Novos sistemas de propulsão de energia direcionada podem permitir as primeiras missões interestelares, com pequeno, espaçonave robótica explorando sistemas solares vizinhos, de acordo com o cosmologista experimental Philip Lubin. Ele apresentará esses e outros avanços no Congresso de Laser da The Optical Society (OSA), Light the Future Speaker Series, 4 a 8 de novembro em Boston.

Imagine uma nave espacial fina como uma bolacha alimentada por luz laser capaz de velocidades superiores a um quarto da velocidade da luz - rápida o suficiente para alcançar a estrela vizinha mais próxima de nosso sistema solar em 20 anos, ou algo mais perto de casa, como levar as pessoas a Marte em um mês. Aproveitando a propulsão movida a fotônica, pesquisadores estão a caminho de tornar realidade essa conquista aparentemente impossível de ficção científica, disse Lubin, que é professor de física na Universidade da Califórnia, Santa Barbara.

Os resultados da pesquisa que Lubin descreverá derivam dos programas Starlight e Breakthrough Starshot da NASA, ambos apoiam pesquisas avançadas em fotônica. Lubin é diretor do programa Starlight.

"Fotônica, a produção e manipulação de luz, já faz parte de nossas vidas diárias - de telefones celulares a computadores, lâmpadas de diodos emissores de luz (LED) e fibras ópticas que transportam seus dados por todo o lugar - mesmo que você não os veja, "disse Lubin." Você pode apontar exemplos práticos de fotônica na vida cotidiana e parece não ter nada a ver com o vôo interestelar, mas na verdade é, porque é sinérgico com a tecnologia de que você precisa para alcançar o vôo interestelar. "

Um dos maiores desafios na validação deste conceito de fotônica no que se refere à propulsão é a demonstração da potência do laser necessária para acelerar a espaçonave proposta / hipotética, de acordo com Lubin.

Óptica sintetizada para sistemas de propulsão de energia direcionada

Grandes sistemas de energia direcionada não são construídos usando um único laser gigante, mas em vez disso, confie na combinação de feixe, que envolve o uso de muitos amplificadores laser de potência muito modestos.

"Nosso sistema alavanca uma tipologia estabelecida chamada design de 'Amplificador de potência do oscilador mestre', ", disse Lubin." É um sistema distribuído, de modo que cada "bloco de construção" do amplificador de laser tem entre 10 e 1000 Watts. Você pode segurá-lo em suas mãos. Em vez de construir um laser gigante, você combina vários pequenos amplificadores de laser que, quando combinados, formam um sistema extremamente poderoso e revolucionário. "

Lubin sugere uma analogia com supercomputadores, que são construídos usando um grande número de unidades de processamento central (CPUs). "Combinando coerentemente bilhões de amplificadores de potência a laser de baixa potência - semelhantes à mesma potência de um LED doméstico moderno típico - você de repente tem este sistema de energia direcionada incrivelmente capaz, " ele disse.

Sondas interestelares alimentadas por luz laser

Os sistemas de energia direcionada podem permitir sondas interestelares como parte da exploração humana em um futuro não muito distante, e eles estão no centro do programa Starlight da NASA e da Breakthrough Starshot Initiative para permitir as primeiras missões interestelares da humanidade. A mesma tecnologia central tem muitos outros aplicativos, tais como viagens interplanetárias rápidas para missões de grande massa, incluindo aqueles que transportam pessoas; defesa planetária; e a busca por inteligência extraterrestre (SETI).

"Nosso foco principal atualmente é em espaçonaves robóticas muito pequenas. Elas não carregam humanos a bordo - não é o objetivo para a porção interestelar de nosso programa, "disse Lubin." Se a humanidade quiser explorar outros mundos fora do nosso sistema solar, não há outras opções de propulsão fisicamente obtidas para fazer isso - com duas exceções.

"Uma maneira seria se pudéssemos dominar uma abordagem tecnológica conhecida como motores de aniquilação de antimatéria, que são sistemas de propulsão teóricos que geram empuxo com base na energia liberada por interações no nível das partículas subatômicas. Mas atualmente não temos uma maneira de fazer isso, "Lubin disse, "e envolve uma série de complexidades que não temos um caminho atual para resolver.

"A outra opção é energia dirigida ou propulsão fotônica, que é aquele em que estamos nos concentrando porque parece ser viável, "Lubin disse. Em uma variante, a propulsão por energia direcionada é semelhante a usar a força da água de uma mangueira de jardim para empurrar uma bola para a frente. Minúsculas espaçonaves interestelares (normalmente menos de um quilograma e algumas que são espaçonaves em um wafer) podem ser impulsionadas e dirigidas por meio de luz laser, ele disse.

"A miniaturização de espaçonaves não é necessária para todos os cenários de missão que estamos considerando, mas quanto menor a massa da espaçonave, mais rápido você pode ir, "Lubin disse." Este sistema escala de maneiras diferentes do que a propulsão de ejeção de massa comum. "

Até aqui, todos os foguetes lançados da Terra são baseados em sistemas de propulsão química cujos projetos básicos datam da Segunda Guerra Mundial. Eles mal conseguem sair da superfície da Terra e entrar em órbita. Fazer um foguete maior não o torna mais rápido, apenas permite que o foguete carregue mais massa. A propulsão fotônica funciona de maneira diferente, porque quanto menos densa a carga útil, mais rápido você vai. Então você deseja diminuir a massa para ir mais rápido.

