Межзвездные путешествия скоро станут реальностью
|
Когда-то у человечества были амбиции, которые приводили к таким невероятным проектам, как первый полет человека в космос или миссия на Луну. Следующим шагом будет колонизация планет, а затем и межзвездное путешествие. Инициатива Breakthrough Starshot становится преемником человеческих амбиций и обещает проложить нам путь к ближайшим звездам. |
Breakthrough Starshot, детище российского предпринимателя-миллиардера Юрия Мильнера, стал известен в апреле 2016 года на пресс-конференции, в которой поучаствовали известные физики, в том числе Стивен Хокинг и Фримен Дайсон. И хотя проект пока нельзя назвать полноценным, предварительный план подразумевает отправку тысяч чипов размером с почтовую марку на больших серебристых парусах, которые сначала выйдут на земную орбиту, а затем будут ускорены наземными лазерами. |
За две минуты лазерного разгона космический аппарат ускорится до одной пятой скорости света — в тысячу раз быстрее любого искусственного аппарата за всю историю человечества. |
Каждый аппарат будет лететь 20 лет и собирать научные данные о межзвездном пространстве. Достигнув планет в звездной системе Альфы Центавра, встроенная цифровая камера будет фотографировать в высоком разрешении и отправлять снимки на Землю, позволяя нам взглянуть на наших ближайших планетарных соседей. В дополнение к научным знаниям мы можем узнать, подходят ли эти планеты для колонизации человека. |
Команда, которая занимается Breakthrough Starshot, такая же впечатляющая, как и технологии. В совет директоров входят Мильнер, Хокинг и Марк Цукерберг, создатель Facebook. Роль исполнительного директора занимает Пит Уорден, бывший директор научно-исследовательского центра Эймса при NASA. Несколько известных ученых, включая нобелевских лауреатов, консультируют проект, а Мильнер положил 100 миллионов долларов собственных средств, чтобы работа началась. Вместе с коллегами они инвестируют более 10 миллиардов долларов в течение нескольких лет, чтобы работа завершилась. |
Хотя вся эта затея кажется совершенно научно-фантастической, нет никаких научных препятствий для ее реализации. Это, впрочем, не обязательно должно произойти завтра: для того чтобы Starshot был успешным, необходим ряд достижений в области технологий. Организаторы и ученые-консультанты верят в экспоненциальный прогресс и в то, что Starshot реализуется в течение 20 лет. |
Дальше вы найдете список из одиннадцати технологий Starshot и какие надежды на их экспоненциальное развитие в течение следующих двадцати лет возлагают ученые. |
Обнаружение экзопланет |
Экзопланета — это планета за пределами нашей Солнечной системы. Хотя первое научное обнаружение экзопланеты состоялось только в 1988 году, на 1 мая 2017 года было обнаружено 3608 экзопланет в 2702 планетарных системах. Хотя некоторые из них напоминают планеты в Солнечной системе, среди них есть много необычных, например, с кольцами в 200 раз шире колец Сатурна. |
В чем причина такого наводнения открытий? Существенное совершенствование телескопов. |
Всего 100 лет назад крупнейшим телескопом в мире был телескоп Хукера с зеркалом в 2,54 метра. Сегодня Очень Большой Телескоп Европейской южной обсерватории состоит из четырех больших телескопов диаметром 8,2 метра и являет собой самую продуктивную наземную астрономическую установку, выдающую по одной научной статье на экспертный обзор в день. |
Ученые используют ОБТ и специальный инструмент для поиска твердых внесолнечных планет в потенциально обитаемой зоне звезды. В мае 2016 года ученые, использующие телескоп TRAPPIST в Чили, нашли не одну, а сразу семь экзопланет земных размеров в потенциально обитаемой зоне. |
Между тем в космосе космический аппарат NASA Кеплер, специально разработанный для этой задачи, уже идентифицировал более 2000 экзопланет. Космический телескоп Джеймса Уэбба, который будет запущен в октябре 2018 года, обеспечит беспрецедентное представление о том, могут ли экзопланеты поддерживать жизнь. «Если у этих планет есть атмосфера, JWST станет ключом к раскрытию их секретов», говорит Дуг Хадгинс, ученый программы экзопланет в штаб-квартире NASA в Вашингтоне. |
Затраты на запуск |
Материнский корабль Starshot будет запущен на борту ракеты и выпустит тысячу кораблей. Стоимость транспортировки полезной нагрузки с использованием одноразовых ракет огромна, но частные поставщики услуг, такие как SpaceX и Blue Origin, продемонстрировали успех в запуске многоразовых ракет, которые, как ожидается, значительно снизят затраты на запуск. SpaceX уже сократила расходы до 60 миллионов долларов на запуск Falcon 9, и по мере того, как расширяется частная космическая индустрия и многоразовые ракеты становятся более распространенными, цена будет падать и падать. |
Starchip |
Каждый 15-миллиметровый Starchip («звездный чип») должен содержать большой массив хитроумных электронных устройств, таких как система навигации, камера, лазер связи, радиоизотопная батарея, мультиплексор камеры и ее интерфейс. Инженеры надеются, что смогут ужать все это в маленьком аппарате размером с почтовую марку. |
В конце концов, первые компьютерные чипы в 1960-х годов содержали горстку транзисторов. Благодаря закону Мура, сегодня мы можем уместить миллиарды транзисторов на каждом чипе. Первая цифровая камера весила несколько килограммов и делала 0,01-мегапиксельные изображения. Сегодня сенсор цифровой камеры делает высококачественные цветные изображения в 12 мегапикселей и умещается в смартфоне — наряду с другими сенсорами вроде GPS, акселерометра и гироскопа. И мы видим, как эти улучшения просачиваются в освоение космоса с появлением небольших спутников, обеспечивающих нам качественные данные. |
