Dit zijn de avonturen van de "StarChip Wafersize".

UC Santa Barbara-studenten stuurden op, via ballon, een prototype miniatuur ruimtevaartuig dat uiteindelijk het "wafercraft" zou kunnen worden dat volgens onderzoekers door lasers zou kunnen worden voortgestuwd om ruimtereizen met relativistische snelheden te bereiken om nabijgelegen sterrenstelsels en exoplaneten te bereiken.

Zo begint een reis, gefinancierd door NASA en verschillende particuliere stichtingen, die op een dag kan leiden tot interstellaire reizen.

"Het maakt deel uit van een proces van bouwen aan de toekomst, en gaandeweg test je elk onderdeel van het systeem om het te verfijnen, "Zei Philip Lubin, hoogleraar natuurkunde aan de UC Santa Barbara en experimenteel kosmoloog. "Het maakt deel uit van een langetermijnprogramma om miniatuurruimtevaartuigen te ontwikkelen voor interplanetaire en uiteindelijk voor interstellaire vluchten."

Het prototype wafer scale spacecraft (WSS) is klein genoeg om in de palm van één hand te passen. Het werd gelanceerd in de stratosfeer boven Pennsylvania, tot een hoogte van 105, 000 voet (32 km) - drie keer die van commerciële vliegtuigen - om de functionaliteit en prestaties te meten.

De lancering vond plaats in samenwerking met de United States Naval Academy in Annapolis op 12 april. 2019 - 58 jaar op de dag dat de Russische kosmonaut en piloot Yuri Gagarin de eerste mens werd die een orbitale ruimtevlucht voltooit.

"Het is ontworpen om veel van de functies van veel grotere ruimtevaartuigen te hebben, zoals beeldvorming, dataoverdracht, inclusief lasercommunicatie, houdingsbepaling en magnetische velddetectie, " zei Nic Rupert, een ontwikkelingsingenieur in het laboratorium van Lubin. "Dankzij de snelle vooruitgang in de micro-elektronica kunnen we een ruimtevaartuig verkleinen tot een veel kleiner formaat dan eerder is gedaan voor gespecialiseerde toepassingen zoals de onze."

Het prototype van het ruimtevaartuig werkte feilloos en verzamelde meer dan 4000 beelden van de aarde in wat volgens Rupert "een uitstekende eerste vlucht was en vanaf hier dramatisch zal evolueren".

Het doel van het project, zoals de naam van het apparaat doet vermoeden, is het bouwen van een ultralichtgewicht (gramschaal) siliciumwafer met ingebouwde elektronica, in staat om de ruimte in te worden geschoten terwijl gegevens worden teruggestuurd naar de aarde. Voor de afstand die de onderzoekers willen bereiken - ongeveer 25 biljoen mijl, of 40 biljoen kilometer, cruisen met een aanzienlijk deel van de snelheid van het licht - de vereiste technologie is ontmoedigend.

"Gewone chemische voortstuwing, zoals dat wat ons bijna 50 jaar geleden naar de maan bracht, zou bijna honderdduizend jaar duren om bij het dichtstbijzijnde sterrenstelsel te komen, Alpha Centauri, Lubin zei. "En zelfs geavanceerde voortstuwing zoals ionenmotoren zou vele duizenden jaren duren. Er is maar één bekende technologie die in staat is om de nabije sterren binnen een mensenleven te bereiken en dat is het gebruik van licht zelf als voortstuwingssysteem."

Bekend als gerichte energievoortstuwing, de technologie vereist het bouwen van een extreem groot aantal lasers om als voortstuwing te fungeren. Dit systeem reist niet met het ruimtevaartuig mee; het blijft op aarde.

"Als je een laserarray hebt die groot genoeg is, je kunt de wafels echt met een laserzeil duwen om ons doel van 20 procent van de lichtsnelheid te bereiken, "Zei Rupert. "Dan zit je over ongeveer twintig jaar bij Alpha Centauri."

Onderdeel van een door NASA gefinancierde onderneming genaamd Starlight, de inspanning wordt ook ondersteund door de Breakthrough Foundation, waar het bekend staat als Starshot. UC Santa Barbara startte het project in 2009 met een bescheiden financiering van NASA's Spacegrant-programma, het ontvangen van extra fondsen in 2015 via NASA Advanced Concepts.

