Breakthrough Starshot — научно-исследовательский и инженерный проект в рамках программы Breakthrough Initiatives по разработке концепции флота межзвёздных космических зондов, использующих световой парус, под названием Энн Финкбайнер К Альфе Центавра почти со скоростью света // В мире науки. — 2017. — № 5-6. — С. 20 — 30..
Такой тип космических аппаратов, по оценкам авторов, будет способен совершить путешествие к звёздной системе Альфы Центавра, удаленной на 4,37 световых лет от Земли, со скоростью до 20 % скорости света, что займет примерно 20 лет и ещё около 5 лет, чтобы уведомить Землю об успешном прибытии. При этом целью проекта является не конкретно это путешествие, а доказательство возможности реализации лежащей в его основе концепции. В процессе её достижения работа в рамках программы предполагает и другие полезные моменты для задач современной астрономии, таких как исследование Солнечной системы и защита от астероидов.
Руководителем проекта является ; также в состав команды научных консультантов во главе с входят 25 ведущих учёных и специалистов, среди которых британский королевский астроном Мартин Рис, Нобелевский лауреат астрофизик Сол Перлмуттер из Калифорнийского университета в Беркли, Энн Друян, исполнительный продюсер документального сериала «Космос: пространство и время» и вдова Карла Сагана, а также математик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований.
История
Основные концептуальные принципы, позволяющие осуществить межзвёздное путешествие, были описаны в статье Roadmap to Interstellar FlightDEEP IN Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration / NASA доктора Филиппа Любина из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Однако идея разгона космического аппарата сверхмощным лазерным излучением, направленным на парус, была высказана ещё в 1970-е годы физиком и фантастом Робертом Форвардом, и впоследствии выдвигались различные её вариации, в частности, специалистом NASA и писателем , участником нынешнего проекта. Но до настоящего времени она не получила практического развития из-за огромных технических трудностей и недостаточного уровня необходимых технологий.
Проект был анонсирован 12 апреля 2016 года (в 55-ю годовщину первого полёта человека в космос) на пресс-конференции, проведённой в Нью-Йорке российским предпринимателем Юрием Мильнером и астрофизиком Стивеном Хокингом, которые выступили в роли членов инициативного совета. Также в инициативный совет вошёл генеральный директор Facebook Марк Цукерберг. Проект получил первоначальное финансирование в размере 100 миллионов долларов США (на начало исследований в ближайшие 5-10 лет), которые планируется потратить на исследование реализуемости концепции. Следующим этапом будет создание модели в масштабе 1/100. Мильнер оценивает окончательную стоимость миссии от 5 до 10 млрд долларов США, надеясь, что в будущем другие частные инвесторы последуют его примеру, а также предполагает, что первый космический корабль можно будет запустить через 20 лет.
Сразу после официального анонса программы на авторов проекта обрушилась волна критики со стороны учёных и технических специалистов в различных областях. Некоторые критические замечания были приняты во внимание, и первоначальный план полёта Любина был несколько скорректирован в первой итерации. Была открыта публичная дискуссия, где все желающие могут обсуждать технические трудности на пути реализации проекта и пути их преодоления; в ней активно участвуют члены команды проекта.
В августе 2016 года, учёные, участвующие в работе проекта Breakthrough Starshot, провели первое научное заседание, где обсудили перспективы разработки системы, которая отправит нанозонды к Альфе и Проксиме Центавра в середине столетия.
В начале 2017 года к общему проекту Breakthrough Initiatives присоединилась Европейская южная обсерватория (ESO). По условиям подписанного соглашения Breakthrough Initiatives будет финансировать работы по модернизации инструмента VISIR на принадлежащем ESO Очень большом телескопе в Чили с целью его усовершенствования и увеличения эффективности поиска потенциально обитаемых экзопланет в звёздной системе Альфы Центавра, куда в перспективе можно было бы отправить миссию Breakthrough Starshot. ESO же предоставит Breakthrough Initiatives время для наблюдений на Очень большом телескопе в 2019 году для проведения подробных наблюдений.
Следующая научная конференция, где обсуждались последние открытия потенциально обитаемых экзопланет в ближайших звёздных системах (Альфа Центавра и TRAPPIST), прошла в апреле 2017 года в Стэнфордском университете.
В июне 2017 года состоялся успешный вывод на низкую околоземную орбиту первых рабочих прототипов нанозондов — чипов размером 3,5 на 3,5 см и весом около 1 грамма, несущих на себе солнечную панель, микропроцессор, датчик и систему связи. Аппараты, получившие название «спрайты» («Sprites»)«Sprite» в буквальном переводе с английского — «эльф», «призрак», однако это также аббревиатура для названия британского проекта беспилотного дистанционно управляемого разведывательного аппарата вертолётного типа конца 80-х гг, Surveillance, Patrol, Reconnaissance, Intelligence gathering, Target Designation and Electronic warfare , были разработаны участником проекта Заком Манчестером и выведены на орбиту с помощью латвийского спутника «Вента» и итальянского «Макс Валье» (оба изготовлены в образовательных целях немецкой компанией ), от них успешно принимаются сигналы.
