Nieuwe gerichte energievoortstuwingssystemen kunnen de eerste interstellaire missies mogelijk maken, met kleine, robot ruimtevaartuig dat naburige zonnestelsels verkent, volgens experimenteel kosmoloog Philip Lubin. Hij zal deze en andere ontwikkelingen presenteren op het lasercongres van The Optical Society (OSA), Verlicht de toekomstige luidsprekerserie, 4-8 nov. in Boston.

Stel je een flinterdun ruimtevaartuig voor dat wordt aangedreven door laserlicht en in staat is tot snelheden van meer dan een kwart van de lichtsnelheid - snel genoeg om de dichtstbijzijnde naburige ster van ons zonnestelsel binnen 20 jaar te bereiken, of iets dichter bij huis, zoals mensen binnen een maand naar Mars brengen. Door gebruik te maken van door fotonica aangedreven voortstuwing, onderzoekers zijn goed op weg om deze schijnbaar onmogelijke sciencefictionprestatie werkelijkheid te maken, zei Lubin, die hoogleraar natuurkunde is aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

De onderzoeksresultaten die Lubin zal beschrijven, komen voort uit NASA's Starlight- en Breakthrough Starshot-programma's, die beide geavanceerd onderzoek in fotonica ondersteunen. Lubin is directeur van het Starlight-programma.

"Fotonica, de productie en manipulatie van licht, maakt al deel uit van ons dagelijks leven - van mobiele telefoons tot computers tot light-emitting-diode (LED)-lampen tot glasvezel die uw gegevens overal mee naartoe nemen - ook al ziet u het misschien niet, " zei Lubin. "Je kunt praktische voorbeelden van fotonica in het dagelijks leven aanwijzen en het lijkt niets te maken te hebben met interstellaire vlucht, maar in feite doet het omdat het synergetisch is met de technologie die je nodig hebt om interstellaire vluchten te bereiken."

Een van de grootste uitdagingen bij het valideren van dit fotonica-concept met betrekking tot voortstuwing is het aantonen van het laservermogen dat nodig is om het voorgestelde / hypothetische ruimtevaartuig te versnellen, volgens Lubin.

Gesynthetiseerde optica voor gerichte energievoortstuwingssystemen

Grote gerichte energiesystemen worden niet gebouwd met een enkele gigantische laser, maar vertrouw in plaats daarvan op bundelcombinatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van vele zeer bescheiden vermogenslaserversterkers.

"Ons systeem maakt gebruik van een gevestigde typologie genaamd 'Master Oscillator Power Amplifier'-ontwerp, "zei Lubin. "Het is een gedistribueerd systeem, dus elke "bouwsteen" van de laserversterker is tussen de 10 en 1000 Watt. Je kunt het in je hand houden. In plaats van een gigantische laser te bouwen, je combineert veel kleine kleine laserversterkers die, wanneer gecombineerd, vormen een extreem krachtig en revolutionair systeem."

Lubin suggereert een analogie met supercomputers, die zijn gebouwd met behulp van een groot aantal centrale verwerkingseenheden (CPU's). "Door miljarden low-poser laservermogensversterkers coherent te combineren - vergelijkbaar met hetzelfde vermogen van een typische moderne huishoudelijke LED - heb je plotseling dit verbazingwekkend capabele gerichte energiesysteem, " hij zei.

Interstellaire sondes gevoed via laserlicht

Gerichte energiesystemen kunnen in de niet al te verre toekomst interstellaire sondes mogelijk maken als onderdeel van menselijke verkenning, en ze vormen de kern van het NASA Starlight-programma en het Breakthrough Starshot Initiative om de eerste interstellaire missies van de mensheid mogelijk te maken. Dezelfde kerntechnologie heeft vele andere toepassingen, zoals snelle interplanetaire reizen voor missies met hoge massa, inclusief degenen die mensen vervoeren; planetaire verdediging; en de zoektocht naar buitenaardse intelligentie (SETI).

