Om några decennier, initiativet Breakthrough Starshot hoppas kunna skicka en segelfarkost till det närliggande systemet Alpha Centauri. Med hjälp av ett ljussegel och en laseruppsättning med riktad energi, ett litet rymdskepp skulle kunna accelereras till 20 % av ljusets hastighet (0,2 c). Detta skulle tillåta Starshot att göra resan till Alpha Centauri och studera alla exoplaneter där på bara 20 år, därmed uppfylla drömmen om interstellär utforskning inom våra liv.

Naturligtvis, denna plan innebär ett antal tekniska och logistiska utmaningar, en av dem involverar överföring av data tillbaka till jorden. I en nyligen genomförd studie, Starshot Systems Director Dr. Kevin L.G. Parkin analyserar möjligheten att använda en laser för att överföra data tillbaka till jorden. Den här metoden, hävdade Parkin, är det mest effektiva sättet för mänskligheten att få en glimt av vad som ligger bortom vårt solsystem.

Författaren till studien, Dr Kevin Parkin, har varit systemchef för Breakthrough Starshot sedan 2016. Dessförinnan han tilldelades Korolev-medaljen av Ryska federationen för astronautik och kosmonautik för sitt banbrytande arbete inom termisk mikrovågsframdrivning. Han grundade också det San Francisco-baserade flyg- och rymdföretaget Parkin Research, som specialiserat sig på utveckling av kostnadsbesparande teknologier.

Ta itu med problemet med en kommunikationsnedlänk, Dr. Parkin försökte beräkna det bästa alternativet för ett integrerat segel och rymdfarkost (segelfarkost). För detta ändamål, han övervägde möjligheten av en lasersändare med tight-beam ombord på den 4,1 m (13,45 fot)-diametern Starshot-segelfarkosten, som skulle börja sända till ett 30-meters (~100 fot) teleskop på jorden när det nådde Alpha Centauri.

Denna array skulle ha formen av en 100-watts optisk fasad array (inbäddad i själva seglet) som använder lasrar för att transformera kraft från det interstellära mediet (ISM). Dr. Parkin föreställer sig att arrayen skulle överföra data vid en våglängd av 1,02 mikrometer, som sedan skulle tas emot vid 1,25 mikrometer av teleskopet – vilket placerar sändningarna i det nära-infraröda/nära ultravioletta spektrumet.

Denna typ av nedlänk ger många fördelar jämfört med kommunikation som är beroende av radiovågs- ​​eller mikrovågsöverföringar. Som Dr. Parkin sa till Universe Today via e-post:

"I förhållande till mikrovågor, lasrar har tusen gånger kortare våglängd, och så bilda en mycket tätare stråle från Alpha Centauri till jorden... Fördelen med att sända 100 watt över hela segelfarkostens yta är att den jordbaserade mottagaren krymper till ett 30-meters teleskop, något som med stor sannolikhet kommer att finnas om ett eller två decennier."

Dr. Parkin tillade också att inom samma tid, förbättringar av filter och detektorer kommer att möjliggöra uppsättningar av teleskop av meterklass som kan arbeta tillsammans för att ta emot signaler från rymdfarkosten. Dock, ett sådant kommunikationssystem har också sina nackdelar, varav en är direkt relaterad till dess tight-beam natur. I grund och botten, arrayen måste riktas exakt mot jorden för att data ska tas emot.

"Om segelfarkosten känner av den relativa riktningen för det interstellära mediet, som pekar tillbaka till jorden (eller, åtminstone, var jorden var när segelfarkosten sjösattes), " sa Dr Parkin. "Därifrån, den måste hitta solen. Sedan, eftersom strålbredden bara är en tiondel av avståndet från solen till jorden, segelfarkosten måste beräkna eller hitta jordens relativa position och peka mot den."

Dock, detta kan övervinnas genom att skicka flera rymdskepp, vilket är i linje med Starshots övergripande vision. I åratal, Breakthrough Initiatives har funderat på hur en flotta av lättsegeldragna "nanofarkoster" som bara väger några gram skulle kunna möjliggöra interstellära resor och utforskning. Som Dr. Parkin förklarade:"Ekonomi föredrar att lansera ljus och ofta, till exempel en 4-grams segelbåt per vecka (energikostnaden är endast 6 miljoner USD). Det betyder att det inte bara kommer att finnas en nedlänk, men många nedlänkar. Sett från jorden, de olika segelfarkosterna kommer att radas upp över himlen, bildar en sorts pipeline av segelfarkoster vid olika stadier av mötet med Alpha Centauri."