По состоянию на осень 2025 года проект был заморожен, при этом и руководитель компании Starshot, и ведущие учёные проекта отказались от интервью с журналистом Scientific American
Концепция
Концепция StarShot предусматривает запуск базового космического аппарата, который доставит около тысячи крошечных (массой 1 грамм) космических аппаратов на высокую орбиту, а затем запустит их один за другим. Каждый микрозонд соединён сверхпрочными стропами с солнечным парусом размерами около 4×4 м, толщиной 100 нм и массой 1 г. Затем наземные лазеры в течение 10 минут фокусируют на парусе луч мощностью 50-100 ГВт. Лазерная силовая установка представляет собой фазированную решётку из 20 млн небольших (с апертурой в 20-25 см) лазерных излучателей размером 1×1 км; с помощью фазирования (то есть изменения фаз на каждом отдельном излучателе) предполагается сфокусировать излучение с длиной волны 1,06 мкм со всей решётки в пятно диаметром несколько метров на расстоянии до 2 км (предельная точность фокусировки 10−9 радиана). Это обеспечит ускорение около 30 000 g, за счёт чего зонды достигнут целевой скорости в 20 % световой.
Полёт к Альфе Центавра продлится около 20 лет. Если там существуют планеты размером с Землю в пределах обитаемой зоны (а пока достоверно подтверждено существование только одной из них — Проксимы b), Breakthrough Starshot будет пытаться нацелить космические корабли в пределах 1 астрономической единицы от них. С этого расстояния камеры будут способны получить изображение достаточно высокого качества, чтобы разглядеть рельеф планеты. Чтобы достичь такого разрешения с помощью космического телескопа на орбите Земли, этот телескоп должен был бы иметь размер порядка 300 км в диаметре.
Далее эта информация должна быть передана на Землю; по замыслу авторов проекта, у цели зонд маневрирует таким образом, что парус превращается в линзу Френеля, фокусирующую сигнал зонда в направлении Земли. Согласно оценкам, идеальная линза при идеальной фокусировке и идеальной ориентации усиливает сигнал мощностью 1 Вт до 1013 Вт в изотропном эквиваленте. Так что каждый крошечный космический аппарат будет передавать данные с помощью компактной системы лазерной связи на борту, используя собственный парус в качестве антенны. Через пять лет эти данные принимаются на Земле с помощью той же лазерной системы. Возвращения же самих зондов не предполагается, так как системы их торможения не предусмотрены.
Помимо исследования экзопланет в системе Альфы Центавра, можно организовать миссию и к другой звёздной системе, правда, полёт к ближайшей из них даже со скоростью 0,2 c займёт уже 50 лет. Однако возможны и другие варианты полезного применения компонент Breakthrough Starshot в астрофизике. Лазерная установка — самая дорогая часть проекта — может быть впоследствии использована и для других космических аппаратов как в Солнечной системе, так и за её пределы. Так, космический нанозонд, разогнанный до 20 % скорости света, способен долететь до Марса за час (тогда как современному аппарату для этого требуется порядка 9 месяцев), до Плутона (куда аппарат «Новые горизонты» летел 9 лет) — за день, а за неделю попасть в межзвёздное пространство. Даже скорость в 2 % скорости света позволит существенно сократить время полёта. Кроме того, лазерная установка может гипотетически использоваться и как телескоп беспрецедентных размеров, и как инструмент для защиты от астероидов, способный обнаруживать потенциально опасные объекты на большом расстоянии и даже изменять их траекторию с помощью лазерной абляции.
Но в любом случае, по словам Филипа Любина, первые полёты будут совершаться в пределах Солнечной системы: «Поскольку мы можем посылать огромное количество зондов, это даёт нам много разных возможностей. Мы также можем посылать подобные маленькие (wafer-scale, то есть на чипе) зонды на обычных ракетах и использовать те же технологии для изучения Земли или планет и их спутников в Солнечной системе».
Связь с SETI Если человечество в своём научно-техническом развитии будет способно осуществить подобную миссию, можно предположить такую возможность и для другой гипотетической внеземной цивилизации. Так что в рамках проекта SETI одним из направлений может стать попытка зафиксировать признаки работы лазерной разгонной установки ввиду её исключительной мощности. Согласно расчётам, излучая в микроволновом диапазоне, она могла бы создавать поток в несколько янских на расстоянии 100 парсек в течение нескольких десятков секунд, который можно было бы зарегистрировать с вероятностью 10 % при продолжительности наблюдения в 5 лет.
Технические проблемы Использование света для движения требует огромной мощности: лазер гигаваттной мощности обеспечит лишь 7 ньютонов тяги. Космический корабль будет компенсировать малую тягу за счёт малой массы, всего в несколько граммов. И каждый из них должен нести на себе камеру, управляющий модуль, узел связи, систему ориентации и источник энергии. Но размещение такого количества полезной нагрузки в предельно маленьком объёме вполне реализуемо на сегодняшний день благодаря прогрессу в микроэлектронике наряду с удешевлением производства в соответствии с законом Мура, отмечает Мильнер. Источником питания зондов может служить миниатюрный радиоактивный источник, например, такой как америций-241, используемый в детекторах дыма, либо традиционный плутоний-238.