Enxames em Proxima Centauri: enxames de picoespaçonaves em distâncias interestelares
(astrobiology.com)Voo em enxame para Proxima Centauri: voo em enxame coerente de espaçonaves ultraminiaturizadas em distâncias interestelares
Visão geral
- Título do artigo: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- Autor: Keith Cowing
- Fonte: NASA NIAC
- Data: 18 de maio de 2024
- Tema: 'Oumuamua, interestelar, propulsão a laser, NASA, NIAC, picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks
Principais pontos
O potencial das espaçonaves ultraminiaturizadas
- Espaçonaves ultraminiaturizadas: espaçonaves de poucos gramas, impulsionadas por luz laser, são consideradas a única tecnologia capaz de alcançar outras estrelas.
- Propulsão a laser: presume-se que, até meados do século, um feixe de laser de cerca de 100 GW poderá acelerar espaçonaves de alguns gramas a velocidades relativísticas.
- Vela a laser: será necessária uma vela a laser robusta o suficiente para suportar o lançamento, além de um grande receptor óptico capaz de captar sinais luminosos na Terra (~1 quilômetro quadrado).
Missão representativa
- Objetivo da missão: é proposta uma missão para sobrevoar Proxima b em meados do século usando um enxame com milhares de espaçonaves ultraminiaturizadas.
- Restrições: há limitações extremas de massa de lançamento (gramas), energia a bordo (miliwatts) e abertura de comunicação (de centímetros a metros).
- Necessidade do enxame: muitas espaçonaves precisam cooperar para gerar um sinal óptico potente.
Autonomia e rede
- Autonomia: como o atraso de ida e volta do sinal é de 8 anos, o controle prático a partir da Terra é impossível, então o enxame precisa de alto grau de autonomia.
- Rede: é preciso construir uma rede mesh com links ópticos de baixa potência e sincronizar relógios com a Terra e entre si para dar suporte a PNT preciso (posição, navegação e tempo).
Lançamento e voo
- Método de lançamento: começa com uma longa fileira de espaçonaves lançadas uma a uma a cerca de 0,2c.
- Sincronização temporal: após o lançamento, o laser de propulsão é usado para sinalização e sincronização dos relógios, fornecendo um sinal de tempo contínuo.
- Ajuste de velocidade: a aceleração inicial é ajustada para que a extremidade da fileira encontre a dianteira.
- Formação do enxame: a fileira inicial, com comprimento de centenas a milhares de AU, se combina dinamicamente ao longo do tempo em uma rede mesh em formato de lente.
Comunicação e transmissão de dados
- Sincronização de posição: os membros do enxame conhecem suas posições relativas entre si e mantêm a sincronização usando relógios microminiaturizados de última geração.
- Transmissão de dados: todas as espaçonaves transmitem os mesmos dados, mas ajustam o tempo de emissão de acordo com suas posições relativas para que os sinais cheguem simultaneamente ao arranjo receptor na Terra.
- Amplificação de potência: cada espaçonave do enxame gera um único pulso de laser curto, porém extremamente brilhante, para maximizar a capacidade de transmissão de dados.
Vantagens do enxame
- Mitigação de risco: o enxame pode tolerar perdas significativas ao longo da trajetória, reduzindo o risco de “colocar todos os ovos na mesma cesta”.
- Observações múltiplas: permite observar Proxima b de perto a partir de múltiplos pontos de vista.
Experimentos e missões futuras
- Experimentos atuais: a tecnologia de enxame pode ser explorada e testada em ambientes de simulação.
- Missões futuras: prevê-se uma série de missões que podem começar na órbita da Terra ou da Lua e se expandir para o Sistema Solar exterior.
- Exemplos de missão: seria possível explorar o objeto interestelar em rápido afastamento 1I/’Oumuamua ou a lente gravitacional solar.
Opinião do GN⁺
- Desafio técnico: a autonomia e a sincronização em rede de enxames de espaçonaves ultraminiaturizadas representam desafios técnicos extremamente altos.
