Tecnología para naves espaciales no tripuladas a exoplanetas

Hay distancias increíbles y alucinantes involucradas simplemente para llegar a un exoplaneta. Alpha Centauri Bb , el exoplaneta conocido más cercano, está a 4.365 años luz de distancia. Eso es 41,295,000,000,000 km (25,660,000,000,000 mi), o 276,000 AU (la distancia de la Tierra al Sol).

La Voyager 1 ha dejado atrás la mayor parte de nuestro sistema solar y viaja a una velocidad vertiginosa de 17,3 km/s . Si se dirigiera hacia Alpha Centauri Bb, tardaría casi 75.700 años en llegar allí.

A escalas de distancia interestelar, el desafío técnico consiste en alcanzar la velocidad. El Proyecto Icarus propone usar una fusión nuclear para intentar velocidades interestelares. Beamed propulsion es una propuesta para utilizar velas ligeras impulsadas por láseres gigantes.

Otra forma de obtener un impulso es la trayectoria de Krafft Arnold Ehricke , mencionada recientemente en esta pregunta , de la cual cito:

. . . la mejor trayectoria. . . para salir del Sistema Solar con la mayor velocidad$V_\infty$tendrá que usar:

• Una asistencia de gravedad de Saturno
• Una asistencia de gravedad de Júpiter
• Una maniobra de propulsión perihelio (también conocida como motores de encendido) cerca del Sol (tan cerca como lo permita el sistema de control térmico de la nave espacial).

Incluso las predicciones más optimistas dicen que quizás dentro de cien años podríamos alcanzar velocidades suficientes para llevar nuestras sondas allí dentro de cientos de años. Por lo tanto, otro desafío técnico será diseñar una sonda que dure tanto tiempo, que aún tenga un sistema de energía en funcionamiento a su llegada, que aún tenga instrumentos, radios, etc. en funcionamiento. Esto, por supuesto, se complica por el hecho de que no hay realmente algo así como el espacio vacío en cualquier lugar. Las partículas en el espacio interestelar son extremadamente escasas, pero cuando uno viaja a una fracción apreciable de la velocidad de la luz, la más mínima mota tiene un gran potencial de daño.

Luego está la cuestión de cómo desacelerar para que cuando lleguemos al destino, no pasemos tan rápido que nuestros instrumentos no puedan absorber una cantidad práctica de datos. La mayoría de los diseños exigen acelerar hasta alcanzar la velocidad y luego desacelerar. Las velas magnéticas se han presentado como una posible técnica de desaceleración, pero eso presupone suficiente flujo magnético en el medio interestelar para que sea factible.

Obtener los datos del sobrevuelo del exoplaneta de regreso a la Tierra es en sí mismo un desafío técnico. Suponiendo que su sonda logre capturar un caché de datos científicamente significativo sobre el sistema objetivo y los planetas, la gran distancia que tiene que transmitir la telemetría significa una señal significativamente atenuada en el momento en que llega a cualquier receptor en el sistema solar. Un enfoque podría ser enviar una serie de sondas de relé después del vehículo principal para recibir, impulsar y luego transmitir la señal.

Pero creo que una nave espacial no tripulada enviada para un sobrevuelo de una red de exposición sería un paso revolucionario en este campo.

Mejor dicho: Imposible, al menos usando algo parecido a la tecnología actual.

Llegar a Alpha Centauri en 60 años requeriría una velocidad promedio de casi 22 000 kilómetros por segundo, o 0,5 unidades astronómicas por hora. Esa alta velocidad le daría al vehículo solo unas horas para realizar su misión. Eso prácticamente descarta una misión de sobrevuelo. El vehículo debe detenerse en la estrella objetivo, lo que sube aún más la apuesta en la escala "no sabemos cómo hacer eso" (también conocida como el nivel de preparación tecnológica). Las tecnologías que podrían hacer eso tienen una calificación optimista de TRL 3. Eso es muy bajo, e incluso ese número requiere mirar las cosas a través de lentes de color rosa.

Incluso si tuviéramos la tecnología de propulsión para hacer eso, ¿de qué serviría si el vehículo está muerto al llegar o si no puede comunicarse con la Tierra? El vehículo necesita un sistema de energía que dure 60 años (no sabemos cómo hacerlo), un sistema informático que pueda sobrevivir durante 60 años (tenemos alguna idea de cómo hacerlo) y un sistema de comunicaciones que pueda transmitir a un ritmo razonable a través de 4.365 años luz (no sabemos cómo hacerlo).

