Schwarmflug nach Proxima Centauri: Kohärente Schwärme aus Piko-Raumfahrzeugen über interstellare Distanzen
Überblick
- Artikeltitel: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- Autor: Keith Cowing
- Quelle: NASA NIAC
- Datum: 18. Mai 2024
- Thema: 'Oumuamua, Interstellar, laser propulsion, NASA, NIAC, Picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks
Zentrale Inhalte
Das Potenzial von Piko-Raumfahrzeugen
- Piko-Raumfahrzeuge: Es wird erwartet, dass ultrakleine Raumfahrzeuge im Grammbereich, die durch Laserlicht angetrieben werden, die einzige Technologie sind, mit der andere Sterne erreicht werden können.
- Laserantrieb: Es wird angenommen, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts ein leistungsstarker Laserstrahl von etwa 100 GW einige Gramm schwere Raumfahrzeuge auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen kann.
- Lasersegel: Erforderlich sind ein robustes Lasersegel, das den Start übersteht, und ein großer optischer Empfänger auf der Erde (~1 Quadratkilometer), der optische Signale erfassen kann.
Repräsentative Mission
- Missionsziel: Vorgeschlagen wird eine Mission zur Mitte des Jahrhunderts, bei der ein Schwarm aus Tausenden von Piko-Raumfahrzeugen an Proxima b vorbeifliegt.
- Randbedingungen: Es gibt extreme Beschränkungen bei Startmasse (Gramm), Bordstromversorgung (Milliwatt) und Kommunikationsapertur (Zentimeter bis Meter).
- Notwendigkeit eines Schwarms: Viele Raumfahrzeuge müssen zusammenarbeiten, um ein starkes optisches Signal zu erzeugen.
Autonomie und Netzwerk
- Autonomie: Wegen einer Signallaufzeit von 8 Jahren für Hin- und Rückweg ist eine praktische Steuerung von der Erde aus unmöglich, daher muss der Schwarm hochgradig autonom sein.
- Netzwerk: Über optische Low-Power-Links muss ein Mesh-Netzwerk aufgebaut und die Uhren mit der Erde sowie untereinander synchronisiert werden, um präzises Positioning, Navigation and Timing (PNT) zu unterstützen.
Start und Flug
- Startmethode: Ausgangspunkt ist eine lange Kette von Raumfahrzeugen, die einzeln mit etwa 0,2c gestartet werden.
- Zeitsynchronisation: Nach dem Start wird der Antriebslaser für Signale und die Uhrensynchronisation genutzt und liefert ein kontinuierliches Zeitsignal.
- Geschwindigkeitssteuerung: Die anfängliche Beschleunigung wird so angepasst, dass das Ende der Kette auf den Kopf aufschließt.
- Schwarmbildung: Die anfangs mehrere Hundert bis Tausend AU lange Kette verbindet sich mit der Zeit dynamisch zu einem linsenförmigen Mesh-Netzwerk.
Kommunikation und Datenübertragung
- Positionssynchronisation: Die Mitglieder des Schwarms kennen ihre relativen Positionen zueinander und halten die Synchronisation mit aktuellen mikro-miniaturisierten Uhren aufrecht.
- Datenübertragung: Alle Raumfahrzeuge senden dieselben Daten, passen aber ihre Sendezeit entsprechend ihrer relativen Position an, sodass die Signale gleichzeitig am Empfangsarray auf der Erde ankommen.
- Leistungsverstärkung: Jedes Raumfahrzeug im Schwarm erzeugt einen einzelnen kurzen, aber sehr hellen Laserpuls, um die Fähigkeit zur Datenübertragung zu maximieren.
Vorteile des Schwarms
- Risikominderung: Ein Schwarm kann auf dem Flug erhebliche Verluste verkraften und mindert damit das Risiko, "alle Eier in einen Korb zu legen".
- Mehrfachbeobachtung: Proxima b kann aus mehreren Perspektiven und aus der Nähe beobachtet werden.