- Potencial futuro: se essa tecnologia for bem-sucedida, poderá abrir um novo capítulo na exploração espacial e complementar as tecnologias existentes.
- Fatores de risco: embora o enxame consiga tolerar perdas significativas, ainda há muitos riscos técnicos.
- Questão de custo: espera-se que o custo e os recursos necessários para executar esse tipo de missão sejam substanciais.
- Projetos semelhantes: há também outros projetos com objetivos parecidos, como o Breakthrough Starshot.
1 comentários
Comentários do Hacker News
Nasci 11 anos depois do pouso na Lua e, em teoria, se eu viver até os 120 anos, talvez ainda veja os dados do sobrevoo próximo da frota de sondas Proxima
A conta assume lançamento em 2076, 20 anos de viagem a 0,2c e 4 anos para a informação voltar
A chance de esse plano realmente ser implantado, e a chance de eu ainda estar vivo até lá, são ambas muito baixas, mas ainda assim é inspirador pensar que a humanidade pode chegar da Lua até a estrela mais próxima em praticamente uma vida
Talvez também não haja “nada” em Proxima, como na Lua, mas esse não é o ponto principal
O que tem valor está nas pessoas que vivem junto com a Terra, mas nós precisamos de ambição e sonhos em comum
Para um sonho valer a pena, ele não precisa necessariamente fazer sentido; na verdade, a “racionalidade” de relatórios trimestrais e avaliações de desempenho é inimiga dos sonhos
As luas dos gigantes gasosos também já foram consideradas inativas e sem graça, mas quando fomos vê-las de perto, estavam cheias de características diversas e interessantes
Existe alguma “lei” ou “paradoxo”, cujo nome não lembro, segundo a qual, mesmo que lancemos algo em 2076 a 0,2c, depois poderíamos enviar algo mais rápido e ultrapassar a sonda original
Não dá para saber até olhar de perto
A explicação de que toda a frota criaria pulsos de laser muito brilhantes ao mesmo tempo para se comunicar com a Terra não parece viável
Pelo que entendi, não há método de manutenção de posição e, mesmo que o meio interestelar seja relativamente vazio, haveria deriva ao longo de anos-luz
Não parece plausível que naves independentes se sobreponham com sincronização precisa o bastante para que o sinal seja recebível da Terra, e a atenuação também seria enorme; eu gostaria de ver os números
Algum grau de manutenção de posição também é possível
A ideia é ajustar a atitude para controlar a magnitude e a direção do vetor de arrasto
https://arxiv.org/abs/2309.07061
Com a tecnologia atual isso claramente não dá, mas também não parece exigir materiais totalmente mágicos
Isso soa como um plano para somar coerentemente o sinal de cada sonda, mas para isso os próprios pulsos de laser também precisariam ser coerentes
O comprimento de onda da luz visível é de algumas centenas de nanômetros, então seria necessária precisão espacial nessa ordem, apesar das separações muito maiores entre as sondas sugeridas
Se considerar também a coerência temporal, isso provavelmente seria impossível sem que as sondas travassem ativamente umas nos lasers das outras; nesse caso, cada sonda precisaria ao menos de óptica para enviar e detectar sinais luminosos dos vizinhos mais próximos
Não dá para afirmar que é impossível dentro das restrições de massa, mas parece bem grosseiro
“Em escala de anos-luz” significa literalmente anos para coordenar movimentos entre elas, sem nem falar de mensagens de coordenação enviadas da Terra depois do lançamento
Cada nave pode usar seu laser de comunicação como fonte de empuxo
Na mesma linha, eu adoraria muito ver ainda em vida a imagem de um exoplaneta usando a lente gravitacional do Sol
Ainda há bastante tempo, mas é frustrante que esses grandes projetos de astronomia avancem tão pouco por vez
Em vez de colocar um telescópio a 540 AU, como na lente gravitacional do Sol, bastaria colocá-lo em L2
Não é tão poderoso quanto a outra opção, mas só pela escala de distância já parece muito mais executável e seria essencialmente um James Webb “voltado para observar a Terra”
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
Então nada de preguiça, e trate de captar a primeira luz da lente até 2050
É um dos projetos dos meus sonhos que eu gostaria de ver realizado antes de morrer
Para quem não sabe o que é isso e o que isso poderia significar:
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
