Nuovi sistemi di propulsione a energia diretta potrebbero consentire le prime missioni interstellari, con piccolo, veicoli spaziali robotici che esplorano i sistemi solari vicini, secondo il cosmologo sperimentale Philip Lubin. Presenterà questi e altri progressi al Laser Congress della The Optical Society (OSA), Illumina la serie di altoparlanti del futuro, 4-8 novembre a Boston.

Immagina un sottilissimo veicolo spaziale alimentato da luce laser in grado di raggiungere velocità superiori a un quarto della velocità della luce, abbastanza veloce da raggiungere la stella vicina più vicina al nostro sistema solare entro 20 anni, o qualcosa di più vicino a casa, come portare le persone su Marte in un mese. Attingendo alla propulsione fotonica, i ricercatori sono sulla buona strada per trasformare in realtà questo risultato di fantascienza apparentemente impossibile, disse Lubin, che è professore di fisica all'Università della California, Santa Barbara.

I risultati della ricerca che Lubin descriverà derivano dai programmi Starlight e Breakthrough Starshot della NASA, entrambi supportano la ricerca avanzata in fotonica. Lubin è il direttore del programma Starlight.

"Fotonica, la produzione e manipolazione della luce, fa già parte della nostra vita quotidiana, dai cellulari ai computer, dalle lampadine a diodi emettitori di luce (LED) alle fibre ottiche che trasportano i tuoi dati ovunque, anche se potresti non vederli, " ha detto Lubin. "Puoi indicare esempi pratici di fotonica nella vita di tutti i giorni e sembra non avere nulla a che fare con il volo interstellare, ma in effetti lo fa perché è sinergico con la tecnologia necessaria per ottenere il volo interstellare".

Una delle maggiori sfide nella convalida di questo concetto di fotonica in relazione alla propulsione è la dimostrazione della potenza laser necessaria per accelerare il veicolo spaziale proposto/ipotetico, secondo Lubin.

Ottiche sintetizzate per sistemi di propulsione ad energia diretta

I grandi sistemi energetici diretti non sono costruiti usando un singolo gigantesco laser, ma invece si basano sulla combinazione di travi, che comporta l'uso di molti amplificatori laser di potenza molto modesta.

"Il nostro sistema sfrutta una tipologia consolidata chiamata design 'Master Oscillator Power Amplifier', " ha detto Lubin. "È un sistema distribuito, quindi ogni "mattone" dell'amplificatore laser è compreso tra 10 e 1000 Watt. Puoi tenerlo in mano. Invece di costruire un gigantesco laser, combini un sacco di piccoli amplificatori laser che, quando combinato, formare un sistema estremamente potente e rivoluzionario."

Lubin suggerisce un'analogia con i supercomputer, che sono costruiti utilizzando un gran numero di unità di elaborazione centrale (CPU). "Combinando in modo coerente miliardi di amplificatori di potenza laser low poser, simili alla stessa potenza di un tipico LED domestico moderno, all'improvviso si ha questo sistema energetico diretto incredibilmente capace, " Egli ha detto.

Sonde interstellari alimentate tramite luce laser

I sistemi energetici diretti possono consentire sonde interstellari come parte dell'esplorazione umana in un futuro non troppo lontano, e sono al centro del programma Starlight della NASA e della Breakthrough Starshot Initiative per consentire le prime missioni interstellari dell'umanità. La stessa tecnologia di base ha molte altre applicazioni, come viaggi interplanetari rapidi per missioni di grande massa, compresi quelli che trasportano persone; difesa planetaria; e la ricerca di intelligenza extraterrestre (SETI).

"Il nostro obiettivo principale attualmente è su veicoli spaziali robotici molto piccoli. Non porteranno esseri umani a bordo, non è l'obiettivo per la parte interstellare del nostro programma, " ha detto Lubin. "Se l'umanità vuole esplorare altri mondi al di fuori del nostro sistema solare, non ci sono altre opzioni di propulsione fisicamente ottenibili per farlo, con due eccezioni.

"Un modo sarebbe se potessimo padroneggiare un approccio tecnologico noto come motori di annientamento dell'antimateria, che sono sistemi di propulsione teorici che generano spinta in base all'energia liberata dalle interazioni a livello di particelle subatomiche. Ma al momento non abbiamo un modo per farlo, "Lubino ha detto, "e comporta una serie di complessità che non abbiamo un percorso attuale per risolverle.

"L'altra opzione è l'energia diretta o la propulsione fotonica, che è quello su cui ci stiamo concentrando perché sembra fattibile, " disse Lubin. In una variante, la propulsione a energia diretta è simile all'uso della forza dell'acqua proveniente da un tubo da giardino per spingere in avanti una palla. Minuscoli veicoli spaziali interstellari (tipicamente meno di un chilogrammo e alcuni che sono veicoli spaziali su un wafer) possono essere azionati e guidati tramite luce laser, Egli ha detto.

"La miniaturizzazione dei veicoli spaziali non è necessaria per tutti gli scenari di missione che stiamo considerando, ma più bassa è la massa dell'astronave, più veloce puoi andare, " Ha detto Lubin. "Questo sistema scala in modi diversi rispetto alla normale propulsione a espulsione di massa".

Finora, tutti i razzi che sono decollati dalla Terra sono basati su sistemi di propulsione chimica i cui progetti di base risalgono alla seconda guerra mondiale. Sono appena in grado di uscire dalla superficie della Terra e di entrare in orbita. Fare un razzo più grande non lo fa andare più veloce, consente solo al razzo di trasportare più massa. La propulsione fotonica funziona in modo diverso, perché meno denso è il carico utile, più veloce vai. Quindi vuoi abbassare la massa per andare più veloce.

