In pochi decenni, l'iniziativa Breakthrough Starshot spera di inviare un veliero al vicino sistema di Alpha Centauri. Usando una vela di luce e un array laser a energia diretta, un minuscolo veicolo spaziale potrebbe essere accelerato al 20% della velocità della luce (0,2 c). Ciò consentirebbe a Starshot di compiere il viaggio verso Alpha Centauri e studiare eventuali esopianeti in soli 20 anni, realizzando così il sogno dell'esplorazione interstellare nelle nostre vite.

Naturalmente, questo piano presenta una serie di sfide ingegneristiche e logistiche, uno dei quali prevede la trasmissione di dati sulla Terra. In un recente studio, Il direttore dei sistemi Starshot, il dott. Kevin L.G. Parkin analizza la possibilità di utilizzare un laser per trasmettere i dati sulla Terra. Questo metodo, sostenne Parkin, è il modo più efficace per l'umanità di dare un'occhiata a ciò che si trova oltre il nostro sistema solare.

L'autore dello studio, Dottor Kevin Parkin, è stato direttore dei sistemi di Breakthrough Starshot dal 2016. In precedenza, è stato insignito della Medaglia Korolev dalla Federazione Russa di Astronautica e Cosmonautica per il suo lavoro pionieristico nella propulsione termica a microonde. Ha anche fondato la società aerospaziale con sede a San Francisco Parkin Research, specializzata nello sviluppo di tecnologie a basso costo.

Affrontare il problema di un downlink delle comunicazioni, Il Dr. Parkin ha cercato di calcolare l'opzione migliore per una vela integrata e un veicolo spaziale (veliero). A tal fine, considerò la possibilità di un trasmettitore laser a raggio stretto a bordo del veliero Starshot di 4,1 m (13,45 piedi) di diametro, che inizierebbe a trasmettere a un telescopio di 30 metri (~100 piedi) sulla Terra una volta raggiunto Alpha Centauri.

Questo array assumerebbe la forma di un phased array ottico da 100 watt (incorporato nella vela stessa) che utilizza i laser per trasformare la potenza dal mezzo interstellare (ISM). Il dottor Parkin prevede che l'array trasmetta dati a una lunghezza d'onda di 1,02 micrometri, che verrebbe quindi ricevuto a 1,25 micrometri dal telescopio, che colloca le trasmissioni nello spettro del vicino infrarosso/vicino all'ultravioletto.

Questo tipo di downlink presenta molti vantaggi rispetto alle comunicazioni che si basano su onde radio o trasmissioni a microonde. Come ha detto il dottor Parkin a Universe Today via e-mail:

"Relativamente alle microonde, i laser hanno una lunghezza d'onda mille volte più corta, e quindi formare un raggio molto più stretto da Alpha Centauri alla Terra... Il vantaggio di trasmettere 100 watt su tutta l'area del veliero è che il ricevitore terrestre si riduce a un telescopio di 30 metri, qualcosa che è molto probabile che uscirà tra un decennio o due".

Il dottor Parkin ha anche aggiunto che in questo stesso lasso di tempo, miglioramenti nei filtri e nei rivelatori consentiranno array di telescopi di classe metro che possono lavorare insieme per ricevere segnali dal veicolo spaziale. Però, un tale sistema di comunicazione presenta anche la sua parte di inconvenienti, uno dei quali è direttamente correlato alla sua natura a fascio stretto. Fondamentalmente, l'array dovrà essere puntato con precisione verso la Terra affinché i dati vengano ricevuti.

"Se il veliero rileva la direzione relativa del mezzo interstellare, che punta alla Terra (o, almeno, dov'era la Terra quando la nave a vela è stata lanciata), " ha detto il dottor Parkin. "Da lì, dovrà trovare il sole. Quindi, perché la larghezza del raggio è solo un decimo della distanza dal sole alla Terra, il veliero dovrà calcolare o trovare la posizione relativa della Terra e puntare verso di essa."

Però, questo può essere superato inviando più veicoli spaziali, che è in linea con la visione generale di Starshot. Per anni, Breakthrough Initiatives ha contemplato come una flotta di "nanoveicoli" trainati da vele leggere che pesano solo pochi grammi potrebbe consentire viaggi ed esplorazioni interstellari. Come ha spiegato il dottor Parkin:"L'economia favorisce il lancio leggero e spesso, come un veliero da 4 grammi a settimana (il costo energetico è di soli $ 6 milioni). Ciò significa che non ci sarà solo un downlink, ma molti downlink. Visto dalla Terra, i vari velieri saranno allineati nel cielo, formando una sorta di conduttura di velieri nelle varie fasi dell'appuntamento con Alpha Centauri."

