5 Pertanyaan Besar Tentang Teknologi Nanopraft Starshot

Pada hari Selasa, miliarder Rusia Yuri Milner dan astrofisika terkenal Stephen Hawking mengumumkan rencana $ 100 juta mereka untuk mempelajari Alpha Centauri, sistem bintang terdekat dengan Bumi (hanya 4,37 tahun cahaya). Tujuannya, di antara beberapa penyelidikan ilmiah yang berbeda, adalah pada dasarnya menemukan apakah alien ada di leher hutan itu, atau paling tidak jika ada planet atau bulan dalam sistem yang mampu mendukung kehidupan.

Disebut Breakthrough Starshot, proyek ini terdiri dari mengirim pesawat ruang angkasa ultra-ringan (dijuluki "StarChips") dalam perjalanan mereka ke Alpha Centauri yang dibawa oleh lightsail yang digerakkan oleh sinar cahaya 100 gigawatt.

Ini hanya puncak gunung es. Seluruh rencana itu terlihat jenius gila, atau sekadar gila. Namun, semakin Anda menggali, sepertinya rencana Milner dan krunya mungkin benar-benar layak.

Ini karena teknologi yang mereka usulkan sebenarnya tidak jauh dari kemungkinan. Itu memang meregangkan imajinasi, tetapi tidak merusaknya. Teknologi lightsail sudah diuji oleh beberapa kelompok penelitian, termasuk yang diorganisir oleh Bill Nye. Meningkatnya CubeSats sebagai cara yang efisien dan murah untuk melakukan penelitian ruang angkasa benar-benar menunjukkan betapa banyak yang bisa diperoleh dengan menciptakan pesawat ruang angkasa yang lebih kecil dan lebih ringan. Nanocrafts seperti yang dilontarkan oleh Starshot hanyalah langkah logis ke arah itu.

Masih ada banyak dari pertanyaan yang masih tersisa tentang bagaimana Milner, Hawking, dan bahkan pendiri Facebook Mark Zuckerberg (seorang investor) akan melakukan ini. Berikut adalah lima pertanyaan terbesar tentang teknologi nanocraft dan sistem peluncuran sinar - dan beberapa jawaban yang mungkin memberikan beberapa wawasan.

Cahaya Balok sebagai teknologi penggerak - mohon jelaskan!

Rencana Starshot untuk meluncurkan bayi-bayi nanocraft ini tidak menggunakan bahan bakar dan api - ini menggunakan cahaya dan laser. Laser berdaya tinggi dan fokus telah menjadi sumber intrik bagi para insinyur propulsi selama beberapa dekade sekarang, tetapi hanya baru-baru ini kita akhirnya bisa membayangkan menggunakan teknologi tersebut dalam beberapa aplikasi - termasuk memindahkan puing-puing orbital keluar dari jalur satelit kritis. Bagaimanapun, cahaya adalah energi yang mampu mengerahkan kekuatan pada suatu sistem.

Namun, itulah kata kuncinya: memahami. Kami belum benar-benar membangun sinar laser yang dapat menembak objek lain ke ruang melalui kekuatan tipis foton. Para ilmuwan sedang bekerja pada teknologi propulsi hybrid yang akan menggunakan laser dalam kombinasi dengan metode yang lebih konvensional, tetapi bukan sebagai propelan tunggal.

Anda mungkin berkata, "tapi bagaimana berlayar surya seharusnya bekerja di luar angkasa?" Nah, teknologi berlayar surya membutuhkan penggunaan foton yang dihasilkan oleh sinar matahari untuk mendorong layar (dan wahana antariksa) ke depan. Layar berlayar ke ruang angkasa dengan cara kuno: roket.

Starshot mengklaim bahwa beamer cahaya - rangkaian laser yang diatur dalam skala selebar kilometer - berpotensi memberikan 100 gigawatt energi berseri. Kami tidak akan menggunakan satu laser ultra-besar, tetapi banyak yang lebih kecil. Mungkin jutaan, atau ratusan juta.

Mungkinkah itu kekuatan yang cukup untuk mengeluarkan nanocraft dari atmosfer Bumi dan tarikan gravitasi? Mungkin. Milner berpikir Starshot memiliki peluang lebih baik dengan menyiapkan landasan peluncuran di lingkungan ketinggian tinggi, seperti Gurun Atacama. (Berikut adalah empat saran yang kami buat hari ini.) Itu juga relatif cukup kering untuk mengurangi kemungkinan uap air dapat menumpuk dan menciptakan penambahan berat pada pesawat ruang angkasa atau menghalangi kekuatan laser saat mendorong pesawat ruang angkasa ke atas.

Jika semuanya berjalan dengan baik, probe akan menuju ke Alpha Centauri dengan kecepatan 100 juta mil per jam, dan mencapai sistem dalam waktu 20 tahun.

