Drömmen om att resa till ett annat stjärnsystem, och kanske till och med hitta befolkade världar där, är en som har sysselsatt mänskligheten i många generationer. Men det var inte förrän i rymdutforskningens tidevarv som forskare har kunnat undersöka olika metoder för att göra en interstellär resa. Medan många teoretiska design har föreslagits under åren, mycket uppmärksamhet den senaste tiden har fokuserats på laserdrivna interstellära sonder.

Den första konceptuella designstudien, känd som Project Dragonfly var värd av Initiative for Interstellar Studies (i4iiS) 2013. Konceptet krävde användning av lasrar för att accelerera ett lätt segel och rymdfarkost till 5 procent av ljusets hastighet, nådde alltså Alpha Centauri på ungefär ett sekel. I en färsk tidning, ett av teamen som deltog i designtävlingen bedömde genomförbarheten av sitt förslag på lättsegel och magnetsegel.

Pappret, med titeln "Project Dragonfly:Sail to the stars, " publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Astra Astronautica . Studien leddes av Tobias Häfner, en examen från Université Paul Sabatier (UPS) Toulouse och en nuvarande systemingenjör vid Open Cosmos Ltd. Han fick sällskap av medlemmar från Oxford Space Systems, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), och AKKA Technologies.

När det gäller koncept för interstellära uppdrag, en av de största stötestenarna har alltid varit restiden. Som vi visade i en tidigare artikel, det skulle ta allt från 1, 000 till 81, 000 år med nuvarande teknik för att komma till Alpha Centauri. Det finns flera teoretiska metoder som kan erbjuda kortare restider, de involverar antingen fysik som ännu inte har bevisats eller skulle vara oöverkomligt dyra.

Därav lockelsen av ett lättsegel, som drar fördel av den senaste utvecklingen inom miniatyrisering för att skapa en mindre och billigare rymdfarkost. En annan fördel, åtminstone teoretiskt, är att en sådan rymdfarkost skulle kunna accelereras till en bråkdel av ljusets hastighet, och skulle därför kunna täcka det stora avståndet mellan vårt solsystem och den närmaste stjärnan om några decennier eller ett enda sekel.

Som noterat, i4iS – en frivilligorganisation som är dedikerad till att göra interstellära rymdresor till verklighet inom en snar framtid – lanserade den första konceptuella designstudien för lättsegel redan 2013. Detta följdes 2014 med en tävling för att designa en rymdfarkost som skulle kunna nå Alpha Centauri inom 100 år med hjälp av befintliga eller kortsiktiga teknologier.

De fyra finalisterna presenterade sina mönster vid en workshop som hölls på British Interplanetary Society i juli 2015. Konceptet som lämnades in av teamet från Technical University of München vann, som sedan lanserade en Kickstarter-kampanj för att samla in pengar till sin design. Designen inlämnad av teamet från University of California, San Diego, har därefter utvecklats till designen för Breakthrough Initiatives Breakthrough Starshot.

Huvudförfattaren Hafner och hans kollegor var en del av teamet CranSEDS, som bestod av ingenjörer och forskare från Cranfield University i Storbritannien, Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Ryssland, och UPS i Frankrike. I denna senaste studie, han och några av hans tidigare teammedlemmar presenterade sitt uppdragskoncept som en del av en förstudie.

För denna studies skull, de övervägde varje aspekt av ett ljussegels uppdragsarkitektur. Detta varierade från storleken på seglet, material som används för att bygga den, storleken på laseröppningen, placeringen av lasern, rymdfarkostens vikt, och metoden som används av rymdfarkosten för att bromsa när den närmade sig sin destination.

I slutet, uppdragsarkitekturen de kom fram till krävde användningen av 100 GW laserkraft för att accelerera en rymdfarkost på 2750 kg (~6000 lbs) till 5 procent av ljusets hastighet – vilket resulterade i en restid på ungefär ett sekel till Alpha Centauri. Seglet skulle bestå av ett grafenmonoskikt som mäter 29,4 km i diameter (18,26 mi), vilket kräver en laser med en öppning på 29,4 km (18,26 mi) i diameter.

