Em algumas décadas, a iniciativa Breakthrough Starshot espera enviar um veleiro para o sistema vizinho de Alpha Centauri. Usando uma vela de luz e uma matriz de laser de energia direcionada, uma pequena espaçonave poderia ser acelerada a 20% da velocidade da luz (0,2 c). Isso permitiria que Starshot fizesse a jornada para Alpha Centauri e estudasse quaisquer exoplanetas lá em apenas 20 anos, cumprindo assim o sonho da exploração interestelar em nossas vidas.

Naturalmente, este plano apresenta uma série de desafios de engenharia e logística, um dos quais envolve a transmissão de dados de volta à Terra. Em um estudo recente, Diretor de Sistemas Starshot Dr. Kevin L.G. Parkin analisa a possibilidade de usar um laser para transmitir dados de volta à Terra. Este método, argumentou Parkin, é a maneira mais eficaz para a humanidade ter um vislumbre do que está além de nosso sistema solar.

O autor do estudo, Dr. Kevin Parkin, atuou como diretor de sistemas da Breakthrough Starshot desde 2016. Antes disso, ele foi premiado com a Medalha Korolev pela Federação Russa de Astronáutica e Cosmonáutica por seu trabalho inovador em propulsão térmica por microondas. Ele também fundou a empresa aeroespacial sediada em San Francisco Parkin Research, que é especializada no desenvolvimento de tecnologias de redução de custos.

Abordando o problema de um downlink de comunicações, O Dr. Parkin procurou calcular a melhor opção para uma vela e espaçonave integradas (veleiro). Para este fim, ele considerou a possibilidade de um transmissor de laser de feixe estreito a bordo do Sailcraft Starshot de 4,1 m (13,45 pés) de diâmetro, que começaria a transmitir para um telescópio de 30 metros (~ 100 pés) na Terra assim que alcançasse Alpha Centauri.

Essa matriz teria a forma de uma matriz óptica de fase de 100 watts (embutida na própria vela) que usa lasers para transformar a energia do meio interestelar (ISM). Dr. Parkin prevê que a matriz transmitirá dados em um comprimento de onda de 1,02 micrômetros, que seria então recebido a 1,25 micrômetros pelo telescópio - o que coloca as transmissões no espectro infravermelho próximo / ultravioleta próximo.

Este tipo de downlink apresenta muitas vantagens sobre as comunicações que dependem de ondas de rádio ou transmissões de microondas. Como Dr. Parkin disse à Universe Today por e-mail:

"Em relação às microondas, lasers têm um comprimento de onda mil vezes menor, e assim formar um feixe muito mais estreito de Alpha Centauri para a Terra ... A vantagem de transmitir 100 watts por toda a área do veleiro é que o receptor baseado na Terra encolhe para um telescópio de 30 metros, algo que provavelmente estará por aí em uma ou duas décadas. "

Dr. Parkin também acrescentou que dentro do mesmo período de tempo, melhorias em filtros e detectores permitirão arranjos de telescópios medidores que podem trabalhar juntos para receber sinais da espaçonave. Contudo, tal sistema de comunicação também vem com sua cota de desvantagens, um dos quais está diretamente relacionado à sua natureza de viga estreita. Basicamente, a matriz terá que ser apontada com precisão para a Terra para que os dados sejam recebidos.

"Se o veleiro sentir a direção relativa do meio interestelar, que aponta de volta para a Terra (ou, pelo menos, onde a Terra estava quando o veleiro foi lançado), "disse o Dr. Parkin." A partir daí, terá que encontrar o sol. Então, porque a largura do feixe é apenas um décimo da distância do sol à Terra, o veleiro terá que calcular ou encontrar a posição relativa da Terra e apontar para ela. "

Contudo, isso pode ser superado com o envio de várias espaçonaves, o que está de acordo com a visão geral de Starshot. Por anos, A Breakthrough Initiatives está contemplando como uma frota de "nanocraft" rebocado por vela de luz que pesa apenas alguns gramas poderia permitir viagens e exploração interestelar. Como o Dr. Parkin explicou:"A economia favorece o lançamento de luz e, muitas vezes, como um veleiro de 4 gramas por semana (o custo da energia é de apenas $ 6 milhões). Isso significa que não haverá apenas um downlink, mas muitos downlinks. Visto da Terra, os vários veleiros serão alinhados no céu, formando uma espécie de oleoduto de veleiros em vários estágios de encontro com Alpha Centauri. "

Um benefício adicional de enviar várias espaçonaves com downlinks diretos, acrescenta Dr. Parkin, é a possibilidade de ligações cruzadas entre eles. Neste cenário, a conexão com a Terra se tornaria um pipeline de dados próprio - um pipeline dentro de um pipeline. Isso reduziria o risco de perda de dados essenciais e permitiria aos veleiros que já passaram pelo sistema Alpha Centauri retransmitir informações para aqueles que ainda estão em rota.