Para ilustrar el último problema, los satélites Voyager han tenido que reducir regularmente su velocidad de transmisión a medida que se alejaban más y más del sistema solar. En algún momento de este año, la Voyager 1 tendrá que reducir su transmisión de alta velocidad a 1,4 kilobits por segundo. Eso marcará el final de esas transmisiones de alta velocidad; el sistema de reproducción de la nave espacial no puede funcionar a un ritmo tan bajo. Esos 1,4 kilobits por segundo a 132 UA se convierten en 28 bits por día a 4,365 años luz. Llevaría casi un año transmitir una sola imagen en escala de grises de 256x256 comprimida por un factor de 10:1 a esa velocidad. Necesitamos un sistema de comunicación tres órdenes de magnitud mejor que ese para ser útil. Una mejora de un orden de magnitud es factible. ¿Tres órdenes de magnitud? No sabemos cómo hacer eso.

Lo más factible que he visto, que no es tan alto en la escala de factibilidad, es una malla de alambre muy grande y de muy baja masa que contiene sensores acelerados y alimentados por un haz de microondas de la Tierra. Véase Starwisp .

Josué,

Las respuestas de Jerard Pucket y David Hammond son muy buenas. Como indicó Jerard Pucket, la mayoría de la gente no se da cuenta del gran aumento exponencial en las distancias entre el borde práctico planetario/planetoide de nuestro sistema solar (como Plutón y Sedna) e incluso las estrellas más cercanas. La analogía del profano que lo presenta matemáticamente reducido pero proporcional a las distancias involucradas es la analogía del estadio de fútbol para nuestro sistema solar... Imagine el Sol como una clementina en la línea de 50 yardas, en el centro del campo. La tierra está a 10 pies de distancia. A esta escala, Pluto está en el borde del estadio, los asientos más alejados, donde se encuentran los aficionados con boletos de menor costo. ¿Para ir a la estrella más cercana a esta escala? Es un vuelo de una aerolínea o un largo viaje en auto... Alpha Centauri es de aprox. 1,000 millas a esa escala. Gliese 581c, a 21 años luz de distancia... Si el estadio está en Cleveland, entonces Gliese 581 está cerca de Escocia, al otro lado del Atlántico. Plutón está a unos 7 a 9 años de distancia de la Tierra con la tecnología actual (para los fanáticos en los asientos más alejados del estadio)... Háganse una idea... yendo al Gliese 581 en Escocia cuando se necesitan 7 a 9 años para llegar al borde del estadio. Marc Millis de Tau Zero Foundation tiene un buen artículo sobre los recursos estimados y los plazos para enviar una sonda interestelar... ver:http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1101/1101.1066.pdf - véase también el "postulado de obsolescencia incesante" (nuevamente de Marc Millis, Tau Zero Foundation) http://www.tauzero.aero/discoveries -log/getting-there/motives/
David Hammond dio una buena revisión básica sobre las transmisiones de radio del Sol (Tierra) desde Alpha Centauri. Aquí hay más información "aleccionadora" derivada de un artículo escrito por David Woolley con referencias del Proyecto Cyclops, (ISBN 0-9650707-0-0), Reimpreso en 1996, por la Liga SETI y el Instituto SETI; y Radioastronomía, John D. Kraus, 2ª edición, Cygnus-Quasar Books, 1986.

¿Qué tan GRANDE debe ser esta sonda interestelar?
¿Cuánta energía debe generar para las comunicaciones? ¿Para la propulsión? (para llegar a Alpha Centauri en un tiempo de vida)

