Det här är äventyren i "StarChip Wafersize".

UC Santa Barbara studenter skickade upp, via ballong, en prototyp av miniatyrrymdfarkoster som så småningom kan bli den "wafercraft" som forskare tror skulle kunna drivas fram av lasrar för att uppnå rymdfärder med relativistiska hastigheter för att nå närliggande stjärnsystem och exoplaneter.

Så börjar en resa, finansierat av NASA och flera privata stiftelser, som en dag kan leda till interstellära resor.

"Det är en del av en process för att bygga för framtiden, och längs vägen testar du varje del av systemet för att förfina det, ", sa UC Santa Barbara fysikprofessor och experimentell kosmolog Philip Lubin. "Det är en del av ett långsiktigt program för att utveckla miniatyrrymdfarkoster för interplanetära och så småningom för interstellär flygning."

Prototypen wafer scale spacecraft (WSS) är tillräckligt liten för att få plats i ena handflatan. Den lanserades i stratosfären ovanför Pennsylvania, till en höjd av 105, 000 fot (32 km) – tre gånger så stor som kommersiella flygplan – för att mäta dess funktionalitet och prestanda.

Lanseringen genomfördes i samarbete med United States Naval Academy i Annapolis den 12 april, 2019—58 år till den dag då den ryska kosmonauten och piloten Yuri Gagarin blev den första människan som genomförde en rymdflygning i en omloppsbana.

"Den designades för att ha många av funktionerna hos mycket större rymdfarkoster, såsom bildbehandling, dataöverföring, inklusive laserkommunikation, attitydbestämning och magnetfältsavkänning, sa Nic Rupert, en utvecklingsingenjör i Lubins labb. "På grund av de snabba framstegen inom mikroelektronik kan vi krympa en rymdfarkost till ett mycket mindre format än vad som har gjorts tidigare för specialiserade applikationer som vår."

Rymdfarkostens prototyp fungerade felfritt och samlade mer än 4000 bilder av jorden i vad Rupert sa var "en utmärkt första flygning och den kommer att utvecklas dramatiskt härifrån."

Projektets mål, som enhetens namn antyder, är att bygga en ultralätt (gramskala) silikonwafer med inbäddad elektronik, kan skjutas ut i rymden samtidigt som data skickas tillbaka till jorden. För det avstånd som forskarna vill uppnå - ungefär 25 biljoner miles, eller 40 biljoner kilometer, att kryssa med en betydande bråkdel av ljusets hastighet – den teknik som krävs är skrämmande.

"Vanlig kemisk framdrivning, som det som tog oss till månen för nästan 50 år sedan till idag, skulle ta nästan hundra tusen år att komma till närmaste stjärnsystem, Alfa centauri, ", sa Lubin. "Och även avancerad framdrivning som jonmotorer skulle ta många tusen år. Det finns bara en känd teknik som kan nå de närliggande stjärnorna under en mänsklig livstid och det är att använda själva ljuset som framdrivningssystem."

Känd som riktad energiframdrivning, tekniken kräver att man bygger ett extremt stort utbud av lasrar för att fungera som framdrivning. Detta system reser inte med rymdfarkosten; den finns kvar på jorden.

"Om du har en tillräckligt stor laseruppsättning, du kan faktiskt trycka på wafers med ett lasersegel för att nå vårt mål på 20 procent av ljusets hastighet, " sa Rupert. "Då skulle du vara på Alpha Centauri om ungefär 20 år."

En del av en NASA-finansierad strävan kallad Starlight, insatsen stöds också av Breakthrough Foundation, där det är känt som Starshot. UC Santa Barbara initierade projektet 2009 med blygsam finansiering från NASA:s Spacegrant-program, ta emot ytterligare medel 2015 via NASA Advanced Concepts.

UC Santa Barbara-teamet vände sig sedan till miljardären tech-investerare Yuri Milners Breakthrough Foundation 2016 för att dela implikationerna av tekniken. I april samma år, stiftelsen meddelade att de skulle göra en ansträngning på 100 miljoner dollar för att stödja detta program.

Syftet är att svara på en av mänsklighetens största existentiella frågor:Är vi ensamma i universum? Och ett sätt att ta reda på, enligt forskarna, är att besöka närliggande exoplaneter genom att skicka en mängd av dessa små rymdskepp till närliggande stjärnsystem. Dessa chips skulle innehålla kameror i nanoskala, navigationsutrustning, kommunikationsteknik och andra system för att söka närliggande exoplaneter långt bortom vårt solsystem efter bevis på liv.

Ännu en aspekt av UC Santa Barbara-projektet innebär att sända liv från jorden ut i rymden. Forskarna vill testa idén att transportera liv över stora avstånd med hjälp av strålningshärdade, kryosömnig, rymdhärdiga små djur – specifikt, tardigrader och nematoden c. elegans.

Men först, tekniken måste finnas. Tack vare framstegen inom fotonik och kiselelektronik, frön av slutprodukterna har planterats, säger forskarna. Upprepade försök att skicka den utvecklande hårdvaran till allt längre delar av vår atmosfär, och gradvis ut i yttre rymden och bortom, är vad de hoppas ska försegla affären.

"Poängen med att bygga dessa saker är att veta vad vi vill inkludera i nästa version, i nästa chip, sa David Mc Carthy, en doktorand vid institutionen för elektro- och datateknik. "Du börjar med färdiga komponenter eftersom du kan iterera snabbt och billigt." I detta skede, han sa, Tanken är att se hur väl hårdvaran fungerar under allt tuffare förhållanden, inklusive minusgrader, långvarig exponering för strålning som kosmisk strålning och kollisioner med partiklar mellan jorden och stjärnorna (det interstellära mediet), och rymdens hårda vakuum.

Momentumet byggs upp. En tvärvetenskaplig grundutbildningsgrupp, bestående av studenter från fysik, teknik, kemi och biologi, genomför ballongflygningar för att samla in data som så småningom kan informera utvecklingen av framtida versioner av wafercraft. När tekniken blir allt mer sofistikerad, forskarna sa, de kan engagera halvledarindustrin för att tillverka dessa små rymdchips i bulk till låg kostnad.

Under tiden, innovationer inom kiseloptik och integrerad fotonik i wafer-skala gör det möjligt att minska kostnaderna för den laseruppsättning som används för att skjuta upp dessa rymdfarkoster. Fakulteten och forskare vid UC Santa Barbaras avdelning för el- och datateknik spelar en avgörande roll.

"Det är inte så orealistiskt att tro att vi kan göra kiselbitar på ett gram som kommer att ha allt vi vill ha på dem, sa Mc Carthy.

I slutändan skjuter du för det interstellära rymden, vilket fortfarande är en bit bort, gruppen siktar på en suborbital första flygning nästa år. Utvecklingen av sådan teknik banar väg mot en mängd olika rymduppdrag som skulle ha ansetts vara för kostsamma eller omöjliga med konventionell kemisk raketdriven teknik.

Potentiella fördelar med kärntekniken? Mycket kortare restider till Mars än vad som för närvarande är möjligt; planetariskt försvar mot asteroider och kometer; mildrande rymdskräp, öka satelliter som kretsar runt jorden, eller fjärrstyra avlägsna solsystems utposter, bland många andra, noterade Lubin.

"Det möjliggör en hel klass av tekniska förmågor, " han sa, av riktad energiframdrivning. "Några av de mer intressanta, kortsiktiga sådana skulle involvera interplanetära uppdrag."

UCSB-gruppen har publicerat över 50 tekniska artiklar om den transformationsteknologi de utvecklar och de radikala implikationer det har för mänsklig utforskning.