Uma recomendação final que o Dr. Parkin fez no artigo foi a inclusão de um algoritmo distribuído que permitiria à espaçonave funcionar em conjunto e com um certo grau de autonomia, cada um responsável por mapear uma parte diferente do sistema Alpha Centauri. O Dr. Parkin indica que isso reduziria o "ciclo de decisão e ação, "que é incrivelmente lento em distâncias interestelares:

"As vantagens de fazer isso são enormes - todo o sistema pode ser explorado e mapeado antes que os primeiros dados cheguem à Terra. o primeiro barco a vela pode localizar um planeta distante como um ponto de luz que se move entre as imagens, e com base nisso, restringir sua órbita para que o próximo barco a vela possa manobrar para passar a uma distância mais próxima, resolver os detalhes da superfície. O veleiro subsequente pode construir mapas, características da superfície da pista, e descobrir a maioria dos planetas e luas no sistema ao longo do tempo. "

Para quebrar tudo, O Dr. Parkin prevê uma frota de veleiros conduzindo explorações automatizadas de sistemas estelares distantes. O primeiro a entrar no sistema seria responsável por mapear os planetas e luas, a próxima onda caracterizaria suas órbitas, e aqueles que seguem irão observá-los de perto e mapear e monitorar suas superfícies.

A este respeito, o conceito apresentado aqui aborda um dos maiores desafios da exploração interestelar, qual é a dificuldade de comunicação com sondas em distâncias tão grandes. O Prof. Abraham Loeb - o Frank B. Baird Jr. Professor de Ciências da Universidade de Harvard e presidente do Breakthrough Starshot Advisory Committee - disse à Universe Today por e-mail:

"O link de comunicação que o artigo de Kevin aborda é um dos maiores desafios para o programa Starshot. A vasta distância até a estrela mais próxima, 4,24 anos-luz, e a baixa potência da transmissão, implica um sinal fraco e, portanto, um grande receptor na Terra. Não há oportunidade de enviar comandos para a espaçonave em tempo real porque a viagem mais curta de dois sentidos de sinais de luz levaria 8,48 anos. "

Finalmente, O Dr. Parkin abordou a questão candente do que precisa acontecer antes que um projeto dessa natureza possa ser realizado. Embora o artigo apresente várias soluções criativas para o desafio das comunicações, um dos problemas mais difundidos que persegue o Starshot é o fato de que avanços e inovações futuros são necessários para trazê-lo para o reino da eficácia de custos.

"Para realizar todas as capacidades de um veleiro, conforme descrito aqui, pode levar 100 anos, ou pode ser um subproduto da pesquisa orientada comercialmente nas próximas décadas, ", disse ele." Matrizes em fase de micro-ondas estão em uso há 50 anos, mas os arranjos ópticos em fase ainda não chegaram, e vai dar muito trabalho para integrar em uma vela de cerâmica. A geração de energia a partir do meio interestelar é indiscutivelmente exclusiva do Starshot e precisa de pesquisa, mas a recompensa é que a potência disponível para o downlink é ordens de magnitude maior do que de outra forma possível. "

Então de novo, todo e qualquer conceito de exploração interestelar ou do espaço profundo apresenta sua cota de desafios, alguns deles particularmente assustadores. E como tantos outros obstáculos técnicos enfrentados pela equipe Starshot, esses desafios têm uma forma de inspirar soluções criativas e inovadoras. Enquanto isso, tudo o que podemos fazer é esperar e torcer para que ocorra progresso e crie novas oportunidades.

Estudos anteriores do Dr. Parkin incluem o estudo de 2018, "O modelo revolucionário do sistema Starshot, "que apareceu em Acta Astronautica . Este artigo descreve a missão e o conceito do Starshot em detalhes e como isso beneficiaria a exploração humana, não apenas no domínio interestelar, mas também dentro do sistema solar.