Под «звездным парусом» к Альфе Центавра

Предварительный разбор полета

В ТрВ-Наука № 8 от 19 апреля этого года была опубликована статья «Двойка по физике Мильнеру с Хокингом», где автор резко критиковал проект «звездного паруса» (или «звездного выстрела», Starshot, что по-русски звучит хуже). Исследовательская часть проекта была профинансирована Юрием Мильнером. Статья вызвала много откликов, причем одним из первых отреагировал сам Юрий Мильнер. Он предложил развернуть в ТрВ публичную дискуссию по поводу проекта, к которой мы и приступаем.

Каким бы фантастическим ни казался проект, от него есть несомненная просветительская польза: начнем разбирать его по косточкам и в результате узнаем много нового (я уже узнал). Заодно речь наверняка зайдет об исследовании экзопланет и поисках жизни вообще.

Я уже выступил с собственным мнением по поводу проекта, теперь меняю свою роль и буду выступать не как критик, а как модератор дискуссии. Организована она будет следующим образом: публикуем основные положения проекта, затем интервью с Юрием Мильнером, где затронем в основном стратегические аспекты, наконец, интервью с главным энтузиастом «звездного паруса» Филипом Любиным, в котором рассмотрим некоторые из конкретных проблем проекта. Это интервью явно не завершено, однако лучше будет, если вторая порция вопросов родится из публичной дискуссии.

Кратко о проекте

Предыдущая версия проекта изложена в препринте Филипа Любина https://arxiv.org/abs/1604.01356.

Впоследствии ряд параметров проекта был изменен, новая версия в очень тезисном виде изложена здесь: www.breakthroughinitiatives.org/Challenges/3.

Сценарий

Нанозонд весом 2 г (1 г — парус и 1 г — сам зонд) разгоняется лазерным лучом мощностью 50–100 ГВт до скорости 20% световой в направлении системы Альфа Центавра. Ускорение зонда при облучении — 30 000 g, разгонный путь — 6 млн км. Через 20 лет он прилетает к цели, делает снимки и передает их на Землю.

Лазерная установка

Используется наземная фазируемая решетка лазерных излучателей размером километр на километр (излучатели упакованы впритык друг к другу). Суммарная мощность — 50–100 гигаватт (10–20 Красноярских ГЭС), длина волны — 1,06 мкм. Предполагается с помощью фазирования сфокусировать излучение со всей решетки в пятно диаметром несколько метров на расстояниях вплоть до многих миллионов километров (предельная точность фокусировки — λ/D~10^-9). Такой фокусировке сильно мешает турбулентная атмосфера, размывающая луч в пятно размером в угловую секунду (10^-5). Улучшения на четыре порядка предполагается достичь с помощью адаптивной фокусировки. Лучшие достижения адаптивной оптики современных телескопов уменьшают размытие до 30 угловых миллисекунд. Остается еще два с половиной порядка. Теоретически такое продвижение возможно, если индивидуальные излучатели достаточно малы, а их число огромно (см. вопрос 4 в интервью с Любиным). В качестве опорного источника для адаптивной фазировки предполагается использовать сам зонд, корабль, который его запустил, и «бакены» в атмосфере (см. 5-й вопрос в интервью с Любиным).

Парус

Парус должен весить 1 г при площади 16 м². Соответствующая толщина — меньше 100 нанометров. При этом он должен тянуть зонд с силой 30 кг (1 г при ускорении 30 000 g) и иметь соответствующую прочность (еще будут скелетные нити и стропы, которые тоже должны уложиться в 1 г паруса). Интересно, что если утроить такой парус, то он может служить парашютом для человека. Парашют весом три грамма! Кроме того, он должен быть исключительно прозрачным, чтобы не сгореть. Добиться приличного отражения от диэлектрика при толщине много меньше длины волны непросто, для этого предполагается некий трюк с дырками, который я, признаться, не понял (см. www.breakthroughinitiatives.org). По поводу материала говорится довольно мало. Когда требуется прозрачность, упоминается стекло, используемое для световодов. В остальных случаях — нечто связанное с графеном.

Зонд

Зонд весом 1 г должен быть плоским, включать в себя источник питания (радиоизотопный + солнечный), фотокамеру, процессор. При ускорении зонд находится позади паруса и попадает в поле ускоряющего излучения. Предполагается защитить его от излучения многослойным диэлектрическим зеркалом с коэффициентом отражения 0,99999. Он должен быть всю дорогу ориентирован ребром к направлению движения и защищен по передней грани слоем вещества, поглощающим частицы межзвездной среды. В отношении коэффициента отражения поверхности зонда могут появляться проблемы с доплеровским сдвигом частоты, возникающим при ускорении (см. 2-й вопрос у Любина).

