Over een paar decennia is het Breakthrough Starshot-initiatief hoopt een zeilschip naar het naburige systeem Alpha Centauri te sturen. Met behulp van een lichtzeil en een laserarray met gerichte energie, een klein ruimtevaartuig kan worden versneld tot 20% van de lichtsnelheid (0,2 c). Dit zou Starshot in staat stellen om de reis naar Alpha Centauri te maken en eventuele exoplaneten daar in slechts 20 jaar te bestuderen. waardoor de droom van interstellaire verkenning binnen ons leven wordt vervuld.

Van nature, dit plan brengt een aantal technische en logistieke uitdagingen met zich mee, waarvan er één de overdracht van gegevens naar de aarde omvat. In een recente studie, Starshot Systems-directeur Dr. Kevin L.G. Parkin analyseert de mogelijkheid om een ​​laser te gebruiken om gegevens terug naar de aarde te sturen. Deze methode, betoogde Parkin, is de meest effectieve manier voor de mensheid om een ​​glimp op te vangen van wat zich buiten ons zonnestelsel bevindt.

De auteur van de studie, Dr. Kevin Parkin, is sinds 2016 systeemdirecteur van Breakthrough Starshot. hij ontving de Korolev-medaille van de Russische Federatie van Ruimtevaart- en Ruimtevaarttechniek voor zijn baanbrekende werk op het gebied van thermische voortstuwing van microgolven. Hij richtte ook het in San Francisco gevestigde ruimtevaartbedrijf Parkin Research op, die gespecialiseerd is in de ontwikkeling van kostenbesparende technologieën.

Het probleem van een communicatie-downlink aanpakken, Dr. Parkin probeerde de beste optie te berekenen voor een geïntegreerd zeil- en ruimtevaartuig (zeilvaartuig). Hiertoe, hij overwoog de mogelijkheid van een strakke laserzender aan boord van het Starshot-zeilvaartuig met een diameter van 4,1 m (13,45 ft), die zou beginnen te zenden naar een 30-meter (~ 100 ft) telescoop op aarde zodra deze Alpha Centauri bereikte.

Deze array zou de vorm aannemen van een optische phased array van 100 watt (ingebed in het zeil zelf) die lasers gebruikt om de energie van het interstellaire medium (ISM) te transformeren. Dr. Parkin stelt zich voor dat de array gegevens zou verzenden met een golflengte van 1,02 micrometer, die dan op 1,25 micrometer door de telescoop zou worden ontvangen - die de uitzendingen in het nabij-infrarood / bijna-ultraviolet spectrum plaatst.

Dit type downlink biedt veel voordelen ten opzichte van communicatie die afhankelijk is van radiogolf- of microgolftransmissies. Zoals Dr. Parkin via e-mail aan Universe Today vertelde:

"In vergelijking met magnetrons, lasers hebben een duizend keer kortere golflengte, en zo een veel strakkere straal van Alpha Centauri naar de aarde vormen... Het voordeel van het uitzenden van 100 watt over het volledige gebied van het zeilvaartuig is dat de op aarde gebaseerde ontvanger krimpt tot een telescoop van 30 meter, iets dat zeer waarschijnlijk over een decennium of twee zal zijn."

Dr. Parkin voegde er ook aan toe dat binnen dezelfde tijd, verbeteringen in filters en detectoren zullen arrays van telescopen van meterklasse mogelijk maken die kunnen samenwerken om signalen van het ruimtevaartuig te ontvangen. Echter, zo'n communicatiesysteem heeft ook zijn nadelen, waarvan er één rechtstreeks verband houdt met de aard van de strakke bundel. In principe, de array moet nauwkeurig op de aarde worden gericht om de gegevens te kunnen ontvangen.

"Als het zeilschip de relatieve richting van het interstellaire medium waarneemt, die terug naar de aarde wijst (of, minstens, waar de aarde was toen het zeilschip werd gelanceerd), " zei Dr. Parkin. "Vanaf daar, het zal de zon moeten vinden. Vervolgens, omdat de bundelbreedte slechts een tiende is van de afstand van de zon tot de aarde, het zeilvaartuig zal de relatieve positie van de aarde moeten berekenen of vinden en ernaartoe wijzen."

Echter, dit kan worden overwonnen door meerdere ruimtevaartuigen te sturen, wat aansluit bij de algemene visie van Starshot. Voor jaren, Breakthrough Initiatives heeft nagedacht over hoe een vloot van met een lichtzeil gesleept "nanocraft" die slechts een paar gram weegt, interstellaire reizen en verkenning mogelijk zou kunnen maken. Zoals Dr. Parkin uitlegde:"Economie is voorstander van het lanceren van licht en vaak, zoals één zeilboot van 4 gram per week (de energiekosten bedragen slechts $ 6 miljoen). Dit betekent dat er niet slechts één downlink is, maar veel downlinks. Vanaf de aarde gezien, de verschillende zeilboten zullen langs de lucht worden opgesteld, het vormen van een soort pijpleiding van zeilschepen op verschillende stadia van ontmoeting met Alpha Centauri."

