Was ist die stabilste Form für ein interstellares Lichtsegel?

2015 gründete der russische Milliardär Yuri Milner Breakthrough Initiatives mit der Absicht, die Suche nach außerirdischem Leben zu unterstützen. Seitdem hat die gemeinnützige Organisation, die von Stephen Hawking und Mark Zuckerberg unterstützt wird, eine Reihe fortgeschrittener Projekte angekündigt. Das ehrgeizigste davon ist wohl Project Starshot, eine interstellare Mission, die in nur 20 Jahren die Reise zum nächsten Stern antreten würde.

Bei diesem Konzept handelt es sich um ein ultraleichtes Nanotransplantat, das auf einem lasergesteuerten Segel basiert, um Geschwindigkeiten von bis zu 20% der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Damit eine solche Mission erfolgreich ist, müssen natürlich zuerst einige technische Herausforderungen angegangen werden. Laut einer aktuellen Studie eines Teams internationaler Forscher sind zwei der wichtigsten Themen die Form des Segels selbst und die Art des Lasers.

Zu den Forschern gehören Elena Popova vom Skobeltsyn-Institut für Kernphysik in Moskau; Messoud Efendiev vom Institut für Computational Biology (ICB) des Deutschen Forschungszentrums für Umweltgesundheit (GmbH); und Ildar Gabitov vom Skoltech-Zentrum für Photonik und Quantenmaterialien in Moskau. Sie kombinierten ihr Fachwissen und führten eine Studie durch, in der verschiedene Stabilitätsmodelle für diese vorgeschlagene Mission untersucht wurden.

Wie sie in ihrer Studie mit dem Titel „Über die Stabilität eines Raumfahrzeugs, das auf einem intensiven Laserstrahl fährt“ angeben, führte das Team Stabilitätssimulationen im Rahmen des Konzepts durch, wobei die Natur des waffelgroßen Fahrzeugs (auch bekannt als StarChip) berücksichtigt wurde. das Segel (auch bekannt als Lightsail) und die Art des Lasers selbst. Für diese Simulationen haben sie auch eine Reihe von Annahmen über das Design von Starshot berücksichtigt.

Dazu gehörte die Vorstellung, dass der StarChip ein starrer Körper sein würde (dh aus festem Material bestehen würde), dass das kreisförmige Segel entweder flach, kugelförmig oder konisch sein würde (dh eine konkave Form haben würde) und dass die Oberfläche des Segels das reflektieren würde Laserlicht. Darüber hinaus spielten sie mit mehreren Variationen des Designs und erzielten einige ziemlich aussagekräftige Ergebnisse.

Wie Dr. Elena Popova, die Hauptautorin des Papiers, dem Space Magazine per E-Mail mitteilte:

„Wir haben verschiedene Segelformen in Betracht gezogen: a) sphärisch (fällt bei kleinen Größen mit parabolisch zusammen) als am besten geeignet für die endgültige Konfiguration von Nanotransplantaten auf dem Weg; b) konisch; c) flach (am einfachsten) (wird als instabil angesehen, so dass selbst das Drehen des Fahrzeugs nicht hilft). “

Sie fanden heraus, dass die einfachste und stabilste Konfiguration ein Segel mit kugelförmiger Form beinhalten würde. Es würde auch erfordern, dass der StarChip in einem ausreichenden Abstand vom Segel angebunden wird, der länger als der Krümmungsradius des Segels selbst wäre.

"Für das Segel mit fast flacher Kegelform haben wir ähnliche Stabilitätsbedingungen erhalten", sagte Popova. „Das Nanocraft mit Flachsegel ist in jedem Fall instabil. Es entspricht einfach dem Fall eines unendlichen Krümmungsradius des Verkaufs. Daher gibt es keine Möglichkeit, den Schwerpunkt darüber hinaus auszudehnen. “

In Bezug auf den Laser wurde untersucht, wie sich die beiden Haupttypen auf die Stabilität auswirken würden. Dazu gehörten gleichmäßige Laser mit einer scharfen Grenze und „Gaußsche“ Strahlen, die durch eine hohe Intensität in der Mitte gekennzeichnet sind, die zu den Rändern hin schnell abnimmt. Wie Dr. Popova erklärte, stellten sie fest, dass ein einheitlicher Laser der richtige Weg ist, um Stabilität zu gewährleisten – und dass das Fahrzeug nicht im Weltraum verloren geht.