Действия по прибытии

У цели парус превращается в линзу Френеля, фокусирующую сигнал зонда в направлении Земли. Зонд фотографирует окрестности и планеты, если они там есть, и передает изображения на Землю. Мощность сигнала — 1 Вт. Формально при расходимости пучка l/d (l— длина волны) идеальная линза при идеальной фокусировке и идеальной ориентации усиливает сигнал до 10¹³ Вт в изотропном эквиваленте.

Интервью с Юрием Мильнером

— Проект «звездного паруса» подвергается серьезной критике со стороны специалистов. Я не видел официальной реакции научного сообщества в виде публикаций в СМИ, но слышал множество неофициальных откликов, весьма жестких. Да и сам настроен крайне скептически. Действительно, в проекте есть несколько пугающих требований к технологиям, предполагающих радикальное продвижение в тех областях, где оно дается с трудом. Некоторые из сопутствующих проблем с большой вероятностью могут оказаться фатальными по технологическим или финансовым причинам. Как Вы оцениваете шансы подобного проекта? Если Вы верите в возможность его осуществления, то когда и какой ценой?

— Не могу с Вами согласиться, равно как и с Вашей «Двойкой по физике». В научный совет нашего проекта входят ведущие специалисты, ученые и инженеры в различных релевантных областях, включая двух нобелевских лауреатов. И я со своей стороны слышал весьма сбалансированные оценки реализуемости этого проекта. Думаю, Ваша позиция, а также позиция некоторых других критически настроенных экспертов связана с не совсем точным пониманием того, что же мы реально предлагаем. А говорим мы фактически следующее. За последние 15 лет произошли существенные, можно сказать, революционные продвижения по трем технологическим направлениям, а именно: миниатюризация электронных компонентов, создание нового поколения материалов, также удешевление и увеличение мощности лазеров. Сочетание этих трех трендов приводит к теоретической возможности разогнать наноспутник до почти релятивистских скоростей. На первом этапе, горизонт которого — 5–10 лет, мы планируем провести более углубленное научно-инженерное исследование возможности практической реализации данного проекта. При этом мы, безусловно, полагаемся на совокупную экспертизу всех членов нашего научного совета (его полный список опубликован на нашем сайте) и в то же время открыты для более широкой научной дискуссии. Более того, одновременно с объявлением проекта мы сами опубликовали список из примерно 20 серьезных технических проблем, многие из которых Вы также упомянули в своей публикации. Полагаю, это не окончательный список, но мы, опираясь на мнение научного совета, считаем, что первый этап проекта имеет достаточную мотивацию.

— Вы профинансировали исследования, которые, скорее всего, будут иметь полезные и интересные применения вне зависимости от отправки зонда к Альфе Центавра — полеты в Солнечной системе, воздействие на астероиды и т. п. В этом смысле деньги точно не пропадут. Вопрос: оправдано ли использование для пропаганды проекта такого «знамени», как зонд к Альфе Центавра? С одной стороны, это привлекает внимание широких масс, с другой — дискредитирует фонд в глазах профессионалов из-за фантастичности проекта. Не стоило ли выступить с заявлением типа дисклеймера, что вы финансируете не полет к другой звезде, а вполне реалистичные многоцелевые разработки, связанные с идеей межзвездного зонда лишь общим направлением?

— Мы фактически это и объявили. Но постановка стратегической цели нам представляется оправданной в том смысле, что развитие технологий за последние 10–20 лет, вероятно, делает реализацию подобного проекта не вопросом веков, как многие предполагали, а, скорее, десятилетий.

— По моему глубокому убеждению, «дорога к звездам» лежит через космические интерферометры, способные увидеть планеты земного типа у близких звезд и снять их спектр. В том числе зарегистрировать кислород в атмосфере, что равнозначно обнаружению внеземной жизни. С большой вероятностью может оказаться, что к Альфе Центавра незачем посылать зонд, что интересная цель находится где-то еще. Гигантские наземные телескопы и JWST могут оказаться недостаточными для исследования землеподобных экзопланет — вероятно, с этим могут справиться только интерферометры в космосе. Подобные проекты существуют на бумаге, но застряли без финансирования. Они очень сложны, но гораздо менее фантастичны, чем «звездный парус». Там, кcтати, лазерные технологии также могут играть важную роль. Может, есть смысл Вашему фонду подтолкнуть один из таких проектов?