Existe o conceito de projetos em escala de décadas, e às vezes eles continuam sendo refinados em grupos de trabalho ou equipes menores
Pode até ser intencional haver pouca discussão pública
Às vezes a ideia ainda não é viável, mas uma tecnologia nova surge e uma ideia antiga volta a ser tirada da gaveta
E algumas ideias são tão fantasiosas que geram reação negativa imediata, o que dificulta que políticos comprem a proposta e liberem verba
Felizmente, o sucesso público do JWST, mesmo depois de tantos atrasos, fez com que esses projetos passassem a ser vistos de forma mais positiva
Só espero que a Boeing não se envolva
Se você realmente tem bastante tempo, pode até ajudar diretamente neste projeto que quer ver acontecer
Para esse uso, uma sonda em enxame parece ineficiente
Duplica massa demais, quando essa massa poderia ser usada com redundância suficiente dentro de uma única nave, em vez de ficar “toda numa cesta só”
Além disso, a explicação de que uma fileira inicial com centenas a milhares de AU de comprimento acabaria se juntando com o tempo em uma rede em malha lenticular de 100.000 km de largura parece impossível
Como um objeto extremamente pequeno na frente ou atrás da fileira reduziria ou aumentaria sua velocidade o suficiente para se reposicionar por centenas de AU, usando como única fonte de energia um laser a vários anos-luz de distância, e depois ajustaria a velocidade para manter a formação?
A lente aponta para o alvo para fazer imagens, ou para a Terra para comunicação? Se for a primeira opção, como obteria ganho para enviar sinal à Terra, e se for a segunda, como faria ciência útil sobre o alvo?
Alguém fez ao menos uma conta bem aproximada do orçamento de enlace para a comunicação? O feixe de laser diverge e perde coerência; por que parece que estão assumindo que ele continuará convergente e coerente para sempre?
Qual é a densidade de energia de um laser de 100 GW depois de divergir até 100.000 km e estando em posições de raio ±50.000 km? Isso porque eu presumiria que os membros do enxame na borda da lente precisariam da mesma potência que os do centro
Então é preciso usar naves pequenas, e uma nave tão pequena não consegue fazer tudo, por isso se enviam várias
E a proposta também não é desse jeito
Cada nave teria sua própria fonte de energia, e não há corda física de verdade
Aqui, “fileira” e “malha” se referem a formas geométricas, não a objetos físicos
Como elas se juntam aparece na frase logo antes da citação: ajusta-se a aceleração inicial para que a cauda da fileira alcance a cabeça, e durante os 20 anos de cruzeiro usa-se o arrasto do meio interestelar para manter o enxame unido após a montagem
A lente de comunicação não tem relação com o formato de lente da malha das sondas nem com o equipamento de coleta de dados
Usam-se coisas diferentes para tirar imagens e para transmiti-las
O ganho para enviar sinal à Terra, segundo o artigo, vem de cada sonda transmitir os mesmos dados, mas ajustando o tempo de emissão de acordo com sua posição relativa, para que os pulsos cheguem simultaneamente ao arranjo receptor na Terra
A densidade de energia do laser de 100 GW após divergir é irrelevante, pois ele não é a fonte de alimentação
Asimov usou algo assim, e se desse para levá-lo suficientemente perto do Sol, ele poderia fornecer energia ilimitada às partes escuras do universo
As pessoas que operam o experimento da gota de piche não fazem isso esperando um resultado conclusivo dentro da própria vida
Antes de a tecnologia de foguetes se tornar mais corriqueira, os doutorandos do JPL provavelmente sentiam algo parecido
Quem quiser participar dessa tentativa precisa aceitar que, ao longo da carreira, no máximo vai obter resultados secundários e terciários; é assim que poderá tirar prazer ou prestígio disso, e não descobrindo resultados práticos no próprio dispositivo
Comparado a ajudar a construir o SKA ou lançar o Webb, o retorno em realizações dentro da vida por custo individual pode até ser maior nesses casos
Isso não quer dizer que eles sejam “melhores”, só que produzem mais rápido os resultados científicos da missão principal
Há muita boa ciência também no campo dos efeitos secundários e terciários
Há ciência de sobra em temas como o comportamento de sistemas projetados para serem ativados após longo armazenamento no espaço, novos modelos de propulsão etc.
