Enjambres en Proxima Centauri: enjambres de piconaves espaciales a distancias interestelares
(astrobiology.com)Vuelo en enjambre hacia Proxima Centauri: vuelo coherente en enjambre de naves espaciales ultrapequeñas
Resumen general
- Título del artículo: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- Autor: Keith Cowing
- Fuente: NASA NIAC
- Fecha: 18 de mayo de 2024
- Tema: 'Oumuamua, Interstellar, laser propulsion, NASA, NIAC, Picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks
Puntos principales
Potencial de las naves espaciales ultrapequeñas
- Naves espaciales ultrapequeñas: Se prevé que naves espaciales ultrapequeñas de escala de gramos, impulsadas por luz láser, sean la única tecnología capaz de llegar a otras estrellas.
- Propulsión láser: Se asume que, hacia mediados de siglo, un potente haz láser de unos 100 GW podrá acelerar una nave espacial de unos pocos gramos hasta velocidades relativistas.
- Vela láser: Se necesita una vela láser robusta que soporte el lanzamiento y un gran receptor óptico en la Tierra capaz de captar señales luminosas (~1 kilómetro cuadrado).
Misión representativa
- Objetivo de la misión: Se propone una misión para sobrevolar Proxima b hacia mediados de siglo usando un enjambre de miles de naves espaciales ultrapequeñas.
- Restricciones: Existen restricciones extremas en masa de lanzamiento (gramos), potencia a bordo (miliwatts) y apertura de comunicaciones (de centímetros a metros).
- Necesidad del enjambre: Muchas naves deben cooperar para generar una señal óptica potente.
Autonomía y red
- Autonomía: Debido al retraso de ida y vuelta de 8 años, el control práctico desde la Tierra es imposible, por lo que el enjambre debe contar con alta autonomía.
- Red: Debe construir una red mesh mediante enlaces ópticos de baja potencia y sincronizar relojes con la Tierra y entre sí para soportar posicionamiento, navegación y temporización (PNT) precisos.
Lanzamiento y vuelo
- Método de lanzamiento: Comienza como una larga fila de naves espaciales lanzadas una por una a una velocidad de aproximadamente 0.2c.
- Sincronización temporal: Después del lanzamiento, el láser de impulso se utiliza para señalización y sincronización de relojes, proporcionando una señal de tiempo continua.
- Control de velocidad: La aceleración inicial se ajusta para que el extremo de la fila se encuentre con la cabeza.
- Formación del enjambre: La fila inicial, de cientos a miles de AU de longitud, se combina dinámicamente con el tiempo en una red mesh con forma de lente.
Comunicación y transmisión de datos
- Sincronización de posición: Los miembros del enjambre conocen sus posiciones relativas entre sí y mantienen la sincronización con los relojes microminiaturizados más recientes.
- Transmisión de datos: Todas las naves transmiten los mismos datos, pero ajustan sus tiempos de emisión según sus posiciones relativas para que lleguen simultáneamente al arreglo receptor en la Tierra.
- Amplificación de potencia: Cada nave del enjambre genera un único pulso láser corto pero extremadamente brillante para maximizar la capacidad de transmisión de datos.
Ventajas del enjambre
- Mitigación de riesgos: El enjambre puede tolerar pérdidas significativas en ruta, mitigando el riesgo de “poner todos los huevos en una sola canasta”.
- Observación múltiple: Permite observar Proxima b de cerca desde múltiples perspectivas.
Experimentos y misiones futuras
- Experimentos actuales: La tecnología de enjambres puede explorarse y probarse en entornos de simulación.
- Misiones futuras: Se prevén varias misiones que podrían comenzar en órbita terrestre o lunar y expandirse hacia el sistema solar exterior.
- Ejemplos de misión: Podrían explorar el objeto interestelar 1I/’Oumuamua, que se aleja rápidamente, o la lente gravitacional solar.
Opinión de GN⁺
- Desafío técnico: La autonomía y la sincronización de red de los enjambres de naves espaciales ultrapequeñas representan un desafío técnico muy alto.