El transmisor/receptor (y su tamaño): incluso si tomáramos el radiotelescopio de plato más grande de la actualidad, el radiotelescopio de Arecibo de 1,000 pies y lo transportáramos "mágicamente" en la órbita de Alpha Centauri Bb, NO podríamos detectar NINGUNA televisión, radio, radar o ¡cualquier otra comunicación de flujo principal desde la Tierra! El uso de la banda S a 2,380 GHz con un ancho de banda de 0,1 Hz (posible hoy, pero limitaría la velocidad de transferencia del flujo de datos) agrega una potencia de transmisión ridícula de un gigavatio (mucho más allá de lo que hacemos actualmente, pero posible si verdaderamente requerido). Todo esto tendría un rango de detección de 5 años luz con el plato de Arecibo. Un sistema de comunicaciones por láser apuntador muy preciso es otra opción, con potencia reducida, pero aún con salidas de potencia en el rango de varios megavatios y representaría una tecnología en desarrollo, pero probablemente posible en su vida. Para que la sonda alcance Alpha Centauri Bb en 90 años, la sonda debe alcanzar una velocidad máxima del 10 % de la luz, desacelerar y luego orbitar. El resultado final sería una sonda que utilice un generador de fusión nuclear MUY robusto con mucho combustible (que aún NO tenemos fusión nuclear, todavía está más allá de nosotros). La sonda sería varias veces más grande que el portaaviones USS Nimitz (principalmente para que el combustible de fusión alcance el 10 % de la velocidad de la luz dos veces), y solo el sistema de comunicación tendría suficiente generación de energía para hacer funcionar una gran ciudad. El sistema de propulsión de esta sonda generaría energía que ATRAERÍA la capacidad de producción de energía del mundo entero hoy... El costo: la economía de construirla llevaría al mundo a la bancarrota muchas veces en este punto de la historia, y oh sí, la tecnología aún NO lo es. disponible, así que todo el punto es mudo... Sin embargo, lea la información de Marc Millis ya que las tecnologías de trampolín de hoy en día podrían conducir a la construcción de una sonda de este tipo... en varios cientos de años. Además, el tamaño de la sonda se reduciría un orden de magnitud con el avance de las tecnologías futuras, pero la sonda seguiría siendo más grande que cualquier cosa que hayamos puesto en órbita en este momento.

Las cosas no son tan negativas como los otros carteles lo hacen parecer.

Si bien simplemente no podemos hacerlo todavía, no estamos tan lejos de tal sonda. Mire el concepto Starwisp de Robert L. Forward : tanto el impulso como la potencia para el sobrevuelo se realizan con potencia emitida, lo que simplifica enormemente las cosas. La construcción de la sonda está más allá de la tecnología actual, pero no requiere avances fundamentales como lo haría cualquier cohete que transporte combustible capaz de alcanzar ese tipo de velocidad.

Starwisp también tiene la ventaja de que una gran parte del sistema (el enorme satélite de energía solar -> microondas) permanece aquí y se puede utilizar para lanzamiento tras lanzamiento tras lanzamiento. Esto hace que los lanzamientos adicionales sean mucho más baratos, si va a enviar tales sondas, puede enviarlas a cada estrella que esté lo suficientemente cerca. Por otro lado, no pueden comunicarse sin ser energizados por el rayo; si desea saber si la sonda ha sobrevivido, debe dirigirle un rayo de energía, y el diseño inherentemente no puede tener ningún tipo de escudo contra el gas y el polvo interestelar.

EMDrive + Vela solar = 80-100 años. Un poco alto, pero parece en el ámbito de la posibilidad.

Una tecnología "vanguardista"** de la que se habla es EMDrive. Es básicamente un motor de iones de potencia ligera que podría acelerar perpetuamente, lo que permite velocidades increíblemente altas. (.1 veces la velocidad de la luz)

El Sr. Joosten y el Dr. White declararon que "un viaje de ida, sin desaceleración a Alpha Centauri bajo una aceleración constante de un mili-g" desde un motor EM daría como resultado una velocidad de llegada del 9,4 por ciento de la velocidad de la luz y daría como resultado en un tiempo de tránsito total desde la Tierra hasta Alfa Centauro de apenas 92 años.

Sin embargo, si las intenciones de tal misión fueran realizar observaciones y experimentos in situ en el sistema Alpha Centauri, entonces sería necesaria la desaceleración.

Este componente adicional daría como resultado un tiempo de tránsito de 130 años desde la Tierra hasta Alpha Centauri, lo que sigue siendo una mejora significativa con respecto al cronograma de varios miles de años que llevaría una misión de este tipo utilizando la tecnología actual de propulsión química.

Evaluación de la unidad EM futurista de la NASA

Colóquese una vela solar (tanto para alimentarla como para usar la luz solar para darle ese impulso adicional), y puede reducir el tiempo hasta en un factor de dos.

Los ingenieros de JAXA utilizaron mediciones de radar Doppler de la nave Ikaros para determinar que la luz del sol presiona la vela solar de la sonda con una fuerza de aproximadamente 1,12 milinewtons (0,0002 libras de fuerza).

La vela solar pasa una gran prueba en el espacio profundo

**NOTA: La credibilidad de EMDrive está en debate.