Een bijkomend voordeel van het verzenden van meerdere ruimtevaartuigen met directe downlinks, voegt Dr. Parkin toe, is de mogelijkheid van kruisverbindingen tussen hen. In dit scenario, de verbinding met de aarde zou een eigen datapijplijn worden - een pijplijn in een pijplijn. Dit zou het risico op verlies van essentiële gegevens verkleinen en zeilschepen die al door het Alpha Centauri-systeem zijn gegaan, in staat stellen informatie door te geven aan degenen die nog onderweg zijn.

Een laatste aanbeveling die Dr. Parkin in de paper deed, was de opname van een gedistribueerd algoritme waarmee het ruimtevaartuig in tandem en met een zekere mate van autonomie zou kunnen functioneren, elk verantwoordelijk voor het in kaart brengen van een ander deel van het Alpha Centauri-systeem. Dr. Parkin geeft aan dat dit de "decision-act-cyclus" zou verminderen, " wat ongelooflijk traag is over interstellaire afstanden:

"De voordelen om dat te doen zijn enorm - het hele systeem kan worden gescout en in kaart worden gebracht voordat de eerste gegevens ooit de aarde bereiken. de eerste zeilboot zou een verre planeet kunnen zien als een lichtpunt dat tussen afbeeldingen beweegt, en op basis daarvan zijn baan beperken zodat het volgende zeilvaartuig kan manoeuvreren om dichterbij te passeren, oplossen van oppervlaktedetails. Latere zeilboten kunnen kaarten maken, kenmerken van het baanoppervlak, en ontdek in de loop van de tijd de meeste planeten en manen in het systeem."

Om alles af te breken, Dr. Parkin stelt zich een vloot zeilschepen voor die geautomatiseerde verkenningen van verre sterrenstelsels uitvoert. De eerste die het systeem betreedt, zou verantwoordelijk zijn voor het in kaart brengen van de planeten en manen, de volgende golf zou hun banen karakteriseren, en degenen die volgen, zullen ze van dichtbij observeren en hun oppervlakken in kaart brengen en bewaken.

In dit opzicht, het hier gepresenteerde concept pakt een van de grootste uitdagingen van interstellaire verkenning aan, dat is de moeilijkheid om over zulke grote afstanden met sondes te communiceren. Prof. Abraham Loeb – de Frank B. Baird Jr. Professor of Science aan de Harvard University en de voorzitter van de Breakthrough Starshot Advisory Committee – vertelde Universe Today via e-mail:

"De communicatieverbinding die Kevins paper behandelt, is een van de grootste uitdagingen voor het Starshot-programma. De enorme afstand tot de dichtstbijzijnde ster, 4,24 lichtjaar, en het lage vermogen van de transmissie, impliceert een zwak signaal en dus een grote ontvanger op aarde. Er is geen mogelijkheid om in realtime commando's naar het ruimtevaartuig te sturen, omdat de kortste tweerichtingsreis van lichtsignalen 8,48 jaar zou duren."

Eindelijk, Dr. Parkin ging in op de brandende vraag wat er moet gebeuren voordat een project van deze aard kan worden gerealiseerd. Hoewel de paper verschillende creatieve oplossingen biedt voor de uitdaging van communicatie, een van de meest doordringende problemen die Starshot achtervolgen, is het feit dat toekomstige verbeteringen en innovaties nodig zijn om het op het gebied van kosteneffectiviteit te brengen.

"Om de volledige capaciteiten van een zeilvaartuig zoals hier beschreven te realiseren, kan 100 jaar duren, of het kan een bijproduct zijn van commercieel gedreven onderzoek in de komende decennia, "Hij zei. "Microwave phased arrays zijn al 50 jaar in gebruik, maar optische phased arrays zijn er nog niet, en zal veel werk vergen om te integreren in een keramisch zeil. Energieopwekking uit het interstellaire medium is aantoonbaar uniek voor Starshot en heeft onderzoek nodig. maar de uitbetaling is dat het beschikbare vermogen voor de downlink ordes van grootte groter is dan anders mogelijk zou zijn."

Nogmaals, alle concepten voor interstellaire of diepe ruimteverkenning bieden hun uitdagingen, sommigen van hen bijzonder ontmoedigend. En zoals zoveel andere technische hindernissen voor het Starshot-team, deze uitdagingen hebben een manier om creatieve en innovatieve oplossingen te inspireren. Ondertussen, het enige wat we kunnen doen is afwachten en hopen dat er vooruitgang zal komen en nieuwe kansen zullen ontstaan.

Eerdere studies door Dr. Parkin omvatten de studie van 2018, "Het baanbrekende Starshot-systeemmodel, " die verscheen in Acta Astronautica . Dit artikel beschrijft de Starshot-missie en het concept in detail en hoe het menselijke verkenning ten goede zou komen, niet alleen in het interstellaire domein, maar ook binnen het zonnestelsel.