Zu einer Zeit hatte die Menschheit Ambitionen, die zu solch unglaublichen Projekten wie dem ersten bemannten Flug in den Weltraum oder einer Mission zum Mond führten. Der nächste Schritt wird die Kolonisierung von Planeten und dann die interstellare Reise sein. Die Breakthrough Starshot Initiative ist der Nachfolger menschlicher Ambitionen und verspricht, unseren Weg zu den Sternen in unmittelbarer Nähe zu ebnen.
Durchbruch Starshot, die Idee des russischen Milliardärs Yuri Milner, wurde im April 2016 auf einer Pressekonferenz bekannt, an der renommierte Physiker wie Stephen Hawking und Freeman Dyson teilnahmen. Während das Projekt noch lange nicht abgeschlossen ist, sieht der vorläufige Plan vor, Tausende von Chips in Briefmarkengröße auf große Silbersegel zu senden, die zuerst in die Erdumlaufbahn gelangen und dann durch bodengestützte Laser beschleunigt werden.
In zwei Minuten Laserbeschleunigung beschleunigt das Raumschiff auf ein Fünftel der Lichtgeschwindigkeit - tausendmal schneller als jedes künstliche Fahrzeug in der gesamten Geschichte der Menschheit.
Jedes Raumschiff wird 20 Jahre lang fliegen und wissenschaftliche Daten über den interstellaren Raum sammeln. Bei Erreichen der Planeten im Alpha-Centauri-Sternensystem nimmt die eingebaute Digitalkamera hochauflösende Fotos auf und sendet Bilder zur Erde, sodass wir unsere nächsten planetarischen Nachbarn betrachten können. Zusätzlich zu wissenschaftlichen Erkenntnissen können wir herausfinden, ob diese Planeten für die Besiedlung durch Menschen geeignet sind.
Das Team hinter Breakthrough Starshot ist ebenso beeindruckend wie die Technologie. Dem Board of Directors gehören Milner, Hawking und Mark Zuckerberg, der Erfinder von Facebook, an. Pete Warden, ehemaliger Direktor des Ames Research Center der NASA, ist CEO. Mehrere prominente Wissenschaftler, darunter Nobelpreisträger, beraten das Projekt, und Milner investierte 100 Millionen US-Dollar aus eigenen Mitteln, um die Arbeit in Gang zu bringen. Zusammen mit Kollegen investieren sie über mehrere Jahre hinweg über 10 Milliarden US-Dollar, um die Arbeiten abzuschließen.
Obwohl diese ganze Idee völlig Science-Fiction zu sein scheint, gibt es kein wissenschaftliches Hindernis für ihre Umsetzung. Dies muss jedoch nicht morgen geschehen: Damit Starshot erfolgreich sein kann, sind einige technologische Fortschritte erforderlich. Die Organisatoren und wissenschaftlichen Berater glauben an exponentielle Fortschritte und daran, dass es Starshot seit 20 Jahren gibt.
Nachfolgend finden Sie eine Liste von elf Starshot-Technologien und was Wissenschaftler in den nächsten zwanzig Jahren exponentiell erhoffen.
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Exoplanetenerkennung
Ein Exoplanet ist ein Planet außerhalb unseres Sonnensystems. Obwohl die erste wissenschaftliche Entdeckung eines Exoplaneten erst 1988 erfolgte, wurden zum 1. Mai 2017 3.608 Exoplaneten in 2.702 Planetensystemen entdeckt. Während einige von ihnen Planeten im Sonnensystem ähneln, gibt es viele ungewöhnliche, wie zum Beispiel solche mit Ringen, die 200-mal breiter sind als die des Saturn.
Was ist der Grund für diese Flut von Entdeckungen? Wesentliche Verbesserung der Teleskope.
Noch vor 100 Jahren war das größte Teleskop der Welt das Hooker-Teleskop mit einem 2,54-Meter-Spiegel. Heute ist das Very Large Telescope der ESO, das aus vier großen Teleskopen mit einem Durchmesser von 8,2 Metern besteht, die produktivste bodengestützte astronomische Einrichtung und produziert einen wissenschaftlichen Artikel pro Expertenbewertung pro Tag.
Wissenschaftler verwenden MBT und ein spezielles Werkzeug, um nach festen extrasolaren Planeten in der potenziell bewohnbaren Zone des Sterns zu suchen. Im Mai 2016 fanden Wissenschaftler, die das TRAPPIST-Teleskop in Chile verwendeten, nicht einen, sondern sieben erdgroße Exoplaneten gleichzeitig in einer potenziell bewohnbaren Zone.