Denna laser skulle placeras i närheten av solen (antingen vid jord-solens L1 Lagrange Point eller i Cislunar-bana) och skulle drivas av massiva solpaneler. För att bromsa, rymdfarkosten skulle kasta det lätta seglet och placera ut ett magnetsegel bestående av metalltrådar. Detta segel skulle bilda en ögla struktur ungefär 35 km (22 mi) i diameter och väga 1000 kg (2200 lbs).

När det väl är utplacerat, det magnetiska seglet skulle fånga upp plasma från det interstellära mediet och solvinden från Alpha Centauri för att bromsa in och komma in i systemet. Denna arkitektur, de drar slutsatsen, skulle uppnå en balans mellan massa och hastighet, låt uppdraget nå Alpha Centauri om drygt 100 år, och tillåta den att bedriva vetenskaplig verksamhet vid ankomsten.

Som de anger i sin studie, denna typ av uppdragsarkitektur erbjuder många fördelar, inte minst är det faktum att en större rymdfarkost skulle kunna bära mer i vägen av instrument och samla in mer vetenskaplig data än en rymdfarkost i gramskala (som med Breakthrough Starshots StarChip). Som de kom fram till:

"Både [laser- och magnetiska segel] har fördelen att inget drivmedel behöver transporteras i rymdfarkosten... Uppdraget är baserat på teknologier som för närvarande är tillgängliga eller under utveckling, men skulle behöva omfattande förbättringar för att faktiskt bygga den nödvändiga rymdinfrastrukturen... Med en baslinje för uppdrag med flera rymdfarkoster, lasersystemet används under en rimlig tidsperiod. Lärdomar och data som samlats in från den första rymdfarkosten kan användas för att förbättra följande."

De erkänner också de utmaningar som ett sådant uppdrag skulle innebära, som inkluderar behovet av kilometerstora strukturer i rymden. Sådana strukturer skulle behöva byggas i omloppsbana, vilket skulle kräva utveckling av orbitaltillverkningsanläggningar först. Och naturligtvis, lasern och andra avgörande system kommer att behöva ytterligare förfining och utveckling. Ändå, konceptet, enligt deras studie, är genomförbart och tekniskt bra.

Vissa, dock, har sina tvivel. Till exempel, där är Dr Claudius Gros, en teoretisk fysiker från Institutet för teoretisk fysik vid Goethe-universitetet i Frankfurt. Gros är en långvarig förespråkare för att använda lasersegelteknologi för att bygga en interstellär rymdfarkost, och har utfört teoretiskt arbete om användningen av magnetiska segel för att bromsa en sådan rymdfarkost.

Han är också grundaren av Project Genesis, ett förslag att skicka lasersegeldrivna rymdfarkoster utrustade med genfabriker eller kryogena baljor till andra stjärnsystem, där de skulle distribuera mikrobiellt liv till "övergående beboeliga exoplaneter - dvs planeter som kan bära liv, men kommer sannolikt inte att ge upphov till det på egen hand. Som han uttryckte till Universe Today via e-post:

"Angående retardationen med ett magnetfält, det är faktiskt inte möjligt inom de antagna parametrarna. Det skulle krävas ett magnetsegel som väger flera hundra ton för att göra jobbet när farkosten kryssar med 5 procent av ljusets hastighet och när den måste stanna inom 20 år, som förutsatts i denna uppsats. För att accelerera ett så tungt farkost, mycket starkare uppskjutningssystem skulle krävas."

Konceptet med att använda laser eller solsegel för att utföra interstellära uppdrag har djupa rötter. Dock, det har bara varit under de senaste åren som ansträngningarna att skapa sådana rymdfarkoster verkligen har gått samman. För närvarande, det finns många koncept som erbjuder olika uppdragsarkitekturer, som alla har sin del av utmaningar och fördelar.

Med flera förslag nu under utveckling – vilket inkluderar förslaget från Haefner och hans kollegas, ii4S:s Dragonfly-koncept och Breakthrough Starshot – det kommer att bli mycket intressant att se vilka (om några) av de nuvarande lättsegelkoncepten som kommer att försöka göra resan till Alpha Centauri under de kommande decennierna.

Kommer det att vara en som kommer dit under våra liv, eller en som är kapabel att skicka tillbaka mer i vägen för vetenskapliga data? Eller kan det vara en kombination av de två, en sorts kortsiktig/långsiktig sorts affär? Svårt att säga. Poängen är, drömmen om att montera ett interstellärt uppdrag kanske inte förblir en dröm särskilt mycket längre.