— И да, и нет. Расчеты показывают, что эквивалентный размер телескопа, находящегося в Солнечной системе, должен составлять сотни километров. Конструкция подобного масштаба в открытом космосе вряд ли реализуема в обозримом будущем. Однако наш фонд уже ведет переговоры о финансировании ряда инициатив с горизонтом в несколько лет по увеличению возможностей наземных телескопов, в частности установки coronаgraphic infrared camera. Это вполне практические шаги, которые можно предпринять уже в ближайшее время. Кроме того, лазерная установка на Земле, которая является частью нашего предложения, может найти другие полезные применения, в частности отклонение потенциально опасных астероидов. Не надо также забывать, что она сама будет являться мощным телескопом, хотя и в узком диапазоне частот.

— Последний вопрос касается Вашего предыдущего проекта — поиска сигналов внеземных цивилизаций. Он весьма рискованный, в том смысле, что с очень большой вероятностью сигналов нет. Тем не менее, по-моему, кто-то должен этим заниматься, и очень жаль, что программа SETI лишилась господдержки. Риск не найти сигнала можно скомпенсировать побочными данными, открытостью данных радионаблюдений и публичным сбором заявок на наблюдения в рамках программы. Это повысит интерес к проекту, привлечет исследователей, сделает его более содержательным и даст хороший просветительский эффект. Предпринимаете ли Вы усилия в этом направлении? Есть ли данные наблюдений по Вашей программе в открытом доступе?

— Абсолютно с Вами согласен. Более того, месяц назад мы объявили, что полностью открываем информацию обо всех наблюдениях. Архив данных выложен в свободном доступе на сайте проекта, равно как и план наблюдений на ближайшие полгода. Мы также открыты для любых разумных предложений в этой области. В целом же, с моей точки зрения, неважно, кто финансирует такие рискованные проекты — государство или частные лица. Главное, чтобы эксперименты такого рода не прекращались, ведь технологии постоянно совершенствуются. Сейчас уже никто не вспомнит, кто финансировал экспедицию Колумба, но все помнят об открытии Америки.

Интервью с Филипом Любиным

— Диэлектрическое зеркало, предназначенное для отражения излучения от паруса и зонда*, работает благодаря четвертьволновым слоям с разным показателем преломления. Излучение всё же проникает в пару внешних слоев. Может ли это излучение при плотности несколько гигаватт на м² испарить (или аблировать) внешний слой? Потом настанет очередь следующего слоя и так далее. Вы рассматривали такую проблему?

— Да. Мы в качестве основы используем для паруса полностью диэлектрическое зеркало с чрезвычайно низким поглощением и умеренным коэффициентом отражения. Существующие материалы поглощают 20 триллионных на микрон толщины. (См. секцию 4 и рис. 18 в препринте.)

— Отражение Брэгга (диэлектрические зеркала) работает в узком диапазоне длины волны, так как слои по толщине подогнаны под определенную длину волны. Эффект Доплера по мере ускорения зонда сдвинет длину волны более чем на 20%. При этом коэффициент отражения катастрофически упадет, если не подстраивать частоту лазеров. Существуют ли мощные лазеры с перестраиваемой частотой в таком диапазоне? Если да, сколько они могут стоить?

— Отражатель будет настроен примерно на двадцатипроцентную ширину полосы. Мы спроектировали такие отражатели, и, если необходимо, доступны отражатели с большей шириной.

— Предположим, вы можете идеально управлять профилем ускоряющего луча. Но невозможно управлять зондом из-за большой временно́й задержки. Может оказаться, что в луче, который вроде обеспечивает статическое равновесие, разовьется динамическая нестабильность типа автоколебаний. Существуют ли какие-то оценки по этому поводу?

— Согласен, это может стать проблемой. Нам нужна самостабилизирующаяся система с пассивной стабилизацией.

— Теперь главное сомнение по поводу ускоряющего луча. Чтобы победить мелкомасштабную атмосферную турбулентность, фазируемая решетка должна быть разбита на очень мелкие элементы. Размер излучающего элемента должен быть меньше радиуса Фрида, то есть 20–25 см для микронной длины волны. Имея в виду плотно упакованную решетку 1×1 км, получаем минимум 20 млн излучателей. Вас не пугает это количество?