"Onze primaire focus ligt momenteel op zeer kleine robotruimtevaartuigen. Ze zullen geen mensen aan boord vervoeren - het is niet het doel van het interstellaire deel van ons programma, " zei Lubin. "Als de mensheid andere werelden buiten ons zonnestelsel wil verkennen, er zijn geen andere fysiek verkrijgbare voortstuwingsopties om dit te doen - met twee uitzonderingen.

"Een manier zou zijn als we een technologische benadering zouden kunnen beheersen die bekend staat als antimaterie-vernietigingsmotoren, dit zijn theoretische voortstuwingssystemen die stuwkracht genereren op basis van energie die vrijkomt door interacties op het niveau van subatomaire deeltjes. Maar we hebben momenteel geen manier om dat te doen, "Lubin zei, "en het gaat om een ​​aantal complexiteiten die we momenteel niet hebben om op te lossen.

"De andere optie is gerichte energie of fotonische voortstuwing, waar we ons op focussen omdat het haalbaar lijkt, " zei Lubin. In één variant, gerichte energievoortstuwing is vergelijkbaar met het gebruik van de kracht van water uit een tuinslang om een ​​bal naar voren te duwen. Miniscule interstellaire ruimtevaartuigen (meestal minder dan een kilogram en sommige die ruimtevaartuigen op een wafel zijn) kunnen worden voortgestuwd en bestuurd via laserlicht, hij zei.

"Het miniaturiseren van ruimtevaartuigen is niet vereist voor alle missiescenario's die we overwegen, maar hoe lager de massa van het ruimtevaartuig, hoe sneller je kunt gaan, " zei Lubin. "Dit systeem schaalt op andere manieren dan gewone massa-ejectie-voortstuwing."

Tot dusver, alle raketten die van de aarde zijn afgeschoten, zijn gebaseerd op chemische voortstuwingssystemen waarvan de basisontwerpen dateren uit de Tweede Wereldoorlog. Ze zijn net in staat om het van het aardoppervlak te halen en in een baan om de aarde te komen. Door een grotere raket te maken gaat hij niet sneller, het laat de raket gewoon meer massa vervoeren. Fotonische voortstuwing werkt anders, want hoe minder dicht de lading, hoe sneller je gaat. Dus je wilt de massa verlagen om sneller te gaan.

Alsof je in een regenbui rijdt - in de ruimte

Een belangrijke uitdaging voor relativistische ruimtevaartuigen is stralingsverharding, want "wanneer we snelheden beginnen te bereiken die dicht bij de lichtsnelheid liggen, de deeltjes in de interstellaire ruimte, protonen in het bijzonder, waar je in ploegt - negeer de stofkorrels voorlopig - zijn de primaire stralingsbron, ' zei Lubin. 'De ruimte is niet leeg; het heeft ongeveer één proton en één elektron per kubieke centimeter, evenals een beetje helium en andere atomen."

Inslaan op die deeltjes kan aanzienlijk zijn bij hoge snelheden, want hoewel ze langzaam kunnen reizen binnen hun eigen referentiekader, voor een snel bewegend ruimtevaartuig zorgen ze voor botsingen met hoge snelheid.

"Als je ze raakt, is het alsof je in een regenbui rijdt. Zelfs als de regen rechtstreeks uit de lucht naar beneden komt, wordt je voorruit gepleisterd omdat je snel gaat - en het is nogal een serieus effect voor ons, "Zei Lubin. "We krijgen enorme stralingsbelastingen op de voorrand terwijl de voorkant gewoon helemaal wordt afgeranseld, terwijl de rest van het ruimtevaartuig dat niet de voorste rand is en in verschillende richtingen kijkt, helemaal niet wordt geraakt. Het is een interessant en uniek probleem, en we werken aan wat er gebeurt als je er doorheen ploegt."

In termen van een tijdsbestek om gerichte energievoortstuwingstechnologie aan het werk te zetten, "We maken laboratoriumdemo's van elk onderdeel van het systeem, " zei Lubin. "Volledige capaciteit is meer dan 20 jaar verwijderd, hoewel demonstratiemissies binnen een decennium haalbaar zijn."