Experimente und künftige Missionen
- Aktuelle Experimente: Schwarmtechnologien können in Simulationsumgebungen erforscht und getestet werden.
- Künftige Missionen: Erwartet werden mehrere Missionen, die im Erd- oder Mondorbit beginnen und bis ins äußere Sonnensystem erweitert werden können.
- Beispielmissionen: Erkundet werden könnten das sich schnell entfernende interstellare Objekt 1I/’Oumuamua oder die solare Gravitationslinse.
Meinung von GN⁺
- Technische Herausforderung: Die Autonomie und Netzwerksynchronisation von Piko-Raumfahrzeugschwärmen stellen eine sehr hohe technische Herausforderung dar.
- Zukünftiges Potenzial: Wenn diese Technologie erfolgreich ist, kann sie ein neues Kapitel der Weltraumerkundung eröffnen und bestehende Technologien ergänzen.
- Risikofaktoren: Zwar kann der Schwarm erhebliche Verluste verkraften, dennoch bestehen weiterhin viele technische Risiken.
- Kostenfrage: Die Kosten und Ressourcen für die Durchführung solcher Missionen dürften beträchtlich sein.
- Ähnliche Projekte: Es gibt auch andere Projekte mit ähnlichen Zielen, etwa Breakthrough Starshot.
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ich wurde 11 Jahre nach der Mondlandung geboren, und wenn ich theoretisch 120 Jahre alt werde, könnte ich vielleicht Flyby-Daten der Proxima-Schwarmsonden sehen.
Die Rechnung geht von einem Start 2076, 20 Jahren Flugzeit mit 0,2c und 4 Jahren für die Rückübertragung der Informationen aus.
Die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Plan tatsächlich umgesetzt wird, ist sehr gering, ebenso wie die, dass ich so lange lebe. Aber die Vorstellung, dass die Menschheit innerhalb ungefähr eines Menschenlebens vom Mond bis zum nächsten Stern gelangen kann, ist weiterhin inspirierend.
Auf Proxima wird es wohl, wie auf dem Mond, „nichts“ geben, aber darum geht es nicht.
Das Wertvolle liegt bei den Menschen, die mit uns auf der Erde leben, doch wir brauchen gemeinsame Ambitionen und Träume.
Damit ein Traum es wert ist, geträumt zu werden, muss er nicht unbedingt vernünftig sein; vielmehr ist die „Vernünftigkeit“ von Quartalsberichten und Leistungsbeurteilungen der Feind von Träumen.
Auch die Monde der Gasriesen galten einst als inaktiv und langweilig, doch als wir sie aus der Nähe sahen, erwiesen sie sich als voller vielfältiger und interessanter Merkmale.
Es gibt irgendein „Gesetz“ oder „Paradoxon“, dessen Name mir nicht einfällt: Selbst wenn man 2076 etwas mit 0,2c startet, könnte man später etwas Schnelleres losschicken, das die ursprüngliche Sonde überholt.
Bevor wir es nicht selbst sehen, können wir es nicht wissen.
Die Erklärung, dass der gesamte Schwarm gleichzeitig sehr helle Laserpulse erzeugt, um mit der Erde zu kommunizieren, wirkt nicht machbar.
Soweit ich es verstehe, gibt es keine Methode zur Positionshaltung, und selbst wenn das interstellare Medium relativ leer ist, wird es über Lichtjahre hinweg zu Drift kommen.
Dass unabhängige Raumsonden ihre Signale so präzise synchronisieren und überlagern, dass sie auf der Erde empfangen werden können, erscheint nicht plausibel; außerdem dürfte die Abschwächung enorm sein — ich würde gern die Zahlen sehen.
Ein gewisses Maß an Positionshaltung ist ebenfalls möglich.
Die Idee ist, durch Ausrichtung der Sonde Betrag und Richtung des Widerstandsvektors zu steuern.
https://arxiv.org/abs/2309.07061
Mit heutiger Technik ist das eindeutig unmöglich, aber es scheint nicht völlig auf dem Niveau magischer Materialien zu liegen.
