Queste sono le avventure dello "StarChip Wafersize".

Studenti della UC Santa Barbara inviati, tramite palloncino, un prototipo di navicella spaziale in miniatura che potrebbe alla fine diventare il "wafercraft" che i ricercatori ipotizzano potrebbe essere azionato da laser per raggiungere viaggi spaziali a velocità relativistiche per raggiungere sistemi stellari ed esopianeti vicini.

Così inizia un viaggio, finanziato dalla NASA e da diverse fondazioni private, che un giorno potrebbe portare a un viaggio interstellare.

"Fa parte di un processo di costruzione del futuro, e lungo la strada si testa ogni parte del sistema per perfezionarlo, " ha affermato Philip Lubin, professore di fisica e cosmologo sperimentale all'Università di Santa Barbara. "Fa parte di un programma a lungo termine per lo sviluppo di veicoli spaziali in miniatura per il volo interplanetario e infine per il volo interstellare".

Il prototipo di navicella spaziale in scala di wafer (WSS) è abbastanza piccolo da stare nel palmo di una mano. È stato lanciato nella stratosfera sopra la Pennsylvania, a quota 105, 000 piedi (32 km), tre volte quella degli aerei commerciali, per valutarne la funzionalità e le prestazioni.

Il lancio è stato condotto in collaborazione con l'Accademia Navale degli Stati Uniti ad Annapolis il 12 aprile, 2019-58 anni dal giorno in cui il cosmonauta e pilota russo Yuri Gagarin è diventato il primo essere umano a completare il volo spaziale orbitale.

"È stato progettato per avere molte delle funzioni di veicoli spaziali molto più grandi, come l'imaging, trasmissione dati, comprese le comunicazioni laser, determinazione dell'atteggiamento e rilevamento del campo magnetico, " ha detto Nic Rupert, un ingegnere di sviluppo nel laboratorio di Lubin. "Grazie ai rapidi progressi della microelettronica, possiamo ridurre un veicolo spaziale in un formato molto più piccolo di quanto non sia stato fatto prima per applicazioni specializzate come la nostra".

Il prototipo del veicolo spaziale ha funzionato perfettamente e ha raccolto più di 4000 immagini della Terra in quello che Rupert ha affermato essere "un eccellente primo volo e si evolverà drammaticamente da qui".

L'obiettivo del progetto, come suggerisce il nome del dispositivo, è costruire un wafer di silicio ultraleggero (scala di grammo) con elettronica incorporata, in grado di essere sparato nello spazio mentre ritrasmette i dati sulla Terra. Per la distanza che i ricercatori vogliono raggiungere, circa 25 trilioni di miglia, o 40 trilioni di chilometri, navigare a una frazione significativa della velocità della luce:la tecnologia richiesta è scoraggiante.

"Propulsione chimica ordinaria, come quello che ci ha portato sulla luna quasi 50 anni fa fino ad oggi, impiegherebbero quasi centomila anni per raggiungere il sistema stellare più vicino, Alpha Centauri, " ha detto Lubin. "E anche la propulsione avanzata come i motori ionici richiederebbe molte migliaia di anni. C'è solo una tecnologia conosciuta che è in grado di raggiungere le stelle vicine entro una vita umana e che utilizza la luce stessa come sistema di propulsione".

Conosciuto come propulsione energetica diretta, la tecnologia richiede la costruzione di una gamma estremamente ampia di laser per fungere da propulsione. Questo sistema non viaggia con l'astronave; rimane sulla Terra.

"Se disponi di un array laser abbastanza grande, puoi effettivamente spingere i wafer con una vela laser per raggiungere il nostro obiettivo del 20 percento della velocità della luce, " Rupert ha detto. "Allora saresti ad Alpha Centauri in qualcosa come 20 anni."

Parte di uno sforzo finanziato dalla NASA chiamato Starlight, lo sforzo è sostenuto anche dalla Fondazione Breakthrough, dove è conosciuto come Starshot. UC Santa Barbara ha avviato il progetto nel 2009 con un modesto finanziamento del programma Spacegrant della NASA, ricevendo fondi aggiuntivi nel 2015 tramite la NASA Advanced Concepts.