Het UC Santa Barbara-team benaderde vervolgens in 2016 de Breakthrough Foundation van miljardair tech-investeerder Yuri Milner om de implicaties van de technologie te delen. In april van datzelfde jaar de stichting kondigde aan dat ze een inspanning van $ 100 miljoen zou ondernemen om dit programma te ondersteunen.

Het doel is om een ​​van de grootste existentiële vragen van de mensheid te beantwoorden:zijn we alleen in het universum? En een manier om erachter te komen, volgens de onderzoekers is om nabijgelegen exoplaneten te bezoeken door een groot aantal van deze kleine ruimtevaartuigen naar nabijgelegen sterrenstelsels te sturen. Deze chips zouden camera's op nanoschaal bevatten, navigatie apparatuur, communicatietechnologie en andere systemen om nabije exoplaneten tot ver buiten ons zonnestelsel te zoeken naar bewijs van leven.

Nog een ander facet van het UC Santa Barbara-project is het sturen van leven van de aarde de ruimte in. De onderzoekers willen het idee testen om leven over grote afstanden te transporteren met behulp van stralingsgeharde, geschikt voor cryo-slaap, ruimteharde kleine dieren - in het bijzonder, tardigrades en de nematode c. elegantie.

Maar eerst, de technologie moet bestaan. Dankzij de vooruitgang in fotonica en siliciumelektronica, zaden van de eindproducten zijn geplant, zeggen de wetenschappers. Herhaalde pogingen om de evoluerende hardware naar steeds verder gelegen delen van onze atmosfeer te sturen, en geleidelijk in de ruimte en verder, zijn wat ze hopen dat de deal zal bezegelen.

"Het punt van het bouwen van deze dingen is om te weten wat we willen opnemen in de volgende versie, in de volgende chip, " zei David Mc Carthy, een afgestudeerde student in de afdeling Electrical and Computer Engineering. "Je begint met kant-en-klare componenten omdat je snel en goedkoop kunt itereren." In dit stadium, hij zei, het idee is om te zien hoe goed de hardware werkt onder steeds zwaardere omstandigheden, inclusief vriestemperaturen, langdurige blootstelling aan straling zoals kosmische straling en botsingen met deeltjes tussen de aarde en de sterren (het interstellaire medium), en het harde vacuüm van de ruimte.

Het momentum bouwt zich op. Een interdisciplinaire bachelorgroep, bestaande uit studenten natuurkunde, Engineering, scheikunde en biologie, voeren ballonvluchten uit om gegevens te verzamelen die uiteindelijk kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van toekomstige versies van de wafercraft. Naarmate de technologie steeds geavanceerder wordt, zeiden de onderzoekers, ze kunnen de halfgeleiderindustrie inschakelen om deze kleine ruimtechips tegen lage kosten in bulk te produceren.

In de tussentijd, innovaties in siliciumoptiek en geïntegreerde fotonica op waferschaal maken het mogelijk om de kosten van de laserarray die wordt gebruikt voor het lanceren van deze ruimtevaartuigen te verlagen. Faculteiten en onderzoekers van de afdeling elektrotechniek en computertechniek van UC Santa Barbara spelen een cruciale rol.

"Het is niet zo onrealistisch om te denken dat we stukjes silicium van één gram kunnen maken die alles zullen hebben wat we willen, ' zei McCarthy.

Uiteindelijk fotograferen voor de interstellaire ruimte, dat is nog een heel eind weg, de groep mikt op een suborbital eerste vlucht volgend jaar. De ontwikkeling van dergelijke technologie effent de weg naar een verscheidenheid aan ruimtemissies die met conventionele chemische raketaangedreven technologie als te duur of onmogelijk zouden zijn beschouwd.

Potentiële voordelen van de kerntechnologie? Veel kortere reistijden naar Mars dan momenteel mogelijk is; planetaire verdediging tegen asteroïden en kometen; het verminderen van ruimtepuin, het stimuleren van satellieten in een baan om de aarde, of het op afstand voeden van verre buitenposten van het zonnestelsel, onder vele anderen, merkte Lubin op.

"Het maakt een hele reeks technologische vaardigheden mogelijk, " hij zei, van gerichte energievoortstuwing. "Sommige van de meer interessante, op korte termijn zouden interplanetaire missies betrokken zijn."

De UCSB-groep heeft meer dan 50 technische artikelen gepubliceerd over de transformationele technologie die ze ontwikkelen en de radicale implicaties die deze heeft voor menselijke verkenning.