Lightsail sangat tipis dan sangat halus. Bagaimana hal ini bisa bertahan dalam peluncuran? Bagaimana ia bisa selamat dari bebatuan dan debu yang berputar di luar angkasa selama dua puluh tahun?

Lightsail terbuat dari "metamaterial ultra-tipis (istilah umum yang mengacu pada bahan eksperimental) yang dirancang untuk mengambil foton yang akan datang dari sumber cahaya dan menggunakannya sebagai kekuatan tekanan yang diberikan pada layar itu sendiri. Hasilnya, layar mampu bergerak maju dan bahkan berakselerasi ke kecepatan yang jauh lebih tinggi.

Seperti yang saya sebutkan, lightsail bukan hal baru. Bill Nye dan Planetary Society telah mengerjakan proyek lightsail yang berupaya membuktikan kelayakan teknologi semacam itu sebagai desain propulsi pesawat ruang angkasa yang hemat biaya. NASA meluncurkan Scout Asteroid Dekat Bumi (Scout NEA) pada tahun 2018 di atas kapal Orion untuk misi peresmian untuk Sistem Peluncuran Antariksa, yang akan menuju asteroid terdekat melalui layar surya yang dapat diperluas.

Kedua lampail itu mengalami masalah yang sama yaitu bertabrakan dengan debu antar bintang dan puing-puing yang bisa membuat lubang di layar dan menggagalkan semuanya. Itu kemungkinan yang sangat berbeda, tetapi dibatasi oleh beberapa pertimbangan.

Pertama: ruang besar. Ada banyak kepingan materi yang melayang-layang, tetapi tidak seperti di Bumi ini, di mana partikel di udara ada di mana-mana kita berpaling. Objek dalam ruang terpisah bermil-mil - sedikitnya 10 hingga jutaan, tetapi tetap bermil-mil. Kemungkinan memukul sesuatu - walaupun nyata - masih relatif jauh.

Kedua, layar ini secara khusus dirancang untuk tetap relatif kokoh di bawah kerusakan. Ambil Scout NEA, misalnya. NASA telah menguji seberapa baik lightsail-nya dapat mempertahankan integritas struktural bahkan jika dihantam dengan beberapa kepingan sampah di sana-sini. Selama tidak ada cedera bencana (seperti, katakanlah, asteroid seukuran Texas meluncur ke pesawat ruang angkasa), Scout NEA masih dapat bergerak maju dan bermanuver sendiri atas perintah dari NASA.

Nanokraft Starshot juga harus menghadapi masalah ini. Ailails mereka diperkirakan membentang ke sesuatu pada skala beberapa meter, sehingga mereka akan sangat kecil. Tetapi mereka hanya akan memiliki beberapa ratus atom, dan memiliki massa sekitar satu gram. Mereka cukup kecil untuk menghindari hampir semua jenis benda yang melayang melayang di luar angkasa - tetapi dalam peluang sial mereka tertabrak, seluruh pesawat ruang angkasa kemungkinan akan hancur. Dan kita tahu apa-apa tentang kandungan debu di Alpha Centauri.

Tapi ada satu masalah besar yang harus ditangani oleh nanocraft - tidak hancur selama peluncuran sinar. Layar diharapkan akan terkena sinar yang akan berjumlah sekitar 60 kali sinar matahari yang menghantam Bumi pada saat tertentu. Layar perlu tidak hanya mencegah pencairan, tetapi juga berhasil masuk ke ruang angkasa tanpa terkoyak oleh kekuatan atmosfer. Diperkirakan satu bagian dalam 100.000 laser akan lebih dari cukup untuk menguapkan layar. Ini belum pernah dilakukan sebelumnya. Tidak ada yang tahu berapa banyak pengujian yang harus dilakukan proyek Starshot sebelum mendapatkan bagian ini dengan benar.

Bagaimana cara kerja StarChip? Jenis data apa yang seharusnya dikumpulkan?

StarChips - dibangun dengan skala satu gram dan dapat pas di telapak tangan seseorang - tidak akan menjadi sistem canggih yang sesuatu seperti penjelajah Curiosity atau Teleskop Ruang Kepler telah membantu kami untuk mempelajari berbagai dunia di luar angkasa. Mereka akan sangat mendasar. Tujuannya adalah untuk menempelkan empat kamera (masing-masing dua megapiksel) pada chip yang akan memungkinkan untuk pencitraan yang sangat dasar dari Alpha Centauri dan berbagai planet dan bulan dari sistem.

Data itu akan dikirim kembali ke Bumi menggunakan antena sepanjang satu meter yang dapat ditarik, atau mungkin bahkan menggunakan lightsail untuk memfasilitasi komunikasi berbasis laser yang dapat memfokuskan sinyal kembali ke Bumi.