- Potencial futuro: Si esta tecnología tiene éxito, podría abrir un nuevo capítulo en la exploración espacial y complementar las tecnologías existentes.
- Factores de riesgo: Aunque puede tolerar pérdidas significativas del enjambre, todavía existen muchos riesgos técnicos.
- Problema de costos: Se espera que el costo y los recursos necesarios para ejecutar estas misiones sean considerables.
- Proyectos similares: También existen otros proyectos con objetivos similares, como Breakthrough Starshot.
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Nací 11 años después del alunizaje y, si en teoría vivo hasta los 120 años, quizá llegue a ver los datos del sobrevuelo de la sonda del enjambre Proxima.
El cálculo asume lanzamiento en 2076, 20 años de vuelo a 0.2c y 4 años para que la información regrese.
Es muy baja tanto la probabilidad de que este plan se despliegue realmente como la de que yo viva hasta entonces, pero la idea de que la humanidad pueda ir de la Luna a la estrella más cercana en casi una sola vida sigue siendo inspiradora.
En Proxima probablemente no habrá “nada”, igual que en la Luna, pero ese no es el punto.
Lo valioso está en las personas con las que compartimos la Tierra, pero necesitamos ambiciones y sueños comunes.
Para que un sueño valga la pena no tiene que ser necesariamente sensato; de hecho, la “racionalidad” de los reportes trimestrales y las evaluaciones de desempeño es enemiga de los sueños.
Las lunas de los gigantes gaseosos también se consideraban antes inactivas y aburridas, pero al ir a verlas directamente resultaron estar llenas de características diversas e interesantes.
Hay alguna “ley” o “paradoja” cuyo nombre no recuerdo, que dice que incluso si lanzas algo en 2076 a 0.2c, podrías enviar algo más rápido después y adelantar a la sonda original.
No podemos saberlo hasta verlo directamente.
La explicación de que todo el enjambre produzca pulsos láser muy brillantes simultáneamente para comunicarse con la Tierra no parece factible.
Por lo que entiendo, no hay forma de mantener la posición, y aunque el medio interestelar esté relativamente vacío, habrá deriva a escalas de años luz.
No suena plausible que naves independientes se sincronicen con tanta precisión como para que sus señales se superpongan de manera detectable desde la Tierra, y la atenuación también debe ser enorme; me gustaría ver los números.
También es posible mantener la posición hasta cierto punto.
La idea es ajustar la actitud para modificar la magnitud y dirección del vector de arrastre.
https://arxiv.org/abs/2309.07061
Con la tecnología actual claramente es imposible, pero no parece estar al nivel de materiales completamente mágicos.
Suena como un plan para sumar coherentemente la señal de cada sonda, y para eso los pulsos láser también tienen que ser coherentes entre sí.
La longitud de onda visible es de cientos de nanómetros, así que se necesita esa precisión espacial en comparación con las separaciones mucho mayores entre sondas que se proponen.
Si además consideramos la coherencia temporal, probablemente sea imposible sin que las sondas se enganchen activamente a los láseres de las demás; eso implicaría que cada sonda necesita al menos óptica para enviar y detectar señales luminosas hacia sus vecinas cercanas.
Es difícil afirmar que sea imposible dentro del límite de peso, pero se ve bastante crudo.
“A escalas de años luz” significa que coordinar movimientos entre ellas literalmente toma años, ni hablar de los mensajes de coordinación enviados desde la Tierra después del lanzamiento.
Cada nave podría usar el láser de comunicaciones como fuente de empuje.
En una línea similar, me encantaría ver en vida imágenes de exoplanetas tomadas con la lente gravitacional solar.
Todavía queda bastante tiempo, pero me frustra que estos grandes proyectos de astronomía avancen tan de a poquito.
En lugar de estar a 540 AU como la lente gravitacional solar, solo habría que poner un telescopio en L2.
No es tan potente como la segunda, pero solo por la escala de distancias se ve mucho más viable y, en esencia, sería un James Webb “para observar la Tierra”.
