Breakthrough Starshot es un proyecto de investigación e ingeniería de Breakthrough Initiatives para desarrollar una flota de prueba de concepto de sondas interestelares de vela ligera llamada Starchip , [1] para ser capaz de realizar el viaje al sistema estelar Alpha Centauri a 4,34 años luz de distancia. . Fue fundada en 2016 por Yuri Milner , Stephen Hawking y Mark Zuckerberg . [2] [3]
Se ha propuesto una misión de sobrevuelo a Proxima Centauri b , un exoplaneta del tamaño de la Tierra en la zona habitable de su estrella anfitriona, Proxima Centauri , en el sistema Alpha Centauri. [4] A una velocidad entre el 15% y el 20% de la velocidad de la luz , [5] [6] [7] [8] tardaría entre 20 y 30 años en completar el viaje, y aproximadamente 4 años en el regreso mensaje de la nave estelar a la Tierra.
Los principios conceptuales para permitir este proyecto de viaje interestelar fueron descritos en "A Roadmap to Interstellar Flight", por Philip Lubin de UC Santa Barbara . [9] [10] El envío de la nave espacial liviana implica un conjunto en fases 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 Meta Platforms (entonces conocido como Facebook, Inc.), Mark Zuckerberg . El proyecto cuenta con una financiación inicial de 100 millones de dólares. Milner sitúa el coste final de la misión entre 5.000 y 10.000 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 luz y sentar las bases para un primer lanzamiento a Alpha Centauri dentro de la próxima generación. [13] La nave espacial sobrevolaría y posiblemente fotografiaría 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 cruzan la Tierra . [14]
El Observatorio Europeo Austral (ESO) anunció la detección de un planeta orbitando la tercera estrella del sistema Alpha Centauri, Proxima Centauri, en agosto de 2016. [15] [16] El planeta, llamado Proxima 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 iniciativas innovadoras que proporcionan financiación 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 transportará alrededor de mil pequeñas naves espaciales (en la escala de centímetros) a una órbita terrestre de gran altitud para su despliegue. Luego, una serie de láseres terrestres en fases enfocaría un haz de luz sobre 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/s 2 (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 descubre que el costo de capital del director de haz se minimiza al tener un diámetro de vela de 5 metros.
El planeta Próxima Centauri b, del tamaño de la Tierra, se encuentra dentro de la zona habitable del sistema Alpha Centauri . Idealmente, Breakthrough Starshot apuntaría su nave espacial dentro de una unidad astronómica (150 millones de kilómetros o 93 millones de millas) de ese mundo. Desde esta distancia, las cámaras de una nave podrían capturar una imagen de resolución suficientemente alta para resolver las características de la superficie. [23]
La flota contaría con unas 1.000 naves espaciales. Cada uno de ellos, denominado StarChip, sería un vehículo de muy pequeño tamaño, de un centímetro y con un peso de unos pocos gramos. [1] Serían propulsados por un conjunto de kilómetros cuadrados de láseres terrestres de 10 kW con una potencia combinada de hasta 100 GW. [24] [25] Un enjambre de aproximadamente 1000 unidades compensaría las pérdidas causadas por las colisiones de polvo interestelar en el camino hacia el objetivo. [24] [26] En un estudio detallado realizado en 2016, Thiem Hoang y sus 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 pensó inicialmente, aunque probablemente lo será. limitar la calidad de los sensores a bordo. [28]
La propulsión ligera requiere una potencia enorme: un láser con un gigavatio de potencia (aproximadamente la potencia de una gran central nuclear) proporcionaría sólo unos pocos newtons de empuje . [25] La nave espacial compensará el bajo empuje teniendo una masa de sólo unos pocos gramos. La cámara, la computadora, el láser de comunicaciones, una fuente de energía nuclear y la vela solar deben miniaturizarse para que quepan dentro de un límite de masa. [25] [29] Todos los componentes deben estar diseñados para soportar aceleraciones extremas , 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 gran velocidad con alrededor de mil partículas de un tamaño de al menos 0,1 μm. [25] [30] Enfocar un conjunto de láseres por un total de cien gigavatios en la vela solar será difícil debido a la turbulencia atmosférica , por lo que se sugiere utilizar una infraestructura láser basada en el espacio. [31] Además, debido al tamaño de la vela de luz y a la distancia a la que estará la vela de luz del láser al final de la aceleración, se requerirían ópticas de combinación coherentes muy grandes para enfocar el láser. [32] [33] El límite de difracción de la luz láser utilizada establece el diámetro mínimo del rayo láser enfocado coherentemente en la fuente. Por ejemplo, para acelerar la vela de 4 m mencionada anteriormente a 10.000 Gs y 0,2 c se requiere combinar ópticas de 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 disponibles deberán mejorar en órdenes de magnitud . [25]
StarChip es el nombre utilizado por Breakthrough Initiatives para una nave espacial interestelar muy pequeña, de un centímetro y de escala de gramos, prevista para el programa Breakthrough Starshot, [1] [36] una misión propuesta para impulsar una flota de mil Starchips en un viaje. a Alfa 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] Está previsto que las nanonaves robóticas ultraligeras StarChip , equipadas con velas ligeras , viajen a velocidades del 20% [1] [6] [38] [5] y del 15% [5] de la velocidad de la luz , tomando entre 20 y 30 años para llegar al sistema estelar, respectivamente, y unos 4 años para notificar a la Tierra de una llegada exitosa. [6] Los principios conceptuales para permitir viajes interestelares prácticos fueron descritos en "A Roadmap to Interstellar Flight", por Philip Lubin de UC Santa Barbara , [9] quien es asesor del proyecto Starshot.
