Breakthrough Starshot es un proyecto de investigación e ingeniería de Breakthrough Initiatives para desarrollar una flota de prueba de concepto de sondas interestelares con velas ligeras denominadas Starchip [1] , capaces de realizar el viaje al sistema estelar Alpha Centauri a 4,34 años luz de distancia. Fue fundado en 2016 por Yuri Milner , Stephen Hawking y Mark Zuckerberg . [2] [3]
Se ha propuesto una misión de sobrevuelo a Próxima Centauri b , un exoplaneta del tamaño de la Tierra en la zona habitable de su estrella anfitriona, Próxima Centauri , en el sistema Alfa Centauri. [4] A una velocidad de entre el 15% y el 20% de la velocidad de la luz , [5] [6] [7] [8] se necesitarían entre 20 y 30 años para completar el viaje, y aproximadamente 4 años para un mensaje de regreso de la nave espacial a la Tierra.
Los principios conceptuales para hacer posible este proyecto de viaje interestelar fueron descritos en "A Roadmap to Interstellar Flight", de Philip Lubin de la UC Santa Barbara . [9] [10] El envío de la nave espacial liviana implica un conjunto en fase de varios kilómetros de láseres orientables por haz con una potencia de salida coherente combinada de hasta 100 GW . [11]
El proyecto fue anunciado el 12 de abril de 2016 en un evento celebrado en la ciudad de Nueva York por el físico y capitalista de riesgo Yuri Milner , junto con el cosmólogo Stephen Hawking , que se desempeñaba como miembro de la junta directiva de las iniciativas. Otros miembros de la junta incluyen al director ejecutivo de Facebook, Inc. (ahora conocida como Meta Platforms ) , Mark Zuckerberg . El proyecto tiene una financiación inicial de 100 millones de dólares. Milner estima que el costo final de la misión es de 5 a 10 mil millones de dólares, y estima que la primera nave podría lanzarse alrededor de 2036. [6] Pete Worden es el director ejecutivo del proyecto y el profesor de Harvard Avi Loeb preside el consejo asesor del proyecto. [12]
El programa Breakthrough Starshot tiene como objetivo demostrar una prueba de concepto para una nanonave espacial ultrarrápida impulsada por la luz y sentar las bases para un primer lanzamiento a Alpha Centauri dentro de la próxima generación. [13] La nave espacial haría un sobrevuelo, y posiblemente tomaría fotografías, de cualquier mundo similar a la Tierra que pudiera existir en el sistema. Los objetivos secundarios son la exploración del Sistema Solar y la detección de asteroides que crucen la Tierra . [14]
El Observatorio Europeo Austral (ESO) anunció en agosto de 2016 la detección de un planeta orbitando alrededor de la tercera estrella del sistema Alpha Centauri, Próxima Centauri. [15] [16] El planeta, llamado Próxima Centauri b , orbita dentro de la zona habitable de su estrella. Podría ser un objetivo para uno de los proyectos de Breakthrough Initiatives.
En enero de 2017, Breakthrough Initiatives y el Observatorio Europeo Austral comenzaron a colaborar para buscar planetas habitables en el cercano sistema estelar Alpha Centauri. [17] [18] El acuerdo implica que Breakthrough Initiatives proporcione fondos para una actualización del instrumento VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared) en el Very Large Telescope (VLT) de ESO en Chile . Esta actualización aumentará la probabilidad de detección de planetas en el sistema.
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El concepto Starshot prevé el lanzamiento de una " nave nodriza " que transporte alrededor de mil naves espaciales diminutas (en la escala de centímetros) a una órbita terrestre de gran altitud para su despliegue. Luego, un conjunto en fase de láseres terrestres enfocaría un haz de luz en las velas de estas naves espaciales para acelerarlas una por una hasta la velocidad objetivo en 10 minutos, con una aceleración promedio del orden de 100 km/s2 ( 10 000 ɡ ) y una energía de iluminación del orden de 1 TJ entregada a cada vela. Se sugiere que un modelo de vela preliminar tenga una superficie de 4 m × 4 m. [19] [20] Una presentación de octubre de 2017 del modelo del sistema Starshot [21] [22] examinó velas circulares y descubrió que el costo de capital del director del haz se minimiza al tener un diámetro de vela de 5 metros.
