Nya riktade energiframdrivningssystem kan möjliggöra de första interstellära uppdragen, med små, robotrymdfarkoster som utforskar närliggande solsystem, enligt experimentell kosmolog Philip Lubin. Han kommer att presentera dessa och andra framsteg vid The Optical Societys (OSA) Laser Congress, Light the Future Speaker Series, 4-8 november i Boston.

Föreställ dig ett oblattunt rymdskepp som drivs av laserljus som kan ha hastigheter över en fjärdedel av ljusets hastighet – tillräckligt snabbt för att nå den närmaste grannstjärnan till vårt solsystem inom 20 år, eller något närmare hemmet, som att få folk till Mars på en månad. Genom att utnyttja fotonikdriven framdrivning, forskare är på god väg att göra denna till synes omöjliga science fiction-prestation till verklighet, sa Lubin, som är professor i fysik vid University of California, Santa Barbara.

Forskningsresultaten som Lubin kommer att beskriva kommer från NASA:s Starlight och Breakthrough Starshot-program, som båda stöder avancerad forskning inom fotonik. Lubin är chef för Starlight-programmet.

"Fotonik, produktion och manipulering av ljus, är redan en del av vårt dagliga liv – från mobiltelefoner till datorer till lysdioder (LED) glödlampor till fiberoptik som bär din data överallt – även om du kanske inte ser den, " sa Lubin. "Du kan peka på praktiska exempel på fotonik i vardagen och det verkar inte ha något att göra med interstellär flygning, men det gör det faktiskt, eftersom det är synergistiskt med den teknik du behöver för att uppnå interstellär flygning."

En av de största utmaningarna med att validera detta fotonikkoncept när det gäller framdrivning är demonstrationen av laserkraften som krävs för att accelerera den föreslagna/hypotetiska rymdfarkosten, enligt Lubin.

Syntetiserad optik för riktade energiframdrivningssystem

Stora riktade energisystem byggs inte med en enda gigantisk laser, men istället lita på strålkombination, vilket innebär användning av många mycket blygsamma effektlaserförstärkare.

"Vårt system utnyttjar en etablerad typologi som kallas 'Master Oscillator Power Amplifier'-design, " sa Lubin. "Det är ett distribuerat system så varje laserförstärkares "byggsten" är mellan 10 och 1000 watt. Du kan hålla den i handen. Istället för att bygga en gigantisk laser, du kombinerar många små små laserförstärkare som, när de kombineras, bilda ett extremt kraftfullt och revolutionärt system."

Lubin föreslår en analogi med superdatorer, som är byggda med ett stort antal centrala processorenheter (CPU). "Genom att på ett konsekvent sätt kombinera miljarder lasereffektförstärkare med låg poser—liknande kraften hos en typisk modern hushålls-LED—har du plötsligt detta fantastiskt kapabla riktade energisystem, " han sa.

Interstellära sonder som drivs via laserljus

Riktade energisystem kan möjliggöra interstellära sonder som en del av mänsklig utforskning inom en inte alltför avlägsen framtid, och de är kärnan i NASA Starlight-programmet och Breakthrough Starshot Initiative för att möjliggöra mänsklighetens första interstellära uppdrag. Samma kärnteknologi har många andra tillämpningar, som snabba interplanetära resor för stora massuppdrag, inklusive de som bär människor; planetariskt försvar; och sökandet efter utomjordisk intelligens (SETI).

"Vårt primära fokus ligger för närvarande på mycket små robotfarkoster. De kommer inte att bära människor ombord - det är inte målet för den interstellära delen av vårt program, " sa Lubin. "Om mänskligheten vill utforska andra världar utanför vårt solsystem, det finns inga andra fysiskt tillgängliga framdrivningsalternativ för att göra detta – med två undantag.

"Ett sätt skulle vara om vi kunde bemästra ett tekniskt tillvägagångssätt som kallas antimateriaförintelsemotorer, som är teoretiska framdrivningssystem som genererar dragkraft baserat på energi som frigörs genom interaktioner på nivån av subatomära partiklar. Men vi har för närvarande inget sätt att göra det, " sa Lubin, "och det involverar ett antal komplexiteter som vi inte har en aktuell väg att lösa.

"Det andra alternativet är riktad energi eller fotonisk framdrivning, vilket är den vi fokuserar på eftersom det verkar vara genomförbart, " sa Lubin. I en variant, riktad energiframdrivning liknar att använda kraften från vatten från en trädgårdsslang för att trycka en boll framåt. Små interstellära rymdfarkoster (vanligtvis mindre än ett kilogram och några som är rymdfarkoster på en wafer) kan drivas fram och styras via laserljus, han sa.

"Miniatyrisering av rymdfarkoster krävs inte för alla uppdragsscenarier vi överväger, men ju lägre massan på rymdfarkosten desto snabbare kan du gå, " Sa Lubin. "Det här systemet skalar på andra sätt än vanlig massutstötningsframdrivning."