Como dirigir em uma tempestade de chuva - no espaço

Um desafio significativo para espaçonaves relativísticas é o endurecimento da radiação, porque "quando começamos a atingir velocidades próximas à da luz, as partículas no espaço interestelar, prótons em particular, que você penetra - ignore os grãos de poeira por enquanto - são a fonte primária de radiação, "disse Lubin." O espaço não está vazio; tem aproximadamente um próton e um elétron por centímetro cúbico, bem como um punhado de hélio e outros átomos. "

O choque com essas partículas pode ser significativo em altas velocidades porque, embora possam estar viajando lentamente dentro de seu próprio quadro de referência, para uma espaçonave em movimento rápido, eles causam impactos de alta velocidade.

"Quando você os atinge, é como dirigir em uma tempestade. Mesmo que a chuva esteja caindo direto do céu, seu para-brisa fica grudado porque você está indo rápido - e é um efeito muito sério para nós, ", Disse Lubin." Recebemos enormes cargas de radiação na borda de ataque à medida que a frente fica totalmente destruída, ao passo que o resto da espaçonave que não é a borda dianteira e está voltada para direções diferentes não é muito atingido. É um problema interessante e único, e estamos trabalhando no que acontece quando você os arrasta. "

Em termos de prazo para colocar a tecnologia de propulsão de energia direcionada para funcionar, "Estamos produzindo demonstrações de laboratório de cada parte do sistema, "disse Lubin." A capacidade total está a mais de 20 anos de distância, embora as missões de demonstração sejam viáveis ​​dentro de uma década. "

Chegando a Marte rapidamente

A mesma tecnologia fotônica central do programa Starlight da NASA também permite missões interplanetárias extremamente rápidas, incluindo missões a Marte que poderiam transportar pessoas em viagens de apenas um mês. Isso reduziria drasticamente os perigos para os humanos na longa jornada ao planeta vermelho e atualmente está sendo estudado como uma opção.

Pesquisa de trilhões de planetas

Os avanços da fotônica também significam que agora podemos deixar uma luz acesa para a inteligência extraterrestre dentro do universo, se quisermos ser encontrados - caso haja outra vida inteligente que também queira saber a resposta para a pergunta, "estamos sozinhos"?

Os alunos de Lubin exploram esse conceito em seu experimento "Trillion Planet Survey". Este experimento está agora pesquisando ativamente a próxima galáxia de Andrômeda, que tem cerca de um trilhão de planetas, e outras galáxias, bem como a nossa, para sinais de luz.

Combinando a pesquisa de Lubin com a experiência de seus alunos, existem oportunidades para sinalizar vida. Quando os avanços tecnológicos permitem a demonstração de lasers poderosos o suficiente para impulsionar a pequena espaçonave, esses lasers também poderiam ser usados ​​para iluminar um farol na direção da Galáxia de Andrômeda, na esperança de que qualquer forma de vida pudesse descobrir e detectar essa fonte de luz em seu céu.

O caso inverso é mais interessante. Talvez exista outra civilização com capacidade semelhante ao que estamos desenvolvendo agora em fotônica. Eles podem perceber, como nós fazemos, que a fotônica é um meio extremamente eficiente de ser detectada em vastas distâncias fora de nossa galáxia. Se houver uma civilização extraterrestre que esteja transmitindo sua presença por meio de feixes ópticos, como aqueles propostos para propulsão fotônica, eles são candidatos a serem detectados por um levantamento óptico de grande escala, como o Trillion Planet Survey da equipe Lubin.

"Se o comprimento de onda de transmissão de um feixe extraterrestre for detectável, e está no ar há tempo suficiente, devemos ser capazes de detectar o sinal de uma fonte em qualquer lugar dentro de nossa galáxia ou de galáxias próximas com telescópios relativamente pequenos na Terra, mesmo que nenhuma das 'partes' saiba que a outra existe e não saiba 'para onde apontar, '", Disse Lubin. Este cenário" cego-cego "é a chave para a" Busca por Inteligência Dirigida ", como Lubin chama essa estratégia.

Defesa planetária

Talvez um dos usos mais intrigantes da fotônica - mais perto de casa - seja aproveitá-la para ajudar a defender a Terra de ameaças externas, como ataques de asteróides e cometas.

O mesmo sistema que os pesquisadores estão começando a desenvolver para propulsão pode ser usado para defesa planetária focalizando o feixe no asteróide ou cometa. Isso causa danos à superfície, e como porções da superfície são ejetadas durante a reação com a luz do laser, o impulso empurraria os destroços para um lado e o asteróide ou cometa na direção oposta. Assim, pouco a pouco, vai desviar a ameaça, Lubin disse.

"As implicações de longo prazo para a humanidade são muito importantes, "ele acrescentou." Embora a maioria das ameaças de asteróides não sejam ameaças existenciais, eles podem ser muito perigosos, como vimos em Chelyabinsk, Rússia em 2013 e em Tunguska, Rússia em 1908. Infelizmente, os dinossauros careciam de fotônica para evitar sua morte. Talvez sejamos mais sábios. "