Ouvi dizer que, se fôssemos refazer a Voyager, hoje poderíamos bancar meios de lançamento e sistemas de radiofrequência 10 ou 100 vezes melhores, então seria possível obter mais rapidamente resultados equivalentes na mesma posição
Mas ninguém trabalhando em Brilliant dust verá resultados como “as imagens mais recentes de um sobrevoo próximo de Proxima Centauri”
O custo de chegar a uma fração significativa da velocidade da luz é alto demais
Se o laser não estiver acertando nada, por quanto tempo o feixe permanece relativamente estreito? Isso é função da geometria do emissor?
Mirando um laser de 100 GW em um pequeno pedaço de silício, ele ficaria extremamente quente, então fico pensando se, ao acertar periodicamente uma sonda minúscula a grande distância, isso não poderia servir não só para propulsão, mas também para fornecimento de energia
Isto é, se ainda fosse possível acertá-la a distância suficiente
Tornar a sonda extremamente leve é uma resposta convincente para o problema de acelerar massa até velocidades úteis para voo interestelar, e ainda dá para colocar bastante maquinaria dentro de um pedaço de silício
Parece vagamente plausível que o chip absorva energia de um emissor laser distante, armazene parte dela, faça computação e libere energia com algo como LEDs na superfície para ajustar finamente a posição ou se comunicar com outros chips do enxame
Funciona bem o bastante como ficção científica, e talvez até seja viável no mundo real
É a distância na qual o feixe diverge até sqrt(2) do tamanho inicial do feixe, ou seja, da cintura [1]
Essa distância é proporcional ao quadrado da cintura do feixe e inversamente proporcional ao comprimento de onda
Para um feixe de 1 m e comprimento de onda de 1 um, ela é de cerca de 3e6 m, ou 3000 km
Portanto, quanto maior o diâmetro do feixe e quanto maior o comprimento de onda, menor a divergência
Também existem formatos de feixe “não difrativos” que podem manter a forma original do feixe por uma distância inicial, como o feixe de Bessel [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
A parte sobre sincronizar os relógios de bordo da sonda com a Terra e entre si para dar suporte a posição, navegação e tempo precisos parece, pelo menos à primeira vista, um desafio enorme, considerando que ela se moveria a velocidades relativísticas
Como seria feita a desaceleração? Em que momento a vela seria invertida para desacelerar com a luz estelar?
Se fosse possível manter muitas sondas opticamente coerentes, então também daria para fazer isso com espelhos separados dentro do Sistema Solar
Um telescópio de 100.000 km desse tamanho de enxame conseguiria resolver detalhes de menos de algumas centenas de metros em Proxima Centauri
A alternativa seria usar interferometria computacional, mas aí seria preciso medir com precisão a fase da luz em comprimentos de onda visíveis, o que continua sendo um problema não resolvido até hoje
Quanto à afirmação de que “empurrar pequenas sondas interestelares de escala grama com luz laser provavelmente é a única tecnologia que pode alcançar outra estrela neste século”, analisar a propulsão por feixe aqui pode oferecer outra perspectiva
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
Não importa o quanto a tecnologia avance: se só for possível acelerar objetos de baixa massa até perto da velocidade da luz, então seres altamente inteligentes e tecnologicamente avançados talvez tenham reduzido a massa dos próprios corpos para explorar a galáxia
Os seres mais avançados e inteligentes podem ter apenas alguns gramas de massa
Pelo menos isso rende um tema interessante de ficção científica ;-)