijzijnde naburige sterrenstelsel.
ILYA KHEL