Es klingt nach einem Plan, die Signale der einzelnen Sonden kohärent zu addieren, und dafür müssten auch die Laserpulse untereinander kohärent sein.
Sichtbares Licht hat Wellenlängen von einigen Hundert Nanometern; im Verhältnis zu den angegebenen, viel größeren Abständen zwischen den Sonden bräuchte man räumlich genau diese Präzision.
Berücksichtigt man auch zeitliche Kohärenz, ist es wahrscheinlich unmöglich, ohne dass die Sonden aktiv auf die Laser der jeweils anderen einrasten; dann bräuchte jede Sonde mindestens eine Optik, um optische Signale an nahe Nachbarn zu senden und von ihnen zu detektieren.
Es ist schwer zu behaupten, dass das innerhalb der Gewichtsbeschränkungen unmöglich ist, aber es wirkt ziemlich unausgereift.
„Über Lichtjahre“ bedeutet, dass es buchstäblich Jahre dauert, Bewegungen miteinander abzustimmen — ganz zu schweigen von Koordinationsnachrichten, die nach dem Start von der Erde gesendet werden.
Jede Sonde kann ihren Kommunikationslaser als Schubquelle nutzen.
In ähnlichem Zusammenhang würde ich zu meinen Lebzeiten sehnlich gern sehen, wie Exoplaneten mit der solaren Gravitationslinse aufgenommen werden.
Es bleibt noch ziemlich viel Zeit, aber es ist frustrierend, dass sich solche großen Astronomieprojekte nur in winzigen Schritten bewegen.
Man müsste nur ein Teleskop bei L2 platzieren, statt wie bei der solaren Gravitationslinse in 540 AU Entfernung.
Es wäre nicht so leistungsfähig wie Letztere, aber allein die Größenordnung der Entfernung macht es viel praktikabler, und im Grunde wäre es ein James Webb für die „Erdbeobachtung“.
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
Und trödel nicht herum: bis 2050 bitte auch das erste Licht der Linse einfangen.
Das ist eines der Traumprojekte, die ich vor meinem Tod gern verwirklicht sehen würde.
Für alle, die nicht wissen, was das ist und was es bedeuten könnte:
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
Es gibt das Konzept von Projekten über Jahrzehnte hinweg, und manchmal werden sie in Arbeitsgruppen oder kleineren Gruppen laufend verfeinert.
Möglicherweise gibt es absichtlich nicht viel öffentliche Diskussion.
Eine Idee kann lange noch nicht umsetzbar sein, und wenn neue Technologien auftauchen, wird eine alte Idee wieder aus der Schublade geholt.
Manche Ideen sind außerdem so fantastisch, dass sie sofort Gegenwind auslösen, was es für Leute im Kongress schwierig macht, aufzuspringen und Mittel bereitzustellen.
Zum Glück war JWST trotz aller Verzögerungen ein Publikumserfolg, sodass solche Projekte nun positiver gesehen werden.
Ich hoffe nur, dass Boeing nicht daran beteiligt wird.
Wenn du viel Zeit hast, könntest du auch selbst bei diesem Projekt helfen, das du sehen willst.
Für diesen Zweck erscheinen Schwarmsonden ineffizient
Sie duplizieren viel zu viel Masse, obwohl diese Masse auch in einem einzelnen Raumfahrzeug mit ausreichender Redundanz genutzt werden könnte, statt „alles in einen Korb“ zu legen
Außerdem wirkt die Erklärung unmöglich, dass eine anfängliche Linie von Hunderten bis Tausenden AU Länge sich mit der Zeit zu einem linsenförmigen Mesh-Netzwerk von 100.000 km Breite zusammenfügt
Wie sollen extrem kleine Objekte am vorderen oder hinteren Ende der Linie, deren einzige Energiequelle ein Laser in mehreren Lichtjahren Entfernung ist, genug abbremsen oder beschleunigen, um sich über Hunderte AU neu zu positionieren, und dann wieder auf eine Geschwindigkeit einregeln, mit der sie die Formation halten?