„Das Nanotransplantat, das durch intensiven Laserstrahldruck auf sein Lightsail angetrieben wird, reagiert empfindlich auf Drehmomente und Seitenkräfte, die auf die Oberfläche des Segels reagieren. Diese Kräfte beeinflussen die Ausrichtung und seitliche Verschiebung des Raumfahrzeugs und damit seine Dynamik. Bei Instabilität kann das Nanotransplantat sogar aus dem Bereich des Laserstrahls ausgestoßen werden. Die gefährlichsten Störungen in der Position des Nanotransplantats innerhalb des Strahls und seiner Ausrichtung relativ zur Strahlachse sind solche mit direkter Kopplung zwischen Rotation und Verschiebung („Spin-Orbit-Kopplung“). “

Letztendlich waren diese den Schlussfolgerungen von Professor Abraham Loeb und seinen Kollegen bei Starshot sehr ähnlich. Prof. Loeb ist nicht nur Frank B. Baird, Jr. Professor für Wissenschaft an der Harvard University, sondern auch Vorsitzender des Beirats der Breakthrough Foundation. In einer Studie mit dem Titel „Stabilität eines leichten Segels auf einem Laserstrahl“ (veröffentlicht am 29. September 2016) untersuchten auch sie, was für eine stabile Mission erforderlich ist.

Dies beinhaltete die Vorteile eines konischen gegenüber einem kugelförmigen Segel und eines einheitlichen gegenüber einem Gaußschen Strahl. Wie Prof. Loeb dem Space Magazine per E-Mail sagte:

„Wir haben festgestellt, dass ein fallschirmförmiges Segel, das auf einem Gaußschen Laserstrahl fährt, instabil ist. Wir zeigen in unserer Arbeit, dass ein Segel in Kugelform (wie ein großer Tischtennisball) auf einem Laserstrahl stabil fahren kann das ist wie ein Zylinder geformt (oder 3-4 Laser, die eine nahezu kreisförmige Beleuchtung erzeugen). “

In Bezug auf die Empfehlungen, dass der StarChip einen ausreichenden Abstand zum LightSail hat, sind Prof. Loeb und seine Kollegen anderer Meinung. "Sie argumentieren, dass Sie es stabil machen könnten, wenn Sie dem Segel ein Gewicht hinzufügen, das ausreichend gut vom Fallschirm getrennt ist." er sagte. "Selbst wenn dies zutrifft, ist unklar, ob ihr Vorschlag nützlich ist, da eine solche Konfiguration ziemlich kompliziert zu erstellen und zu starten ist."

Dies sind nur einige der technischen Herausforderungen, denen sich eine interstellare Mission gegenübersieht. Bereits im September wurde eine weitere Studie veröffentlicht, in der das Kollisionsrisiko und die möglichen Auswirkungen auf die Starshot-Mission untersucht wurden. In diesem Fall schlugen die Forscher vor, dass das Segel eine Abschirmschicht hat, um Stöße zu absorbieren, und dass das Laserarray verwendet werden sollte, um Schmutz auf dem Weg des LightSail zu beseitigen.

Diese Schlussfolgerungen spiegeln eine ähnliche Studie wider, die von Professor Phillip Lubin und seinen Kollegen erstellt wurde. Als Professor an der University of California in Santa Barbara (UCSB) ist Lubin auch einer der Hauptarchitekten des Projekts Starshot und der Kopf hinter dem von der NASA finanzierten Projekt Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploraiton (DEEP-IN) und dem Directed Energy Interstellar Studie.

Als Milner und das Wissenschaftsteam hinter Starshot (im April 2016) erstmals ihre Absicht bekannt gaben, ein interstellares Raumschiff zu bauen, stießen sie auf große Begeisterung und Skepsis. Verständlicherweise glaubten viele, dass eine solche Mission aufgrund der damit verbundenen Herausforderungen zu ehrgeizig sei. Mit jeder Herausforderung, die sowohl vom Starshot-Team als auch von externen Forschern angegangen wurde, hat sich die Missionsarchitektur weiterentwickelt.

Wenn keine ernsthaften Komplikationen auftreten, wird bei dieser Geschwindigkeit möglicherweise eine interstellare Mission innerhalb eines Jahrzehnts oder so stattfinden. Und abgesehen von Schluckauf in der Mission könnten wir Alpha Centauri oder Proxima b in unserem Leben aus nächster Nähe erkunden!

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