Come guidare in una tempesta di pioggia, nello spazio

Una sfida significativa per i veicoli spaziali relativistici è l'indurimento delle radiazioni, perché "quando cominciamo a raggiungere velocità prossime a quella della luce, le particelle nello spazio interstellare, protoni in particolare, in cui solchi - ignora per il momento i granelli di polvere - sono la fonte primaria di radiazioni, — disse Lubin. — Lo spazio non è vuoto; ha circa un protone e un elettrone per centimetro cubo, così come un'infarinatura di elio e altri atomi."

Schiantarsi contro quelle particelle può essere significativo ad alte velocità perché mentre possono viaggiare lentamente all'interno del proprio sistema di riferimento, per un veicolo spaziale in rapido movimento, producono impatti ad alta velocità.

"Quando li colpisci è come guidare in un temporale. Anche se la pioggia cade direttamente dal cielo, il tuo parabrezza si intonaca perché stai andando veloce, ed è un effetto piuttosto serio per noi, " Disse Lubin. "Riceviamo enormi carichi di radiazioni sul bordo d'attacco poiché la parte anteriore viene assolutamente schiacciata, mentre il resto del veicolo spaziale che non è il bordo anteriore e rivolto in direzioni diverse non viene colpito molto. È un problema interessante e unico, e stiamo lavorando su cosa succede quando li attraversi."

In termini di tempi per mettere in funzione la tecnologia di propulsione a energia diretta, "Stiamo producendo dimostrazioni di laboratorio di ogni parte del sistema, " ha detto Lubin. "La piena capacità è più di 20 anni di distanza, anche se le missioni dimostrative sono fattibili entro un decennio".

Arrivare su Marte velocemente

La stessa tecnologia fotonica di base nel programma Starlight della NASA consente anche missioni interplanetarie estremamente rapide, comprese le missioni su Marte che potrebbero trasportare persone in viaggi di appena un mese. Ciò ridurrebbe drasticamente i pericoli per l'uomo nel lungo viaggio verso il pianeta rosso ed è attualmente allo studio come opzione.

Indagine da un trilione di pianeti

I progressi della fotonica significano anche che ora possiamo lasciare accesa una luce per l'intelligenza extraterrestre all'interno dell'universo se vogliamo essere trovati, nel caso ci sia un'altra vita intelligente che vuole anche conoscere la risposta alla domanda, "Siamo soli"?

Gli studenti di Lubin esplorano questo concetto nel loro esperimento "Trillion Planet Survey". Questo esperimento sta ora cercando attivamente la vicina galassia di Andromeda, che ha circa un trilione di pianeti, e altre galassie oltre alla nostra per i segnali di luce.

Combinando la ricerca di Lubin con l'esperimento dei suoi studenti, ci sono opportunità per segnalare la vita. Quando i progressi tecnologici consentiranno la dimostrazione di laser abbastanza potenti da spingere il minuscolo veicolo spaziale, questi laser potrebbero anche essere usati per far brillare un raggio verso la Galassia di Andromeda nella speranza che qualsiasi forma di vita possa scoprire e rilevare quella fonte di luce nel loro cielo.

Il caso inverso è più interessante. Forse esiste un'altra civiltà con capacità simili a quelle che stiamo sviluppando ora nella fotonica. possono rendersi conto, come facciamo noi, che la fotonica è un mezzo estremamente efficiente per essere rilevata su vaste distanze molto al di fuori della nostra galassia. Se c'è una civiltà extraterrestre che sta trasmettendo la propria presenza tramite raggi ottici, come quelli proposti per la propulsione fotonica, sono candidati per essere rilevati da un sondaggio ottico su larga scala come il Trillion Planet Survey del team di Lubin.

"Se è rilevabile la lunghezza d'onda di trasmissione di un raggio extraterrestre, ed è stato abbastanza a lungo, dovremmo essere in grado di rilevare il segnale da una sorgente ovunque all'interno della nostra galassia o da galassie vicine con telescopi relativamente piccoli sulla Terra anche se nessuna delle "parti" sa che l'altra esiste e non sa "dove puntare, '", ha detto Lubin. Questo scenario "cieco-cieco" è la chiave per la "ricerca di informazioni dirette", come Lubin chiama questa strategia.

Difesa planetaria

Forse uno degli usi più intriganti della fotonica, più vicino a casa, è sfruttarla per aiutare a difendere la Terra da minacce esterne come i colpi di asteroidi e comete.

Lo stesso sistema che i ricercatori stanno iniziando a sviluppare per la propulsione può essere utilizzato per la difesa planetaria focalizzando il raggio sull'asteroide o sulla cometa. Ciò provoca danni alla superficie, e poiché porzioni della superficie vengono espulse durante la reazione con la luce laser, la quantità di moto spingerebbe i detriti in una direzione e l'asteroide o la cometa nella direzione opposta. Così, poco per volta, devierà la minaccia, ha detto Lubin.

"Le implicazioni a lungo termine per l'umanità sono piuttosto importanti, " ha aggiunto. "Mentre la maggior parte delle minacce di asteroidi non sono minacce esistenziali, possono essere piuttosto pericolosi come abbiamo visto a Chelyabinsk, Russia nel 2013 e a Tunguska, Russia nel 1908. Purtroppo, i dinosauri mancavano di fotonica per prevenire la loro scomparsa. Forse saremo più saggi".