En julio de 2017, los científicos anunciaron que ISRO lanzó con éxito los precursores de Spaceprobe, llamados Sprites, y los hizo volar a través del vehículo de lanzamiento de satélites polares desde el Centro Espacial Satish Dhawan . [41] También volaron 105 Sprites a la ISS en la misión KickSat -2 que se lanzó el 17 de noviembre de 2018, desde donde fueron desplegados el 18 de marzo de 2019. Transmitieron datos con éxito antes de volver a entrar en la atmósfera y quemarse el 21 de marzo. [42] [43] [44] [45]
Se espera que cada nanonave Spaceprobe lleve cámaras miniaturizadas, equipos de navegación, equipos de comunicación, propulsores de fotones y una fuente de alimentación. Además, cada nanonave estaría equipada con una vela ligera de escala de un metro , fabricada con materiales ligeros y con una masa de escala de gramos. [1] [36] [37] [6] [39] [40] [46] [47]
Se prevén cinco cámaras digitales a escala de subgramas , cada una con una resolución mínima de 2 megapíxeles . [1] [48]
Están previstos cuatro procesadores de escala de subgramas . [39] [49]
Están previstos cuatro propulsores de fotones a escala de subgrama, cada uno de ellos con una capacidad mínima de funcionar a un nivel de láser de diodo de 1 W. [36] [50] [51]
Está prevista una batería atómica de 150 mg , alimentada por plutonio-238 o americio-241 . [6] [40] [52]
Está previsto utilizar un revestimiento, posiblemente 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 mida más de 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 poder reflejar el rayo láser mientras absorbe solo una pequeña fracción de la energía incidente, o vaporizará el navegar. [1] [6] [56] La vela ligera también puede funcionar como fuente de energía durante el crucero, porque las colisiones con átomos del medio interestelar producirían 60 vatios/m 2 de energía. [52]
Un comunicador láser, que utilice la vela luminosa como reflector primario, sería capaz de transmitir velocidades de datos de 2,6 a 15 baudios por vatio de potencia transmitida a la distancia de Alfa Centauri, suponiendo un telescopio receptor de 30 m de diámetro en la Tierra. [57]
El proyecto Starshot es para 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 dicha sonda y permitirle entrar en órbita (utilizando presión de fotones en maniobras similares al aerofrenado ). Esto requiere una vela que sea mucho más ligera y mucho más grande que la vela Starshot propuesta. La siguiente tabla enumera posibles estrellas objetivo para el encuentro de asistencia fotogravitacional. [58] Los tiempos de viaje son los tiempos calculados para que una nave espacial optimizada viaje hasta la estrella y luego entre en órbita alrededor de la estrella.
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 Génesis 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 Alfa Centauri A. La vela podría configurarse para que la presión estelar de Alfa Centauri A frena y desvía la sonda hacia Alfa Centauri B, donde llegaría al cabo de unos días. Luego, la vela se reduciría nuevamente al 0,4% de la velocidad de la luz y se catapultaría hacia Próxima Centauri. A esa velocidad llegará allí después de otros 46 años, unos 140 años después de su lanzamiento. Por tanto, podría desacelerarse mediante 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.