Im Weltraum hat das speziell für diese Aufgabe entwickelte Kepler-Raumschiff der NASA bereits mehr als 2.000 Exoplaneten identifiziert. Das James Webb-Weltraumteleskop, das im Oktober 2018 auf den Markt kommen wird, bietet einen beispiellosen Einblick, ob Exoplaneten das Leben unterstützen können. "Wenn diese Planeten eine Atmosphäre haben, wird JWST der Schlüssel sein, um ihre Geheimnisse aufzudecken", sagt Doug Hudgins, ein Exoplaneten-Programmwissenschaftler am NASA-Hauptsitz in Washington DC.
Startkosten
Das Starshot-Mutterschiff wird an Bord der Rakete gestartet und 1.000 Schiffe starten. Die Kosten für den Transport von Nutzlasten mit Einwegraketen sind enorm, aber private Dienstleister wie SpaceX und Blue Origin haben Erfolge beim Start wiederverwendbarer Raketen gezeigt, die die Startkosten voraussichtlich erheblich senken werden. SpaceX hat die Kosten für den Start des Falcon 9 bereits auf 60 Millionen US-Dollar gesenkt. Mit der Expansion der privaten Raumfahrtindustrie und der zunehmenden Verbreitung wiederverwendbarer Raketen wird der Preis immer weiter sinken.
Stärkechip
Jeder 15-mm-Starchip ("Sternchip") muss eine große Anzahl hochentwickelter elektronischer Geräte wie ein Navigationssystem, eine Kamera, einen Kommunikationslaser, eine Radioisotopenbatterie, einen Kameramultiplexer und seine Schnittstelle enthalten. Die Ingenieure hoffen, dass sie alles in eine kleine Maschine in Briefmarkengröße pressen können.
Immerhin enthielten die ersten Computerchips in den 1960er Jahren eine Handvoll Transistoren. Dank des Mooreschen Gesetzes können wir heute Milliarden von Transistoren auf jeden Chip montieren. Die erste Digitalkamera wog mehrere Kilogramm und nahm Bilder mit 0,01 Megapixeln auf. Heute erfasst ein Digitalkamerasensor hochwertige Farbbilder mit 12 Megapixeln und passt in ein Smartphone - zusammen mit anderen Sensoren wie GPS, Beschleunigungsmesser und Gyroskop. Und wir sehen, dass diese Verbesserungen in die Weltraumforschung mit kleineren Satelliten übergehen, die uns qualitativ hochwertige Daten liefern.
Damit Starshot erfolgreich sein kann, benötigen wir bis 2030 eine Chipmasse von etwa 0,22 Gramm. Wenn die Verbesserungen jedoch weiterhin im gleichen Tempo erfolgen, deuten Prognosen darauf hin, dass dies durchaus möglich ist.
Leichtes Segel
Das Segel sollte aus einem Material bestehen, das stark reflektiert (um den maximalen Impuls vom Laser zu erhalten), minimal absorbiert (damit es nicht durch Hitze ausbrennt) und gleichzeitig sehr leicht (ermöglicht eine schnelle Beschleunigung). Diese drei Kriterien sind äußerst wichtig, und derzeit gibt es kein geeignetes Material für sie.
Die notwendigen Fortschritte können durch die Automatisierung künstlicher Intelligenz und die Beschleunigung der Entdeckung neuer Materialien erzielt werden. Diese Automatisierung ist so weit gegangen, dass maschinelle Lernmethoden heute "Bibliotheken von Kandidaten für geeignete Materialien in Zehntausenden von Positionen generieren" und es Ingenieuren ermöglichen können, zu bestimmen, für welche es sich zu kämpfen lohnt und welche unter bestimmten Bedingungen getestet werden sollten.
Energiespeicher
Obwohl Starchip für seine 24-jährige Reise eine winzige Radioisotopenbatterie verwenden wird, benötigen wir für die Laser weiterhin herkömmliche chemische Batterien. Laser müssen in kurzer Zeit kolossale Energie freisetzen, was bedeutet, dass die Energie in Batterien in der Nähe gespeichert werden muss.
Die Batterien verbessern sich um etwa 5-8% pro Jahr, obwohl wir dies oft nicht sehen, weil der Energieverbrauch steigt. Wenn sich die Batterien mit dieser Geschwindigkeit weiter verbessern, werden sie in zwanzig Jahren eine 3-5-mal höhere Kapazität haben als heute. Weitere Innovationen könnten einer großen Investition in die Batterieindustrie folgen. Das Joint Venture Tesla-Solar City hat bereits 55.000 an Kauai geliefert, um den größten Teil seiner Infrastruktur mit Strom zu versorgen.