Snel naar Mars

Dezelfde kernfotonica-technologie in het NASA Starlight-programma maakt ook extreem snelle interplanetaire missies mogelijk, inclusief missies naar Mars die mensen zouden kunnen vervoeren in reizen van slechts een maand. Dit zou de gevaren voor de mens op de lange reis naar de rode planeet drastisch verminderen en wordt momenteel bestudeerd als een optie.

Triljoen Planetenquête

Vooruitgang in de fotonica betekent ook dat we nu een licht kunnen laten branden voor buitenaardse intelligentie in het universum als we gevonden willen worden - voor het geval er ander intelligent leven is dat ook het antwoord op de vraag wil weten, "zijn we alleen"?

De studenten van Lubin verkennen dit concept in hun experiment "Trillion Planet Survey". Dit experiment zoekt nu actief naar het nabijgelegen sterrenstelsel Andromeda, die ongeveer een biljoen planeten heeft, en andere sterrenstelsels, evenals de onze voor signalen van licht.

Door Lubins onderzoek te combineren met het experiment van zijn studenten, er zijn mogelijkheden om het leven te signaleren. Wanneer technologische vooruitgang de demonstratie mogelijk maakt van lasers die krachtig genoeg zijn om het kleine ruimtevaartuig voort te stuwen, deze lasers zouden ook kunnen worden gebruikt om een ​​baken naar de Andromeda Galaxy te schijnen in de hoop dat elke levensvorm daar die lichtbron in hun lucht zou kunnen ontdekken en detecteren.

Het omgekeerde geval is interessanter. Misschien bestaat er een andere beschaving met een vergelijkbaar vermogen als wat we nu op het gebied van fotonica ontwikkelen. Ze kunnen beseffen, zoals we doen, dat fotonica een uiterst efficiënt middel is om over grote afstanden ver buiten ons melkwegstelsel te worden gedetecteerd. Als er een buitenaardse beschaving is die hun aanwezigheid uitzendt via optische stralen, zoals die voorgesteld voor fotonische voortstuwing, ze zijn kandidaten om te worden gedetecteerd door een grootschalig optisch onderzoek, zoals de Trillion Planet Survey van het Lubin-team.

"Als de transmissiegolflengte van een buitenaardse straal detecteerbaar is, en heeft lang genoeg geduurd, we zouden het signaal van een bron overal in ons melkwegstelsel of van nabije sterrenstelsels moeten kunnen detecteren met relatief kleine telescopen op aarde, zelfs als geen van beide 'partijen' weet dat de andere bestaat en niet weet 'waar te wijzen, '", zei Lubin. Dit "blind-blind" scenario is de sleutel tot de "Search for Directed Intelligence", zoals Lubin deze strategie noemt.

Planetaire verdediging

Misschien wel een van de meest intrigerende toepassingen van fotonica - dichter bij huis - is om erop te tikken om de aarde te beschermen tegen externe bedreigingen zoals treffers van asteroïden en kometen.

Hetzelfde systeem dat de onderzoekers voor voortstuwing beginnen te ontwikkelen, kan worden gebruikt voor planetaire verdediging door de straal op de asteroïde of komeet te concentreren. Dit veroorzaakt schade aan het oppervlak, en als delen van het oppervlak worden uitgeworpen tijdens de reactie met het laserlicht, momentum zou het puin de ene kant op duwen en de asteroïde of komeet in de tegenovergestelde richting. Dus, beetje bij beetje, het zal de dreiging afwenden, zei Lubin.

"De implicaties op lange termijn voor de mensheid zijn heel belangrijk, " voegde hij eraan toe. "Hoewel de meeste asteroïdebedreigingen geen existentiële bedreigingen zijn, ze kunnen behoorlijk gevaarlijk zijn, zoals we zagen in Chelyabinsk, Rusland in 2013 en in Tunguska, Rusland in 1908. Helaas, de dinosauriërs hadden geen fotonica om hun ondergang te voorkomen. Misschien worden we wijzer."