Zeigt die Linse für Aufnahmen auf das Ziel oder für die Kommunikation zur Erde? Im ersten Fall: Wie erhält man den Gewinn, um Signale zur Erde zu senden; im zweiten: Wie betreibt man nützliche Wissenschaft am Ziel?
Hat überhaupt jemand auch nur eine sehr grobe Link-Budget-Berechnung für die Kommunikation gemacht? Laserstrahlen divergieren und verlieren ihre Kohärenz – warum wirkt es, als werde angenommen, sie würden ewig konvergieren und kohärent bleiben?
Wie hoch ist die Energiedichte, wenn ein 100-GW-Laser auf 100.000 km divergiert ist und man sich bei einem Radius von ±50.000 km befindet? Denn ich würde erwarten, dass Schwarmmitglieder am Rand der Linse dieselbe Leistung benötigen wie die im Zentrum
Deshalb muss man kleine Raumfahrzeuge verwenden, und da ein einzelnes solches kleines Raumfahrzeug nicht alles leisten kann, schickt man mehrere
Außerdem ist der Vorschlag nicht so gemeint
Jedes Raumfahrzeug hätte seine eigene Energiequelle, und es gibt auch keine reale Schnur
„Linie“ und „Mesh“ bezeichnen hier keine physischen Objekte, sondern geometrische Formen
Wie sie zusammengeführt werden, steht im Satz direkt vor dem Zitat: Die anfängliche Beschleunigung wird so angepasst, dass das Ende der Linie den Kopf einholt, und während der 20-jährigen Flugphase nutzt man den Widerstand des interstellaren Mediums, um den Schwarm nach dem Zusammenbau zusammenzuhalten
Die Kommunikationslinse hat nichts mit der Linsenform des Sonden-Meshs oder den Datenerfassungsgeräten zu tun
Für das Aufnehmen von Bildern und das Senden werden unterschiedliche Dinge verwendet
Der Gewinn beim Senden zur Erde entspricht der Beschreibung im Artikel: Jede Sonde sendet dieselben Daten, passt aber die Sendezeit an ihre relative Position an, sodass die Pulse gleichzeitig beim Empfangsarray auf der Erde ankommen
Die Energiedichte eines 100-GW-Lasers nach der Divergenz ist irrelevant, weil er keine Stromversorgung darstellt
Asimov hat so etwas beschrieben; wenn man ihn nur nahe genug an die Sonne bringen könnte, ließe sich damit den dunklen Regionen des Universums unbegrenzt Energie zuführen
Die Leute, die das Pechtropfenexperiment betreiben, erwarten nicht, zu ihren Lebzeiten ein endgültiges Ergebnis zu sehen
Doktoranden am JPL vor der Zeit, als Raketentechnik alltäglicher wurde, haben sich vermutlich ähnlich gefühlt
Wer an diesem Vorhaben mitwirken will, kann Freude oder Anerkennung nur dann daraus ziehen, wenn er akzeptiert, dass zu seinen Lebzeiten im besten Fall sekundäre oder tertiäre Ergebnisse herauskommen – nicht aber praktische Resultate des Geräts selbst
Verglichen damit, beim Bau des SKA zu helfen oder Webb zu starten, könnten die Ergebnisse pro Person und Kosten innerhalb eines Lebens dort größer sein
Das heißt nicht, dass das „besser“ wäre, sondern nur, dass es wissenschaftliche Ergebnisse der Hauptmission schneller liefert
Auch im Bereich der sekundären und tertiären Effekte gibt es viel gute Wissenschaft
Das Verhalten von Systemen, die so ausgelegt sind, dass sie nach langfristiger Lagerung im Weltraum aktiviert werden, neue Antriebsmodelle und so weiter – an guter Wissenschaft mangelt es nicht
Ich habe gehört: Wenn man Voyager heute noch einmal machen würde, könnte man sich 10- oder 100-mal bessere Trägerraketen und Funkfrequenzsysteme leisten und damit Ergebnisse an denselben Orten schneller erhalten
Aber niemand, der an Brilliant dust arbeitet, wird Ergebnisse wie „aktuelle Nahaufnahmen von Proxima Centauri“ sehen
Die Kosten, einen nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, sind einfach zu hoch
Wenn der Laser auf nichts trifft: Über welche Entfernung bleibt der Strahl ziemlich eng gebündelt? Ist das eine Funktion der Geometrie des Emitters?