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
Nada de flojera, y recibe la primera luz de la primera lente para 2050.
Es uno de esos proyectos soñados que quisiera ver hecho realidad antes de morir.
Para quienes no sepan qué es ni qué podría significar:
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
Existe el concepto de proyectos a escala de décadas, y a veces se siguen refinando en grupos de trabajo o grupos más pequeños.
Puede que deliberadamente no haya mucha discusión pública.
Algunas ideas todavía no son viables, pero cuando aparece nueva tecnología, ideas antiguas vuelven a salir del cajón.
Otras ideas son tan fantásticas que reciben una reacción negativa inmediata, lo que hace difícil que la gente del Congreso se sume y las financie.
Por suerte, después de todos sus retrasos, el JWST fue un éxito de cara al público, y eso hizo que estos proyectos se vieran con mejores ojos.
Solo espero que Boeing no se meta.
Si tienes mucho tiempo, también podrías ayudar directamente en este proyecto que quieres ver.
Para este uso, las sondas en enjambre parecen ineficientes
Duplican demasiada masa, y esa masa también podría usarse dentro de una sola nave espacial con suficiente redundancia, en lugar de “poner todos los huevos en una sola canasta”
Además, la explicación de que una línea inicial de cientos a miles de UA de largo se fusione con el tiempo en una red mallada con forma de lente de 100,000 km de ancho parece imposible
¿Cómo podría un objeto extremadamente pequeño al frente o al final de la línea, usando como única fuente de energía un láser a varios años luz de distancia, reducir o aumentar su velocidad lo suficiente como para reposicionarse cientos de UA, y luego ajustarla de nuevo para mantenerse en formación?
¿La lente apunta al objetivo para tomar imágenes, o apunta a la Tierra para comunicarse? Si es lo primero, ¿cómo obtiene ganancia para enviar la señal a la Tierra? Y si es lo segundo, ¿cómo hace ciencia útil sobre el objetivo?
¿Alguien hizo siquiera un cálculo muy aproximado del presupuesto de enlace para las comunicaciones? El haz láser se dispersa y pierde coherencia; ¿por qué parece asumirse que converge y mantiene coherencia para siempre?
Si un láser de 100 GW se dispersó hasta 100,000 km y uno está a un radio de ±50,000 km, ¿cuál es la densidad de energía? Lo pregunto porque parece que los miembros del enjambre en el borde de la lente también necesitarían la misma potencia que los del centro
Por eso hay que usar naves espaciales pequeñas, y como una sola nave pequeña no puede hacerlo todo, se envían muchas
Además, la propuesta no es así
Cada nave espacial tendría su propia fuente de energía, y no hay ningún hilo físico
Aquí “línea” y “malla” se refieren a formas geométricas, no a objetos físicos
Cómo se fusionan aparece en la oración justo anterior a la cita: se ajusta la aceleración inicial para que la cola de la línea alcance a la cabeza, y durante los 20 años de crucero se usa el arrastre del medio interestelar para mantener unido el enjambre después del ensamblaje
La lente de comunicaciones no tiene relación con la forma de lente de la malla de sondas ni con el equipo de recolección de datos
Se usan cosas distintas para tomar imágenes y para enviarlas
La ganancia para enviar señales a la Tierra corresponde a la explicación del artículo: cada sonda envía los mismos datos, pero ajusta el momento de emisión según su posición relativa para que los pulsos lleguen simultáneamente al arreglo receptor en la Tierra
La densidad de energía del láser de 100 GW después de dispersarse no es relevante, porque no es una fuente de alimentación
Asimov escribió sobre algo así, y si se pudiera acercar lo suficiente al Sol, podría entregar potencia ilimitada a lugares oscuros del universo
Quienes operan el experimento de la gota de brea no esperan obtener resultados definitivos durante su vida
Los doctorandos del JPL probablemente se sentían de manera parecida antes de que la tecnología de cohetes se volviera más cotidiana
Quien quiera participar en este intento tiene que aceptar que, durante su vida laboral, como mucho obtendrá resultados secundarios o terciarios, y así podrá encontrar disfrute o prestigio; no descubrirá resultados prácticos del dispositivo en sí
Comparado con ayudar a construir el SKA o lanzar el Webb, los resultados obtenidos en vida por costo por persona podrían ser mayores en esos proyectos
Eso no significa que sean “mejores”, sino que producen más rápido los resultados científicos de la misión principal
También hay mucha buena ciencia en los efectos secundarios y terciarios
El comportamiento de sistemas diseñados para activarse después de almacenamiento prolongado en el espacio, nuevos modelos de propulsión, etc.: la buena ciencia no se acaba
He oído que, si repitiéramos Voyager, hoy podríamos permitirnos medios de lanzamiento y sistemas de radiofrecuencia 10 o 100 veces mejores, así que obtendríamos resultados en la misma ubicación más rápido
Pero nadie que trabaje en Brilliant dust verá resultados como “imágenes recientes de un sobrevuelo cercano de Proxima Centauri”
El costo de alcanzar una fracción significativa de la velocidad de la luz es demasiado alto
Si el láser no impacta nada, ¿hasta qué distancia el haz se mantiene bastante estrecho? ¿Es función de la geometría del emisor?