Laser
Tausende leistungsstarke Laser werden eingesetzt, um das Fahrzeug zusammen mit dem Segel anzutreiben.
Laser befolgten das Moore'sche Gesetz ähnlich wie integrierte Schaltkreise und verdoppelten die Leistung alle 18 Monate. In den letzten zehn Jahren hat sich die Skalierung der Leistung von Dioden- und Faserlasern dramatisch beschleunigt. Der erste durchbohrte 2010 10 Kilowatt Single-Mode-Faser und einige Monate später eine 100-Kilowatt-Barriere. Neben der Rohleistung brauchen wir auch Erfolg bei der Kombination von Phased-Array-Lasern.
Geschwindigkeit
Unsere Fähigkeit, sich schnell zu bewegen … bewegte sich schnell. 1804 wurde der Zug erfunden und erreichte sehr bald eine unerhörte Geschwindigkeit von 100 Stundenkilometern. Das Raumschiff "Helios-2" übertraf diesen Rekord 1976: Im schnellsten Moment entfernte sich "Helios-2" mit einer Geschwindigkeit von 356.040 km / h von der Erde. 40 Jahre später hat das Raumschiff New Horizons eine heliozentrische Geschwindigkeit von 45 Kilometern pro Sekunde (mehr als 200.000 Kilometer pro Stunde) erreicht. Aber selbst bei dieser Geschwindigkeit würde es lange dauern, bis Alpha Centauri, vier Lichtjahre entfernt, erreicht ist.
Obwohl das Beschleunigen subatomarer Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bei Teilchenbeschleunigern üblich geworden ist, konnten makroskopische Objekte auf diese Weise nicht beschleunigen. Das Erreichen von 20% der Lichtgeschwindigkeit wäre das 1000-fache der Geschwindigkeit eines von Menschen gebauten Objekts.
Speicher
Die Fähigkeit, Informationen zu speichern, wurde zur Grundlage für Berechnungen. Starshot wird von einem anhaltenden Rückgang der Kosten und der Größe des digitalen Speichers abhängen, um ausreichend Speicherplatz für seine Programme und Bilder bereitzustellen, die im Alpha Centauri-Sternensystem und seinen Planeten aufgenommen wurden.
Die Speicherkosten sind seit Jahrzehnten exponentiell gesunken: 1970 war ein Megabyte etwa eine Million Dollar wert; jetzt - nur ein paar Cent. Die für die Speicherung erforderliche Größe ist ebenfalls geschrumpft, von einer 5-Megabyte-Festplatte, die 1956 mit einem Gabelstapler geladen wurde, auf 512-Gigabyte-USB-Sticks mit einem Gewicht von einigen Gramm.
Telekommunikation
Sobald Starchip die Bilder erfasst hat, müssen sie zur Verarbeitung zur Erde zurückgeschickt werden.
Die Telekommunikation hat seit der Erfindung des Telefons durch Alexander Graham Bell im Jahr 1876 erhebliche Fortschritte gemacht. Die durchschnittliche Internetgeschwindigkeit liegt heute bei 11 Megabit pro Sekunde. Die Bandbreite und Geschwindigkeit, die erforderlich sind, um digitale Bilder über 4 Lichtjahre - 40 Billionen Kilometer - zu senden, erfordert die neuesten Fortschritte in der Telekommunikation.
Die Li-Fi-Technologie ist äußerst vielversprechend und die drahtlose Übertragung verspricht 100-mal schneller zu sein als Wi-Fi. Es gibt auch Experimente auf dem Gebiet der Quantentelekommunikation, die nicht schnell, aber sicher sein werden.
Berechnungen
Der letzte Schritt des Starchip-Projekts besteht darin, die vom Raumschiff zurückgegebenen Daten zu analysieren. Dazu müssen wir uns auf die exponentielle Entwicklung der Rechenleistung verlassen, die in den letzten 60 Jahren um eine Billion Mal zugenommen hat.
In jüngster Zeit war der Rückgang der Rechenkosten stark mit Clouds verbunden. Mit Blick auf die Zukunft und die Verwendung neuer Rechenmethoden wie Quanten können wir eine 1000-fache Leistungssteigerung erwarten, wenn Starshot Daten zurückgibt. Diese außergewöhnliche Rechenleistung ermöglicht es uns, anspruchsvolle wissenschaftliche Simulationen und Analysen unseres nächsten benachbarten Sternensystems durchzuführen.
ILYA KHEL