En extra fördel med att skicka flera rymdskepp med direkta nedlänkar, tillägger Dr. Parkin, är möjligheten till tvärbindningar mellan dem. I detta scenario, anslutningen till jorden skulle bli en egen datapipeline - en pipeline inom en pipeline. Detta skulle minska risken för att förlora viktig data och göra det möjligt för segelfarkoster som redan har passerat Alpha Centauri-systemet att vidarebefordra information till de som fortfarande är på väg.

En sista rekommendation som Dr. Parkin gav i tidningen var införandet av en distribuerad algoritm som skulle tillåta rymdfarkosten att fungera i tandem och med en viss grad av autonomi, var och en ansvarig för att kartlägga en annan del av Alpha Centauri-systemet. Dr. Parkin indikerar att detta skulle minska på "beslut-handling-cykeln, " som är otroligt långsam över interstellära avstånd:

"Fördelarna med att göra det är enorma – hela systemet skulle kunna spanas in och kartläggas innan den första data någonsin når jorden. den första segelfarkosten kan upptäcka en avlägsen planet som en ljuspunkt som rör sig mellan bilder, och på den grunden, begränsa sin omloppsbana så att nästa segelfarkost kan manövrera för att passera på närmare håll, lösa ytdetaljer. Efterföljande segelfarkoster kan bygga upp kartor, banbeläggningsegenskaper, och upptäck de flesta av planeterna och månarna i systemet över tid."

För att bryta ner allt, Dr. Parkin föreställer sig en flotta av segelfarkoster som utför automatiserade utforskningar av avlägsna stjärnsystem. Den första som kommer in i systemet skulle vara ansvarig för att kartlägga planeterna och månarna, nästa våg skulle karakterisera deras banor, och de som följer kommer att observera dem på nära håll och kartlägga och övervaka deras ytor.

I det här avseendet, konceptet som presenteras här tar upp en av de största utmaningarna för interstellär utforskning, vilket är svårigheten att kommunicera med sonder över så stora avstånd. Prof. Abraham Loeb – Frank B. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard University och ordförande för Breakthrough Starshot Advisory Committee – berättade för Universe Today via e-post:

"Kommunikationslänken som Kevins tidning tar upp är en av de största utmaningarna för Starshot-programmet. Det stora avståndet till närmaste stjärna, 4,24 ljusår, och överföringens låga effekt, innebär en svag signal och därmed en stor mottagare på jorden. Det finns ingen möjlighet att skicka kommandon till rymdfarkosten i realtid eftersom den kortaste tvåvägsresan av ljussignaler skulle ta 8,48 år."

Till sist, Dr. Parkin tog upp den brännande frågan om vad som måste hända innan ett projekt av denna karaktär kan förverkligas. Även om uppsatsen presenterar flera kreativa lösningar på utmaningen med kommunikation, en av de mest genomgripande frågorna som hindrar Starshot är det faktum att framtida framsteg och innovationer är nödvändiga för att få det in i kostnadseffektivitetsområdet.

"Att förverkliga den fulla kapaciteten hos en segelfarkost som beskrivs här kan ta 100 år, eller det kan vara en biprodukt av kommersiellt driven forskning under de kommande decennierna, " sa han. "Mikrovågsfasade arrayer har använts i 50 år, men optiska fasade arrayer är inte här ännu, och kommer att ta mycket arbete att integrera i ett keramiskt segel. Kraftgenerering från det interstellära mediet är utan tvekan unik för Starshot och behöver forskning, men vinsten är att den tillgängliga kraften för nedlänken är storleksordningar större än vad som annars är möjligt."

Sedan igen, alla koncept för interstellärt eller djupt rymdutforskning utgör sin del av utmaningar, några av dem särskilt skrämmande. Och som så många andra tekniska hinder som Starshot-teamet möter, dessa utmaningar har ett sätt att inspirera till kreativa och innovativa lösningar. Sålänge, allt vi kan göra är att vänta och hoppas att framsteg kommer att ske och skapa nya möjligheter.

Tidigare studier av Dr. Parkin inkluderar 2018 års studie, "Den genombrott Starshot System Model, " som dök upp i Acta Astronautica . Det här dokumentet beskriver Starshot-uppdraget och konceptet i detalj och hur det skulle gynna mänsklig utforskning, inte bara i den interstellära domänen utan också inom solsystemet.