Si apuntas un láser de 100 GW a un pequeño trozo de silicio, se calentará muchísimo, así que me pregunto si impactar periódicamente una sonda diminuta desde lejos podría servir no solo para propulsión, sino también como suministro de energía
Siempre y cuando se le pueda acertar incluso desde lo bastante lejos
Hacer la sonda muy liviana es una respuesta convincente al problema de acelerar masa hasta velocidades útiles para el vuelo interestelar, y también se puede meter bastante maquinaria dentro de un trozo de silicio
Que el chip absorba energía de un emisor láser distante, almacene parte de ella, haga cálculos y emita energía mediante algo como LED en su superficie para ajustar finamente su posición o comunicarse con otros chips del enjambre resulta, al menos de manera laxa, plausible
Como ciencia ficción funciona lo suficiente, y quizá también sea implementable en la realidad
Es la distancia a la que el haz se dispersa hasta sqrt(2) veces su tamaño inicial, es decir, su cintura [1]
Esta distancia es proporcional al cuadrado de la cintura del haz e inversamente proporcional a la longitud de onda
Con un haz de 1 m y una longitud de onda de 1 um, sería de unos 3e6 m, es decir, 3000 km
Por lo tanto, cuanto mayor sea el diámetro del haz y más larga la longitud de onda, menor será la dispersión
También existen formas de haz “no difractivas” que pueden mantener su forma original durante una distancia inicial; por ejemplo, los haces de Bessel [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
La parte sobre sincronizar los relojes a bordo de las sondas con la Tierra y entre sí para brindar posición, navegación y tiempo precisos parece, al menos a primera vista, un desafío enorme considerando que viajan a velocidades relativistas
¿Cómo desaceleran? ¿En algún momento dan vuelta la vela para frenar con la luz de la estrella?
Si se puede mantener ópticamente coherentes a muchas sondas, también se podría hacer eso con espejos separados dentro del sistema solar
Un telescopio de 100,000 km del tamaño de este enjambre podría resolver incluso características de menos de unos cientos de metros en Proxima Centauri
O se podría usar interferometría computacional, pero habría que poder medir con precisión la fase de la luz en longitudes de onda visibles, y eso sigue siendo un problema no resuelto
Sobre la afirmación de que “empujar pequeñas sondas interestelares de unos gramos con luz láser probablemente sea la única tecnología capaz de llegar a otra estrella en este siglo”, mirar aquí la propulsión por haz puede ofrecer otra perspectiva
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
Si, por más que avance la tecnología, solo se pueden acelerar objetos de baja masa hasta cerca de la velocidad de la luz, quizá seres muy inteligentes y tecnológicamente avanzados hayan reducido la masa de sus propios cuerpos para explorar la galaxia
Los seres más avanzados e inteligentes podrían tener apenas unos gramos de masa
Al menos es un material interesante para ciencia ficción ;-)