Un ulteriore vantaggio dell'invio di più veicoli spaziali con downlink diretti, aggiunge il dottor Parkin, è la possibilità di legami incrociati tra loro. In questo scenario, la connessione con la Terra diventerebbe una conduttura di dati a sé stante, una conduttura all'interno di una conduttura. Ciò ridurrebbe il rischio di perdere dati essenziali e consentirebbe ai velieri che sono già passati attraverso il sistema Alpha Centauri di trasmettere informazioni a quelli che sono ancora in rotta.

Un'ultima raccomandazione fatta dal Dr. Parkin nell'articolo è stata l'inclusione di un algoritmo distribuito che consentisse al veicolo spaziale di funzionare in tandem e con un certo grado di autonomia, ognuno responsabile della mappatura di una parte diversa del sistema Alpha Centauri. Il dottor Parkin indica che questo ridurrebbe il "ciclo decisione-atto, " che è incredibilmente lento sulle distanze interstellari:

"I vantaggi di fare ciò sono enormi:l'intero sistema potrebbe essere esplorato e mappato prima che i primi dati raggiungano la Terra. In teoria, il primo veliero potrebbe individuare un pianeta lontano come un punto di luce che si muove tra le immagini, e su tale base, limitare la sua orbita in modo che il prossimo veliero possa manovrare per passare a una distanza più ravvicinata, risoluzione dei dettagli superficiali. I velieri successivi possono costruire mappe, tracciare le caratteristiche della superficie, e scopri la maggior parte dei pianeti e delle lune del sistema nel tempo."

Per abbattere tutto, Il dottor Parkin immagina una flotta di velieri che conducano esplorazioni automatizzate di sistemi stellari lontani. Il primo ad entrare nel sistema sarebbe responsabile della mappatura dei pianeti e delle lune, l'onda successiva caratterizzerà le loro orbite, e quelli che seguiranno li osserveranno a distanza ravvicinata e mapperanno e monitoreranno le loro superfici.

Nel rispetto, il concetto qui presentato affronta una delle più grandi sfide dell'esplorazione interstellare, che è la difficoltà di comunicare con le sonde su distanze così grandi. Il prof. Abraham Loeb, il Frank B. Baird Jr. Professor of Science all'Università di Harvard e presidente del Breakthrough Starshot Advisory Committee, ha dichiarato a Universe Today via e-mail:

"Il collegamento di comunicazione a cui si rivolge l'articolo di Kevin è una delle maggiori sfide per il programma Starshot. La grande distanza dalla stella più vicina, 4,24 anni luce, e la bassa potenza della trasmissione, implica un segnale debole e quindi un grande ricevitore sulla Terra. Non c'è la possibilità di inviare comandi alla navicella spaziale in tempo reale perché il più breve viaggio di andata e ritorno di segnali luminosi richiederebbe 8,48 anni".

Finalmente, Il Dr. Parkin ha affrontato la domanda scottante di cosa deve accadere prima che un progetto di questa natura possa essere realizzato. Mentre il documento presenta diverse soluzioni creative alla sfida della comunicazione, uno dei problemi più pervasivi che affligge Starshot è il fatto che sono necessari progressi e innovazioni futuri per portarlo nel regno dell'efficacia dei costi.

"Per realizzare le piene capacità di un veliero come descritto qui potrebbero volerci 100 anni, o potrebbe essere un sottoprodotto della ricerca commerciale nei prossimi decenni, " ha detto. "I phased array a microonde sono in uso da 50 anni, ma i phased array ottici non sono ancora arrivati, e richiederà molto lavoro per integrarsi in una vela in ceramica. La generazione di energia dal mezzo interstellare è probabilmente unica per Starshot e necessita di ricerca, ma il vantaggio è che la potenza disponibile per il downlink è ordini di grandezza maggiore di quanto altrimenti possibile".

Poi ancora, tutti i concetti per l'esplorazione interstellare o dello spazio profondo presentano la loro parte di sfide, alcuni di loro particolarmente scoraggianti. E come tanti altri ostacoli tecnici che devono affrontare il team Starshot, queste sfide hanno un modo di ispirare soluzioni creative e innovative. Intanto, tutto ciò che possiamo fare è aspettare e sperare che il progresso avvenga e crei nuove opportunità.

Gli studi precedenti del Dr. Parkin includono lo studio del 2018, "Il modello rivoluzionario del sistema Starshot, "che è apparso in Acta Astronautica . Questo documento descrive in dettaglio la missione e il concetto di Starshot e come potrebbe avvantaggiare l'esplorazione umana, non solo nel dominio interstellare ma anche all'interno del sistema solare.