Tampaknya cukup standar. Apa yang seharusnya ditunjukkan gambar-gambar itu kepada kita?

Di situlah letak sesuatu yang tidak diketahui. Ketika para astronom menilai potensi dunia lain untuk dapat dihuni, mereka sedang melihat banyak data yang berbeda, mulai dari suhu planet, komposisi, jarak dari bintang inangnya, tanda-tanda atmosfer saat ini - dan banyak lagi. Banyak hal ini hanya dapat diukur melalui berbagai jenis kamera yang dapat melihat seluruh spektrum elektromagnetik. Nanocraft pada titik ini akan berjalan pada kamera tidak jauh berbeda dengan apa yang kita gunakan pada smartphone kita. Itu hampir tidak membantu untuk benar-benar memahami apakah sebuah planet atau bulan dapat menopang kehidupan apa pun, atau sudah menunjukkan tanda-tanda kehidupan.

Namun, ketika Anda mempertimbangkan tujuannya adalah untuk mengirim beberapa pesawat ruang angkasa kecil ke sistem yang jauh itu berganda tahun cahaya dalam waktu kurang dari dua dekade, Anda harus memotong biaya di suatu tempat.

Bahkan jika benda ini selamat dari perjalanan ke Alpha Centauri, bagaimana seharusnya hidup cukup lama untuk mengumpulkan data yang cukup berguna?

Umur panjang sangat penting untuk proyek Starshot. Kebutuhan nanocraft untuk tetap bertenaga selama beberapa dekade untuk benar-benar memanfaatkan potensi penelitian penuh mereka. Untuk tujuan ini, inisiatif Breakthrough mengusulkan sumber energi onboard berdasarkan plutonium-238 atau Americium-241, dengan berat tidak lebih dari 150 miligram.

Pada dasarnya, ketika plutonium atau Americium isotop meluruh, itu akan mengisi daya ultra-kapasitor yang mengaktifkan komponen StarChip yang diperlukan untuk mengambil gambar dan mengirimkannya kembali ke Bumi. Sumber energi termoelektrik juga dapat diimplementasikan untuk mengambil keuntungan dari naiknya suhu permukaan frontal nanocrafts saat ia mulai mendekati atmosfer dunia lain.

Fotovoltaik - mengubah sinar matahari menjadi energi - juga sedang dipertimbangkan. Salah satu prototipe layar matahari yang diuji oleh Jepang sekitar enam tahun yang lalu, IKAROS, melukis permukaan layar matahari dengan fotovoltaik. Ini tidak praktis ketika nanocraft akhirnya berhasil keluar dari batas tata surya, tetapi bisa berguna untuk durasi itu untuk menghemat lebih banyak daya baterai.

Pertanyaan besarnya adalah apakah Anda dapat menjaga agar bahan yang tidak mahal tersebut dapat bertahan lebih dari 20 hingga 50 tahun. Dalam skenario yang ideal, apa yang mungkin lebih mungkin terjadi adalah bahwa setiap nanocraft hanya akan diharapkan untuk mengumpulkan data untuk rentang waktu yang relatif singkat - sekitar beberapa bulan. Jika Milner dan kawan-kawan benar-benar bersandar pada produksi massal hal-hal ini, maka mereka seharusnya tidak memiliki masalah mengirimkan banyak ke setiap arah untuk mengeksplorasi sebanyak mungkin tentang Alpha Centauri. Mengharapkan masing-masing untuk beroperasi selama bertahun-tahun cukup tidak praktis jika kita tidak dapat secara langsung melakukan intervensi dan menggeser gerakan mereka ke arah yang baru.

Biaya

Tujuan Milner adalah membuat setiap nanocraft dengan biaya yang dibutuhkan untuk membangun iPhone. Setiap combo SmartChip dan lightsail harus tidak lebih dari beberapa ratus dolar - dan tujuannya adalah untuk terus menambahkan teknologi yang lebih baik karena mereka menjadi semakin murah selama bertahun-tahun.

Pada kenyataannya, bagian paling mahal (dan bisa dibilang paling tidak layak) dari proyek ini adalah berkas cahaya. Kami berbicara tentang 100 gigawatt daya selama dua menit untuk menembakkan benda sialan itu. Satu gigawatt dapat memberi daya 700.000 rumah. Jadi itu cukup untuk 70.000.000 rumah.

Itu cukup untuk memberi kekuatan agar beberapa negara kecil terus berkembang. Itu 100 kali jumlah yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga nuklir biasa. Sungguh membingungkan bahkan untuk membayangkan bagaimana mereka akan mengumpulkan energi sebanyak ini ke satu tempat untuk meluncurkan sekelompok nanocraft ke luar angkasa.

Total biaya dari satu lightbeam firing coud be, menurut seorang komentator di situs web Breakthrough, $ 70.000.

Ya, kita akan melihat tentang itu …