Для успеха Starshot нам понадобится, чтобы масса чипа составляла около 0,22 грамма к 2030 году. Но если улучшения будут продолжать приходить такими же темпами, прогнозы предполагают, что это вполне возможно. |
Легкий парус |
Парус должен быть сделан из материала, который будет иметь высокую отражательную способность (чтобы набрать максимальный импульс от лазера), минимально поглощающий (чтобы не сгорел от тепла) и при этом очень легкий (позволял быстро разогнаться). Три эти критерия чрезвычайно важны, и в настоящее время подходящего материала для них просто не существует. |
Необходимые достижения могут прийти от автоматизации искусственного интеллекта и ускорения обнаружения новых материалов. Такая автоматизация дошла до того, что методы машинного обучения сегодня могут «генерировать библиотеки кандидатов на подходящие материалы в десятки тысяч позиций» и позволяют инженерам определить, за какие стоит бороться и какие стоит тестировать при определенных условиях. |
Хранение энергии |
Хотя Starchip будет использовать крошечную радиоизотопную батарею в течение своего 24-летнего путешествия, нам все равно понадобятся обычные химические батареи для лазеров. Лазерам потребуется высвобождать колоссальную энергию в короткие сроки, а значит энергию придется хранить в батареях поблизости. |
Аккумуляторы улучшаются примерно на 5-8% в год, хотя мы часто не видим этого, потому что уровень потребления энергии растет. Если батареи продолжат улучшаться в таком темпе, через двадцать лет они будут в 3-5 раз более емкие, чем сегодня. Другие инновации могут последовать за крупными инвестициями в сферу аккумуляторов. Совместное предприятие Tesla и Solar City уже поставило 55 000 в Кауаи, чтобы запитать большую часть своей инфраструктуры. |
Лазеры |
Тысячи мощных лазеров будут использоваться для продвижения аппарата вместе с парусом. |
Лазеры подчинялись закону Мура почти так же, как интегральные схемы, умножая мощность вдвое через каждые 18 месяцев. За последнее десятилетие произошло резкое ускорение масштабирования мощности диодных и волоконных лазеров. Первые пробили 10 киловатт из одномодового волокна в 2010 году и 100-киловаттный барьер через несколько месяцев. В дополнение к сырой мощи нам также нужен успех в объединении фазированных матричных лазеров. |
Скорость |
Наша способность быстро двигаться… двигалась быстро. В 1804 году был изобретен поезд и очень скоро набрал неслыханную скорость в 100 километров в час. Космический аппарат «Гелиос-2» затмил этот рекорд в 1976 году: в самый быстрый момент «Гелиос-2» удалялся от Земли на скорости 356 040 км/ч. Спустя 40 лет космический аппарат «Новые горизонты» достиг гелиоцентрической скорости в 45 километров в секунду (более 200 000 километров в час). Но даже если двигаться с такой скоростью, потребуется много времени, чтобы добраться до Альфы Центавра за четыре световых года от нас. |
Хотя разгон субатомных частиц до околосветовой скорости стал обычным делом для ускорителей частиц, макроскопические объекты так разогнать не получалось. Достижение 20% скорости света станет 1000-кратным увеличением скорости для любого объекта, построенного человеком. |
Хранение памяти |
Основой для расчетов стала способность хранить информацию. Starshot будет зависим от продолжающегося снижения стоимости и размеров цифровой памяти, чтобы обеспечить достаточное пространство для хранения своих программ и изображений, сделанных в звездной системе Альфа Центавра и ее планет. |
Стоимость памяти снижалась экспоненциально в течение десятилетий: в 1970 году мегабайт стоит около миллиона долларов; сейчас — сущие копейки. Размер, необходимый для хранения, также сжался: от 5-мегабайтового жесткого диска, загружаемого в 1956 году при помощи вилочного погрузчика, до 512-гигабайтных USB-накопителей весом в несколько граммов. |
Телекоммуникация |
Как только Starchip сделает снимки, их нужно будет отправить на Землю для обработки. |
Телекоммуникации существенно прогрессировали с тех пор, как Александр Грэм Белл изобрел телефон в 1876 году. Средняя скорость интернета сегодня — около 11 мегабит в секунду. Пропускная способность и скорость, необходимая для отправки цифровых изображений за 4 световых года — 40 триллионов километров — потребуют последних достижений в области телекоммуникаций. |
Крайне многообещающей является технология Li-Fi, беспроводная передача которой обещает стать в 100 раз быстрее Wi-Fi. Также проводятся эксперименты в области квантовых телекоммуникаций, которые не будут быстрыми, но зато безопасными. |
Вычисления |
Последним шагом проекта Starchip будет анализ данных, возвращаемых космическим аппаратом. Для этого нам придется положиться на экспоненциальное развитие вычислительной мощности, которая увеличилась в триллион раз за последние 60 лет. |
Снижение стоимости вычислений в последнее время сильно связывают с облаками. Заглядывая в будущее и используя новые методы вычислений вроде квантовых, мы можем ожидать тысячекратного увеличения мощности к тому времени, когда Starshot будет возвращать данные. Такая исключительная вычислительная мощность позволит нам выполнять сложное научное моделирование и анализ нашей ближайшей соседней звездной системы. |
Источник |
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
|