Än så länge, alla raketer som har sprängt av från jorden är baserade på kemiska framdrivningssystem vars grundläggande design går tillbaka till andra världskriget. De kan knappt ta sig från jordens yta och in i omloppsbana. Att göra en större raket får den inte att gå snabbare, det tillåter bara raketen att bära mer massa. Fotonisk framdrivning fungerar annorlunda, för ju mindre tät nyttolasten desto snabbare går du. Så du vill sänka massan för att gå snabbare.

Som att köra i en regnstorm — i rymden

En betydande utmaning för relativistiska rymdfarkoster är strålningshärdning, eftersom "när vi börjar uppnå hastigheter nära ljusets hastighet, partiklarna i det interstellära rymden, protoner i synnerhet, som du plöjer in i - ignorera dammkornen för tillfället - är den primära strålningskällan, sade Lubin. Utrymmet är inte tomt; den har ungefär en proton och en elektron per kubikcentimeter, såväl som en aning helium och andra atomer."

Att slå in i dessa partiklar kan vara betydande vid höga hastigheter eftersom de kan färdas långsamt inom sin egen referensram, för en snabbrörlig rymdfarkost gör de för höghastighetsnedslag.

"När du slår dem är det som att köra i en regnstorm. Även om regnet kommer ner direkt från himlen blir din vindruta gipsad eftersom du kör fort - och det är en ganska allvarlig effekt för oss, " sa Lubin. "Vi får enorma strålningsbelastningar på framkanten eftersom fronten bara blir helt klumpig, medan resten av rymdfarkosten som inte är den främre kanten och vänd i olika riktningar inte träffas mycket alls. Det är ett intressant och unikt problem, och vi jobbar på vad som händer när du plöjer igenom dem."

När det gäller en tidsram för att sätta riktad energiframdrivningsteknik i arbete, "Vi producerar laboratoriedemos av varje del av systemet, " sa Lubin. "Full kapacitet är mer än 20 år bort, även om demonstrationsuppdrag är genomförbara inom ett decennium."

Att snabbt komma till Mars

Samma kärnfotonikteknologi i NASA Starlight-programmet möjliggör också extremt snabba interplanetära uppdrag, inklusive uppdrag till Mars som kunde transportera människor på resor så korta som en månad. Detta skulle dramatiskt minska farorna för människor på den långa resan till den röda planeten och studeras för närvarande som ett alternativ.

Trillion Planet Survey

Fotonikens framsteg innebär också att vi nu kan lämna ett ljus för utomjordisk intelligens i universum om vi vill bli hittade – ifall det finns annat intelligent liv som också vill veta svaret på frågan, "är vi ensamma"?

Lubins elever utforskar detta koncept i deras "Trillion Planet Survey"-experiment. Detta experiment söker nu aktivt den närliggande galaxen Andromeda, som har ungefär en biljon planeter, och andra galaxer såväl som vår för ljussignaler.

Genom att kombinera Lubins forskning med hans elevers experiment, det finns möjligheter att signalera livet. När tekniska framsteg tillåter demonstration av lasrar som är kraftfulla nog att driva fram den lilla rymdfarkosten, dessa lasrar kan också användas för att lysa en ledstjärna mot Andromedagalaxen i hopp om att vilken livsform som helst där skulle kunna upptäcka och upptäcka ljuskällan på deras himmel.

Det omvända fallet är mer intressant. Kanske finns det en annan civilisation med liknande förmåga som vad vi nu utvecklar inom fotonik. De kanske inser, som vi gör, att fotonik är ett extremt effektivt sätt att detekteras över stora avstånd långt utanför vår galax. Om det finns en utomjordisk civilisation som sänder sin närvaro via optiska strålar, som de som föreslagits för fotonisk framdrivning, de är kandidater för att upptäckas av en storskalig optisk undersökning som Lubin-teamets Trillion Planet Survey.

"Om transmissionsvåglängden för en utomjordisk stråle är detekterbar, och har hållit på länge nog, vi borde kunna detektera signalen från en källa var som helst i vår galax eller från närliggande galaxer med relativt små teleskop på jorden även om ingendera 'parten' vet att den andra existerar och inte vet 'vart den ska peka,' "" sa Lubin. Detta "blind-blind" scenario är nyckeln till "Search for Directed Intelligence" som Lubin kallar denna strategi.

Planetariskt försvar

Kanske en av de mest spännande användningsområdena för fotonik - närmare hemmet - är att trycka på den för att hjälpa till att försvara jorden från yttre hot som träffar från asteroider och kometer.

Samma system som forskarna börjar utveckla för framdrivning kan användas för planetariskt försvar genom att fokusera strålen på asteroiden eller kometen. Detta orsakar skador på ytan, och när delar av ytan stöts ut under reaktionen med laserljuset, momentum skulle trycka skräpet åt ena sidan och asteroiden eller kometen i motsatt riktning. Således, steg för steg, det kommer att avleda hotet, sa Lubin.

"De långsiktiga konsekvenserna för mänskligheten är ganska viktiga, ", tillade han. "Medan de flesta asteroidhot inte är existentiella hot, de kan vara ganska farliga som vi såg i Chelyabinsk, Ryssland 2013 och i Tunguska, Ryssland 1908. Tyvärr, dinosaurierna saknade fotonik för att förhindra deras död. Kanske blir vi klokare."