Il team dell'UC Santa Barbara ha quindi contattato la Breakthrough Foundation dell'investitore tecnologico miliardario Yuri Milner nel 2016 per condividere le implicazioni della tecnologia. Nell'aprile dello stesso anno, la fondazione ha annunciato che avrebbe intrapreso uno sforzo di 100 milioni di dollari per sostenere questo programma.

Lo scopo è rispondere a una delle più grandi domande esistenziali dell'umanità:siamo soli nell'universo? E un modo per scoprirlo, secondo i ricercatori, è visitare gli esopianeti vicini inviando una moltitudine di questi minuscoli veicoli spaziali ai sistemi stellari vicini. Questi chip conterrebbero fotocamere su nanoscala, apparecchiature di navigazione, tecnologia delle comunicazioni e altri sistemi per cercare esopianeti vicini ben oltre il nostro sistema solare per prove di vita.

Ancora un altro aspetto del progetto UC Santa Barbara prevede l'invio di vita dalla Terra nello spazio. I ricercatori vogliono testare l'idea di trasportare la vita su grandi distanze usando, crio-capace di dormire, minuscoli animali resistenti allo spazio, in particolare, tardigradi e nematodi c. elegans.

Ma prima, la tecnologia deve esistere. Grazie ai progressi della fotonica e dell'elettronica al silicio, sono stati piantati i semi dei prodotti finali, dicono gli scienziati. Tentativi ripetuti di inviare l'hardware in evoluzione in zone sempre più lontane della nostra atmosfera, e gradualmente nello spazio e oltre, sono ciò che sperano possa siglare l'accordo.

"Il punto di costruire queste cose è sapere cosa vogliamo includere nella prossima versione, nel chip successivo, " ha detto David Mc Carthy, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica. "Si inizia con componenti standard perché è possibile eseguire iterazioni in modo rapido ed economico". In questa fase, Egli ha detto, l'idea è quella di vedere come funziona l'hardware in condizioni sempre più difficili, comprese le temperature di congelamento, esposizione prolungata a radiazioni come raggi cosmici e collisioni con particelle tra la Terra e le stelle (il mezzo interstellare), e il duro vuoto dello spazio.

Lo slancio sta crescendo. Un gruppo universitario interdisciplinare, composto da studenti di fisica, ingegneria, chimica e biologia, stanno conducendo voli in mongolfiera per raccogliere dati che potrebbero eventualmente informare lo sviluppo di future versioni del wafercraft. Man mano che la tecnologia diventa sempre più sofisticata, i ricercatori hanno detto, possono coinvolgere l'industria dei semiconduttori per produrre questi minuscoli chip spaziali alla rinfusa a basso costo.

Nel frattempo, le innovazioni nell'ottica al silicio e la fotonica integrata su scala wafer consentono di ridurre i costi dell'array laser utilizzato per il lancio di questi veicoli spaziali. I docenti ei ricercatori del dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'Università di Santa Barbara stanno svolgendo un ruolo fondamentale.

"Non è così irrealistico pensare di poter realizzare pezzi di silicio da un grammo che avranno tutto ciò che vogliamo su di loro, " ha detto Mc Carthy.

Alla fine le riprese per lo spazio interstellare, che è ancora abbastanza lontano, il gruppo punta a un primo volo suborbitale il prossimo anno. Lo sviluppo di tale tecnologia apre la strada a una varietà di missioni spaziali che sarebbero state considerate troppo costose o impossibili con la tecnologia convenzionale a propulsione chimica.

Potenziali vantaggi della tecnologia di base? Tempi di viaggio su Marte molto più brevi di quelli attualmente possibili; difesa planetaria contro asteroidi e comete; mitigazione dei detriti spaziali, potenziamento dei satelliti in orbita attorno alla Terra, o alimentare a distanza avamposti del sistema solare distanti, tra tanti altri, ha notato Lubin.

"Consente a un'intera classe di abilità tecnologiche, " Egli ha detto, di propulsione ad energia diretta. "Alcuni dei più interessanti, quelli a breve termine comporterebbe missioni interplanetarie."

Il gruppo dell'UCSB ha pubblicato oltre 50 articoli tecnici sulla tecnologia di trasformazione che stanno sviluppando e sulle implicazioni radicali che ha per l'esplorazione umana.