Femto-rymdfarkoster kan resa till Alpha Centauri

Förra året tillkännagav ett litet team av astronomer upptäckten av en jordliknande planet som kretsar kring den röda dvärgstjärnan Proxima Centauri, en av våra närmaste grannar i Alpha Centauri-systemet. Denna exoplanet, kallad Proxima Centauri b, sitter i den beboeliga zonen runt sin värd. Allt vatten där borde finnas i flytande form, vilket gör denna planet till en viktig kandidat i sökandet efter utomjordiskt liv.

Följaktligen har Proxima Centauri b skapat ett intensivt intresse. Det är cirka 40 biljoner kilometer från jorden, en sträcka ljus färdas på drygt fyra år. En rymdfarkost som färdas med ungefär en tiondel av ljusets hastighet skulle kunna göra resan om cirka 50 år.

Och det väcker en intressant fråga. Är det möjligt att bygga en rymdfarkost som vi kan skicka till Proxima Centauri inom de liv som människor lever idag?

Idag får vi ett slags svar, tack vare Andreas Heins och kompisars arbete vid Institute for Interstellar Studies i London, Storbritannien. instrument som skulle kunna göra rudimentära observationer av stjärnsystemet och skicka resultaten tillbaka till jorden. De kallar sin femto-rymdfarkost Andromeda-sonden och säger att den kan vara på väg till Proxima Centauri och dess systerstjärnor om bara några år.

Men det finns en varning. Medan vissa av de tekniker som krävs för denna resa är tillgängliga nu eller inom en snar framtid, är andra mycket mer spekulativa.

Den grundläggande designen är enkel. Andromeda-sonden är i huvudsak den soppade inre delen av en smartphonekamera. Den består av en svartvit 12 megapixelkamera, en lins, några tröghetssensorer och en magnetometer. Den har också ett kärnkraftsbatteri, rudimentär styrning och ett kommunikationssystem. Den totala massan av den föreslagna rymdfarkosten är 23 gram, säger Hein och co.

Och den drivs av laserljus. Tanken, en som flera andra har utforskat tidigare, är att förse Andromeda-sonden med ett lätt segel och accelerera den mot Proxima Centauri på spetsen av en enormt kraftfull laserstråle. Denna laser kommer att sitta i jordens omloppsbana med en kontinuerlig uteffekt på 15 gigawatt.

Hein och co ger en grundlig genomgång av de tekniska utmaningarna som är involverade i att bygga en sådan rymdfarkost (om inte lasersystemet).

En av de mest kritiska utmaningarna är rymdnavigering. Mycket av sondens navigeringsnoggrannhet beror på laserns peknoggrannhet. Teamet säger att nanoradian noggrannhet skulle göra susen och att flera nuvarande rymdfarkoster har liknande krav. James Webb-teleskopet har till exempel en peknoggrannhet på 24 nanoradianer.

Men rymdfarkosten kommer fortfarande att behöva göra mindre justeringar då och då. Och detta kommer bara att vara möjligt om den vet var den är med hög noggrannhet. Detta skulle kunna göras med hjälp av den inbyggda kameran och tröghetssensorer för stjärnspårning, men det är fortfarande en utmanande uppgift.

Rymdfarkosten måste också orientera sig och spåra föremål exakt. När den färdas med 0,1 ljushastighet kommer rymdfarkosten att passera genom Proxima Centauri-systemet om cirka sex dagar. Under den tiden kommer den att behöva ta så många fotografier och andra observationer som den kan hantera.

Så rymdfarkosten måste spåra sina mål och peka på dem med hög noggrannhet, annars blir bilderna värdelösa. Och det kommer att behöva göra detta självständigt, eftersom den åttaåriga tiden för kommunikation sätter allvarliga begränsningar för vilken hjälp markkontroll kan ge.

Hein och co identifierar olika sätt att peka rymdfarkosten och ändra dess orientering. Avgörande är att flera av dessa inte kräver interna strömkällor. En idé är att ändra reflektansen hos delar av ljusseglet så att lasern utövar en ojämn kraft som gör att den svänger.