— Да, именно по этой причине мы планируем небольшие излучатели. Число их будет велико, но оно меня не пугает.

— Типичное время переменности для мелкомасштабной турбулентности — миллисекунды. Это значит, что для управления фазами с обратной связью опорный «бакен» должен быть не дальше нескольких сот километров и точно на линии излучатель — зонд. Как это можно сделать?

— Это сложная часть системы управления с обратной связью и прямого управления. Мы планируем использовать много бакенов как на зонде, так и на материнском корабле, и в атмосфере.

— Что будет служить бакеном для фазирования решетки при приеме сигнала от зонда по прибытию? Альфа Центавра? Но это двойная звезда. Нет ли тут проблемы?

— Лазерная коммуникационная система действительно сложна. Мы будем отслеживать зонд на пути к цели, поэтому будем знать, где он находится. У нас также есть возможность расширить пучок, чтобы легче отслеживать зонд. Это не изменит темп приема данных, но увеличит шум, так что мы будем фокусировать луч как можно ýже. Мы также хотим использовать звезды как бакен для настройки, но для надежности будем отслеживать зонд.

— Предположим, что зонд достиг Альфы Центавра. Предположим, что парус как-то превратился в идеальную линзу Френеля (это, кстати, хорошая идея — сделать из паруса параболическое зеркало было бы куда трудней). Предполагая фокусировку идеальной, получаем выигрыш 13 порядков, то есть эквивалент изотропного излучателя 10¹³ Вт. Но здесь вы сталкиваетесь с проблемой гало. При размере модуля излучателя/приемника 20 см, в гало размером 2” будет почти половина света звезды, которая на 13-14 порядков ярче. Сколько-то порядков величины вы сможете выиграть за счет узости линии передатчика (а какая у него достижимая ширина?). Но всё равно проблема выделения сигнала на фоне гало звезды выглядит почти безнадежной. Не лучше ли использовать для приема сигнала космический интерферометр?

— За основу взят тонкопленочный дифракционный элемент — тот же парус. Это сложно и требует большой работы, чтобы понять, как это сделать правильно. Соответствующий пункт — один из главных в дорожной карте. Свет от звезды на самом деле слаб, так как ширина линии нашего лазера очень мала. (См. разделы препринта 7 — 5.10.) Узкая линия — ключевой фактор в сокращении фона.

— Если вы в конце концов сможете принять сигнал от зонда, тогда вам не нужен зонд, поскольку у вас будет инструмент, который способен видеть экзопланеты на десятках парсек. В принципе (имея приемник с перестраиваемой длиной волны), вы можете видеть, есть ли кислород в атмосфере планеты, и тогда сможете определить, стоящая ли это цель для отправки зонда. Конечно, подобный инструмент можно сделать дешевле и лучше, чем наземная огромная решетка лазеров. Может быть, такой подход к изучению внесолнечных систем логичней?

— Мы планируем добавить к зонду инфракрасный спектрометр в качестве более долговременной программы в дополнение к камере и другим сенсорам. У нас отличная группа фотоники в Университете Санта-Барбары, которая является частью коллаборации. Использование фазируемой решетки как очень большого телескопа открывает новые возможности в астрономии.

— Вероятно, у вас есть ряд гораздо более реалистичных подпроектов по изучению Солнечной системы с лазерными парусами? Было бы интересно услышать о некоторых из них.

— Первые полеты будут в пределах Солнечной системы. Поскольку мы можем посылать огромное количество зондов, это дает нам много разных возможностей. Мы также можем посылать маленькие (wafer-scale) зонды на обычных ракетах и использовать те же технологии для изучения Земли, Солнечной системы и т. д.

Заключение

Этим материалом дискуссия лишь начинается. Количество непроясненных вопросов, оставшихся за ее рамками, огромно. Предлагаем продолжить дискуссию в комментариях к онлайн-версии статьи, где можно не только высказать свое мнение, но и задать вопросы, наиболее адекватные из которых мы переадресуем Филипу Любину. На сей раз дискуссия будет модерироваться. Премодерации не предполагается, но малозначимые посты будут через некоторое время удаляться. Наоборот, грамотные утверждения и вопросы будут сведены в следующую онлайн-публикацию.

* Первые два вопроса подразумевали первую версию проекта с более толстым парусом. Что касается второй версии, они остаются актуальными для самого зонда и, вероятно, для строп.