Wenn man einen 100-GW-Laser auf ein kleines Stück Silizium richtet, wird es sehr heiß; daher frage ich mich, ob das periodische Treffen einer sehr kleinen Sonde aus großer Entfernung nicht nur für Antrieb, sondern auch als Stromversorgung dienen könnte
Vorausgesetzt, man kann sie auch aus hinreichend großer Entfernung treffen
Die Sonde extrem leicht zu machen, ist eine überzeugende Antwort auf das Problem, Masse auf für interstellare Flüge nützliche Geschwindigkeiten zu beschleunigen, und man kann auch eine beträchtliche Menge an Maschinerie in ein Stück Silizium packen
Dass ein Chip Energie von einem entfernten Laser-Emitter aufnimmt, einen Teil davon speichert, Berechnungen ausführt und Energie über etwas LED-Ähnliches auf seiner Oberfläche abstrahlt, um seine Position feinzujustieren oder mit anderen Chips im Schwarm zu kommunizieren, ist zumindest lose plausibel
Für Science-Fiction funktioniert es allemal, und vielleicht lässt es sich auch in der Realität umsetzen
Das ist die Entfernung, bei der der Strahl auf sqrt(2) der anfänglichen Strahlgröße, also der Taille, divergiert [1]
Diese Entfernung ist proportional zum Quadrat der Strahltaille und umgekehrt proportional zur Wellenlänge
Bei einem 1-m-Strahl und 1 µm Wellenlänge wären das etwa 3e6 m, also 3000 km
Daher verringern ein größerer Strahldurchmesser und eine längere Wellenlänge die Divergenz
Es gibt auch „nicht beugende“ Strahlformen, die über eine anfängliche Strecke ihre ursprüngliche Strahlform beibehalten können, zum Beispiel Bessel-Strahlen [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
Der Teil, in dem die Borduhren der Sonden mit der Erde und untereinander synchronisiert werden, um präzise Positions-, Navigations- und Zeitinformationen zu unterstützen, wirkt zumindest auf den ersten Blick wie eine enorme Herausforderung, wenn man bedenkt, dass sie sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen
Wie wird abgebremst? Wird das Segel irgendwann umgedreht, um mit Sternenlicht abzubremsen?
Wenn man viele Sonden optisch kohärent halten kann, dann kann man das auch mit getrennten Spiegeln innerhalb des Sonnensystems
Ein 100.000-km-Teleskop von der Größe dieses Schwarms könnte auf Proxima Centauri Merkmale von unter einigen Hundert Metern auflösen
Oder man könnte ein rechnerisches Interferometer verwenden, müsste dafür aber bei sichtbaren Wellenlängen die Phase des Lichts exakt messen können – und das ist ein bislang ungelöstes Problem
Zu der Aussage, dass „das Antreiben kleiner interstellarer Sonden im Gramm-Bereich mit Laserlicht wahrscheinlich die einzige Technologie ist, mit der wir in diesem Jahrhundert einen anderen Stern erreichen können“, kann ein Blick auf Beam Propulsion hier eine andere Perspektive liefern
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
Wenn man selbst bei noch so weit fortgeschrittener Technik nur Objekte mit geringer Masse auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann, könnten hochintelligente und technologisch fortgeschrittene Wesen ihre eigene Körpermasse reduziert haben, um die Galaxie zu erkunden
Die fortschrittlichsten und intelligentesten Wesen könnten nur wenige Gramm wiegen
Zumindest ist es ein interessantes SF-Thema ;-)