En annan, mer krafthungrig idé är att flytta en massa på en stråle, vilket får rymdfarkosten att rotera. Men lagets favorit är att förse seglet med rörliga klaffar som kan generera vridmoment och därmed vända rymdfarkosten.

Ett av problemen med interstellära resor är risken att träffa en dammpartikel. Vid en tiondels ljushastighet kan en sådan kollision förånga rymdfarkosten. Så Hein och co planerar att täcka sonden med en grafen Whipple-sköld som består av flera lager utformade för att bryta isär alla partiklar när de passerar genom lagren och därigenom sprida sin energi.

Risken för förstörelse väcker en annan intressant idé – att skicka en svärm av rymdskepp. Det ökar redundansen för uppdraget och datainsamlingsförmågan. Den utnyttjar också laserstrålen bättre, som kommer att spridas ut, så att mycket av energin går förlorad. Av dessa skäl är en svärm av femto-rymdskepp vettig.

Sedan finns det kommunikationssystemet med jorden, som måste kunna skicka hem vilka bilder rymdfarkosten än tar. Med kraft till en premie, och på avstånd på flera ljusår, kommer det sannolikt att ta betydande tid.

Men det kan förbättras på olika sätt. En idé är att sätta upp ett databeroendesystem genom att skicka femto-rymdfarkoster vid olika tidpunkter för att fånga upp signalerna och föra dem vidare. En annan är att använda solens gravitationsfält som en lins för att fokusera signaler från Proxima Centauri. Det skulle innebära att placera en rymdfarkost bakom vår sol i direkt linje med målet, en annan svår och dyr uppgift.

Kraften ombord är lite mer okomplicerad. Det här måste vara ett kärnkraftsbatteri av något slag. Detta genererar värme när dess radioaktiva innehåll sönderfaller och är en av få komponenter som ligger väl inom moderna tekniska gränser.

Slutligen är det den knepiga frågan om hur mycket allt detta skulle kosta och när ett sådant uppdrag skulle kunna skickas. Hein och co nöjer sig med den anmärkningsvärda siffran på 11 miljoner dollar av utvecklingskostnaderna för den första rymdfarkosten. Det verkar ambitiöst, även om det bara är för rymdfarkosten.

Den tar inte heller hänsyn till de mycket mer betydande kostnaderna för att utveckla och lansera ett laserframdrivningssystem av gigantiska proportioner. En 15 GW laser är en betydande best. Det är ungefär en storleksordning mer kraft än kapaciteten i Three Gorges Dam i Kina, för närvarande världens mest kraftfulla kraftverk.

Även om en del av teknikerna bakom denna idé verkar möjliga på kort till medellång sikt, finns det flera som inte är det, särskilt laserframdrivningssystemet. Inte heller kostnaderna eller tidtabellen verkar helt förankrade i den verkliga världen.

Ändå säger Hein och co att deras rapport antar ett lanseringsdatum någonstans mellan 2025 och 2035.

Den kanske viktigaste bristen i detta uppdrag är den vetenskapliga vinsten. Löftet här är några smartphonebilder av Proxima Centauri eller dess systerstjärnor i Alpha Centauri-systemet.

Det finns en stor sannolikhet att dessa bilder inte kommer att vara av hög kvalitet och kanske inte visar någonting alls, allra minst Proxima Centauri b. Med all sannolikhet kommer vi förmodligen att kunna ta bättre bilder av denna exoplanet snabbare med hjälp av rymdteleskop i vårt eget solsystem, som till exempel James Webb-teleskopet.

Men det är för att ta bort äventyrsandan i det här uppdraget. Och det är därför det vore oklokt att utesluta det.

En ny rymdkapplöpning håller på att värmas upp när privata rymdföretag slåss om tillgången till omloppsbana. De mål som är tydligast i deras sikte är: att skicka människor i omloppsbana, skicka dem runt månen, närliggande asteroider och kanske på dem. Bortom det finns Mars.

Men för ett blivande rymdföretag som vill göra sig ett namn kan Proxima Centauri och dess systerstjärnor komma med ett utmanande förslag. Hein och co håller säkert tummarna.

Ref: arxiv.org/abs/1708.03556 : The Andromeda Study: A Femto-Spacecraft Mission to Alpha Centauri

Dölj