El planeta Proxima Centauri b, del tamaño de la Tierra, se encuentra dentro de la zona habitable del sistema Alpha Centauri . Lo ideal sería que la sonda Breakthrough Starshot apuntara su nave espacial a una unidad astronómica (150 millones de kilómetros o 93 millones de millas) de ese mundo. Desde esta distancia, las cámaras de la sonda podrían capturar una imagen con una resolución lo suficientemente alta como para resolver las características de la superficie. [23]
La flota estaría compuesta por unas 1000 naves espaciales. Cada una de ellas, denominada StarChip, sería un vehículo muy pequeño, de un centímetro de tamaño y unos pocos gramos de peso. [1] Serían propulsadas por un conjunto de láseres terrestres de 10 kW de un kilómetro cuadrado con una potencia combinada de hasta 100 GW. [24] [25] Un enjambre de unas 1000 unidades compensaría las pérdidas causadas por las colisiones de polvo interestelar en el camino hacia el objetivo. [24] [26] En un estudio detallado de 2016, Thiem Hoang y coautores [27] descubrieron que mitigar las colisiones con polvo , hidrógeno y rayos cósmicos galácticos puede no ser un problema de ingeniería tan grave como se pensaba en un principio, aunque probablemente limitará la calidad de los sensores a bordo. [28]
La propulsión ligera requiere una enorme potencia: un láser con un gigavatio de potencia (aproximadamente la salida de una gran planta nuclear) proporcionaría solo unos pocos newtons de empuje . [25] La nave espacial compensará el bajo empuje al tener una masa de solo unos pocos gramos. La cámara, la computadora, el láser de comunicaciones, una fuente de energía nuclear y la vela solar deben miniaturizarse para ajustarse a un límite de masa. [25] [29] Todos los componentes deben estar diseñados para soportar una aceleración extrema , frío, vacío y protones. [26] La nave espacial tendrá que sobrevivir a colisiones con polvo espacial ; Starshot espera que cada centímetro cuadrado de sección transversal frontal colisione a alta velocidad con alrededor de mil partículas de tamaño de al menos 0,1 μm. [25] [30] Enfocar un conjunto de láseres que suman cien gigavatios en la vela solar será difícil debido a la turbulencia atmosférica , por lo que existe la sugerencia de utilizar una infraestructura láser basada en el espacio. [31] Además, debido al tamaño de la vela de luz y la distancia que la vela de luz estará del láser al final de la aceleración, se requeriría una óptica de combinación coherente muy grande para enfocar el láser. [32] [33] El límite de difracción de la luz láser utilizada establece el diámetro mínimo del haz láser enfocado coherentemente en la fuente. Por ejemplo, para acelerar la vela de 4 m mencionada anteriormente a 10 000 Gs a 0,2 c se requieren ópticas de combinación que tienen aproximadamente 3 kilómetros de diámetro para enfocar la luz láser en la vela. Esto podría implementarse utilizando un sistema de matriz en fase que se está investigando en la Universidad de California en Santa Bárbara. [34] [35] Según The Economist , al menos una docena de tecnologías listas para usar necesitarán mejorar en órdenes de magnitud . [25]
StarChip es el nombre utilizado por Breakthrough Initiatives para una nave espacial interestelar muy pequeña, de tamaño centimétrico y a escala de gramos, concebida para el programa Breakthrough Starshot, [1] [36] una misión propuesta para propulsar una flota de mil StarChips en un viaje a Alpha Centauri , el sistema estelar más cercano , a unos 4,37 años luz de la Tierra . [37] [6] [ 38] [5] [39] [40] El viaje puede incluir un sobrevuelo de Proxima Centauri b , un exoplaneta del tamaño de la Tierra que se encuentra en la zona habitable de su estrella anfitriona. [4] Las nanonaves robóticas ultraligeras StarChip , equipadas con velas ligeras , están planificadas para viajar a velocidades del 20% [1] [6] [38] [5] y el 15% [5] de la velocidad de la luz , tardando entre 20 y 30 años en alcanzar el sistema estelar, respectivamente, y unos 4 años en notificar a la Tierra una llegada exitosa. [6] Los principios conceptuales para permitir el viaje interestelar práctico fueron descritos en "A Roadmap to Interstellar Flight", por Philip Lubin de la UC Santa Barbara , [9] quien es asesor del proyecto Starshot.
