Межзвездные путешествия будут возможны раньше, чем вы думаете
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.
Готовы к путешествию?
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.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
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.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Затраты на запуск
Это поможет решить многие трудности.
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.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
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 и их применение
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 в космосе
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 в космосе
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 перед полетом
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
Как далеко от Земли люди могут путешествовать в космос?
По состоянию на 2021 год американцы Джеймс Ловелл, Фред Хейз и Джон Свигерт — трое людей, которые путешествовали дальше всего от Земли во время миссии Аполлона-13. Когда они летели за Луной, они находились в 400 171 километре от поверхности Земли. Свету требуется 1,335 секунды, чтобы преодолеть это расстояние.
Многие из нас определенно мечтали полететь к звездам или, по крайней мере, исследовать Солнечную систему. Возможность сделать это безопасно все еще немного недостижима, но мы, безусловно, продвигаемся все дальше и дальше в сторону от комфорта и безопасности нашей собственной планеты.
Сможем ли мы достичь других планет? Скорее всего. А как насчет других звезд? Возможно, когда-нибудь. А как насчет конца вселенной? На самом деле существует способ, который не требует никаких научно-фантастических решений (или, по крайней мере, ничего, кроме известной нам физики).
Давайте посмотрим на технологии, которые нам нужны, чтобы отправиться дальше в космос.
Луна, Марс и не только
Если наша цель — исследовать Солнечную систему, у нас уже есть много технологий. Уже используются мощные ракеты, и разрабатываются транспортные средства с экипажем, чтобы доставлять людей на Луну и дальше, но есть много опасений.
Чем дальше мы от Земли, тем большую дозу космического излучения получаем. Сильное магнитное поле нашей планеты защищает от его значительной части. Что защищает вас, когда вы отправляетесь в глубокий космос? Исследователи фактически протестировали решение. Обнаруженные в Чернобыле грибы выживают за счет радиации, и однажды их можно будет использовать в качестве живой системы защиты космических кораблей и мест обитания людей.
Путешествия также заняли бы много месяцев – если не лет – и есть много разговоров о поездках в один конец. В общем, везде в Солнечной системе чрезвычайно опасная среда, которая легко может нас убить. Хотя мы можем достичь его, это не значит, что мы можем процветать там. А так же большинство медицинских вмешательств в космосе может быть чрезвычайно сложно выполнить.
Также существует вероятность того, что где-то поблизости существует инопланетная жизнь, поэтому нам нужно обсудить, как наше присутствие там может поставить под угрозу потенциальные организмы, живущие за пределами Земли.
Ad astra — к звездам
Если вы думаете, что все проблемы «локальных» космических путешествий можно решить (давайте пока поверим в это), возможно, вы хотите обратить свое внимание на звезды. Может ли человечество отправиться в другую звездную систему?
Человечество — может быть. Отдельный человек — не совсем. Возьмем Проксиму Центавра, ближайшую к Солнцу звезду. Чтобы добраться туда, потребуется чуть больше четырех лет, двигаясь со скоростью света. Если бы мы достигли скорости самого быстрого космического корабля в истории (солнечный зонд НАСА Parker Solar Probe в его наиболее близком приближении к Солнцу), то нам потребовалось бы почти 8 400 лет, чтобы добраться туда. И это без замедления, чтобы остановить корабль.
Есть предложения отправить туда роботизированные исследования. Миниатюрные корабли могли бы добраться туда всего за несколько десятилетий, а более крупные атомные — за несколько сотен лет. Они очень увлекательны, но не подходят для людей. И даже если бы они были, человек всё равно остается в стороне.
Решением этой проблемы может быть корабль поколений. Первое поколение покинет нашу планету, а их потомки достигнут звезды. Очевидно, мы должны задаться вопросом, зачем кому-то начинать это путешествие. Но не менее важно обсудить этическое и психологическое состояние, в котором могут находиться промежуточные поколения, эти межзвездные средние дети. Заинтересованы ли они в продолжении движения к тому, чего они никогда не увидят?
Приближаясь к скорости света
Можем ли мы сделать это быстрее? И сможем ли мы достичь ближайших галактик? Ну хоть в принципе да. Вам понадобится релятивистская ракета . Это позволило бы горстке людей преодолевать невероятные расстояния, и для этого не требуется ничего, кроме нашего нынешнего понимания физики.
Вам нужна ракета, которая развивает скорость около 9,81 метра в секунду в квадрате. Это среднее нормальное для Земли притяжение, поэтому люди в космическом корабле будут чувствовать, что они просто стоят на поверхности нашей планеты. Такое ускорение быстро привело бы космический корабль к релятивистской скорости, и здесь происходит очень полезное явление: замедление времени.
Приближаясь к скорости света, время на космическом корабле замедляется. Эта причуда физики была популяризирована в парадоксе близнецов, и в этой релятивистской ракете вы — близнец, который улетает и не стареет.
Часы снаружи все еще тикают. Итак, вы могли бы достичь Проксимы Центавра за 4,3 года, но на борту это будет примерно 3,6 года. Если бы вы вместо этого захотели отправиться на Вегу (27 световых лет), вы бы почувствовали это время как 6,6 лет. Чем дальше вы идете, тем ближе вы будете к скорости света и тем медленнее будет протекать время.
Путешествие на край Вселенной
Таким образом, вы могли бы добраться до центра Млечного Пути за 20 лет или до Галактики Андромеды, находящейся на расстоянии более двух миллионов световых лет от нас, всего за 28. Очевидно, что на Земле прошло бы два миллиона лет.
Но есть ли предел тому, как далеко мы можем зайти? Да. Вселенная расширяется, и это расширение ускоряется. Пространство между галактиками (если они не расположены очень близко) с каждой секундой становится все шире и шире. И чем дальше во Вселенной находятся две вещи, тем быстрее они удаляются друг от друга.
Есть галактики, которые мы видим в небе, и которых мы больше не можем достичь, потому что единственный способ сделать это — двигаться быстрее скорости света, чтобы компенсировать расширение Вселенной. Эта граница называется космологическим горизонтом , и ее точный размер зависит от правильной формулы для описания Вселенной… работа над которой в настоящее время продолжается.
Тем не менее, достичь этого рубежа можно через несколько десятилетий. Пустая, холодная и немаркированная граница вселенной. Так почему у нас нет такой ракеты? Что ж, причина в топливе. Чтобы поддерживать такое постоянное ускорение, требуется огромное количество топлива. Даже вообразив чрезвычайно эффективную реакцию (которой у нас нет), вы должны взять с собой очень много топлива. Количество топлива размером с планету.
Мораль этой истории заключается в том, что космические путешествия, насколько мы сейчас понимаем, сложны. У нас очень много проблем, будь то технические, физические, физиологические, психологические или этические. То, как мы к ним подходим, может иметь решающее значение.
Источник