En julio de 2017, los científicos anunciaron que los precursores de StarChip , llamados Sprites, fueron lanzados y volados con éxito a través del Vehículo de Lanzamiento de Satélites Polares por ISRO desde el Centro Espacial Satish Dhawan . [41] 105 Sprites también fueron volados a la ISS en la misión KickSat -2 que se lanzó el 17 de noviembre de 2018, desde donde se desplegaron el 18 de marzo de 2019. Transmitieron datos con éxito antes de reingresar a la atmósfera y quemarse el 21 de marzo. [42] [43] [44] [45]
Se espera que cada nanonave StarChip lleve cámaras miniaturizadas, equipo de navegación, equipo de comunicación, propulsores de fotones y una fuente de alimentación. Además, cada nanonave estaría equipada con una vela ligera de escala métrica , hecha de materiales livianos, con una masa de escala de gramos. [1] [36] [37] [6] [39] [40] [46] [47]
Se prevén cinco cámaras digitales de escala subgramo , cada una con una resolución mínima de 2 megapíxeles . [1] [48]
Se planean cuatro procesadores a escala de subgramos . [39] [49]
Se planean cuatro propulsores de fotones a escala de subgramos, cada uno de ellos mínimamente capaz de funcionar a un nivel de láser de diodo de 1 W. [36] [50] [51]
Se planea una batería atómica de 150 mg , alimentada por plutonio-238 o americio-241 . [6] [40] [52]
Está previsto un recubrimiento, posiblemente hecho de cobre-berilio , para proteger la nanonave de las colisiones de polvo y la erosión de partículas atómicas . [40] [53]
Se prevé que la vela ligera no sea más grande que 4 por 4 metros (13 por 13 pies), [1] [54] posiblemente de material compuesto a base de grafeno . [1] [37] [6] [40] [47] [55] El material tendría que ser muy delgado y capaz de reflejar el rayo láser mientras absorbe solo una pequeña fracción de la energía incidente, o vaporizará la vela. [1] [6] [56] La vela ligera también puede duplicarse como fuente de energía durante el crucero, porque las colisiones con átomos del medio interestelar proporcionarían 60 vatios / m 2 de energía. [52]
Un comunicador láser, que utiliza la vela de luz como reflector principal, sería capaz de transmitir datos a velocidades de 2,6 a 15 baudios por vatio de potencia a la distancia de Alfa Centauri, suponiendo un telescopio receptor de 30 m de diámetro en la Tierra. [57]
El proyecto Starshot está destinado a misiones de sobrevuelo, que pasan por el objetivo a alta velocidad. Heller et al. [58] propusieron que se podría utilizar una asistencia fotogravitacional para frenar una sonda de este tipo y permitirle entrar en órbita (utilizando la presión de los fotones en maniobras similares al aerofrenado ). Esto requiere una vela que sea a la vez mucho más ligera y mucho más grande que la vela Starshot propuesta. La siguiente tabla enumera posibles estrellas objetivo para el encuentro con asistencia fotogravitacional. [58] Los tiempos de viaje son los tiempos calculados para que una nave espacial optimizada viaje a la estrella y luego entre en órbita alrededor de ella.
El físico alemán Claudius Gros ha propuesto que la tecnología de la iniciativa Breakthrough Starshot se pueda utilizar en un segundo paso para establecer una biosfera de microbios unicelulares en exoplanetas que de otro modo sólo serían transitoriamente habitables . [59] [60] Una sonda Genesis viajaría a velocidades más bajas, a una velocidad del 4,6% de la velocidad de la luz, lo que tardaría al menos 90 años en llegar a Alpha Centauri A. La vela podría configurarse de modo que la presión estelar de Alpha Centauri A frene y desvíe la sonda hacia Alpha Centauri B, donde llegaría después de unos días. Luego, la vela se desaceleraría nuevamente al 0,4% de la velocidad de la luz y se catapultaría hacia Proxima Centauri. A esa velocidad llegará allí después de otros 46 años, aproximadamente 140 años después de su lanzamiento. Por lo tanto, podría desacelerarse utilizando una vela magnética . [61]
La NASA se complace en saber que el profesor Lubin ha recibido financiación externa para continuar el trabajo iniciado en su estudio NIAC.
