Wie sollen die von Project Starshot vorgeschlagenen winzigen Raumschiffe mit der Erde kommunizieren?

Zwischen Leistungsbegrenzungen und aperturbegrenzter Beugung kann ich einfach nicht sehen, wie das möglich ist.

Neben dem Gigawatt-Laserarray ist dies meines Erachtens eines der Probleme, die sie in den kommenden Jahrzehnten zu lösen hoffen.
Ein "möglicher Weg", von dem ich weiß, dass sie ihn nicht gehen werden, ist eine Kette von Relais. Starten Sie etwa jedes Jahr ein neues Schiff und bilden Sie eine Kette, um Funksignale zurück zur Erde zu leiten. Natürlich sind Zuverlässigkeitsprobleme signifikant.
Das frage ich mich seit Jahren.
@SF. Sollen die nicht solarbetrieben sein?
Durchbruchinitiativen.org/Challenges/3 sieht so aus, als würden sie sich dasselbe fragen. Dies ist eines dieser „schicken Startup“-Dinge, bei denen jemand, der reich und berühmt ist, etwas Lächerliches vorschlägt (auf den Mars zu kommen) und dann einen Haufen Geld verdient, während er etwas anderes tut (Elektroautos bauen).
@Schlusstein: Das aktuelle Verfahren geht davon aus - und bietet gleichzeitig keine Funkfähigkeit. Sie müssten definitiv solarbetrieben sein, aber sie könnten ihre eigene Energie transportieren, um im interstellaren Raum zu arbeiten und die Stromversorgung für das Relais bereitzustellen.
Persönlich glaube ich, dass es als chemische Batterie funktionieren könnte. Es gibt chemische Prozesse, die ziemlich genau zeitgesteuert werden können und die zum Beispiel in 40 Jahren zum Aufbrechen einer Membran führen, die zwei inerte Substanzen trennt; Beim Mischen fungieren sie als chemische Batterie und liefern Strom.
Wie Sie bemerken, macht die aperturbegrenzte Beugung dies unmöglich. Um nahe gelegene Sternensysteme zu inspizieren, ist es viel besser, die Ressourcen für ein großes weltraumgestütztes optisches Interferometer aufzuwenden.
Die Relaiskette sollte sehr dicht sein, da jedes Raumfahrzeug der Kette nur eine sehr kleine Antennenschüssel und eine sehr begrenzte Leistung für den Sender hat. Der Einfluss einer großen DSN-Antennenschüssel zusammen mit ihrem sehr leistungsstarken Sender auf die maximale Übertragungsdistanz ist immens. Wenn der Ausfall eines Raumfahrzeugs der Kette toleriert werden soll, sollte der Abstand von Fahrzeug zu Fahrzeug halbiert werden. Der Ausfall von mehr als einem Raumfahrzeug könnte toleriert werden, wenn es keinen Ausfall von zwei benachbarten Raumfahrzeugen gibt.
@Uwe Da sie solarbetrieben sind, würde ich nicht erwarten, dass sie genug Strom erzeugen können, um überhaupt im interstellaren Raum zu kommunizieren. Ich nehme an, RTGs könnten im Prinzip klein genug gemacht werden, um an Bord zu passen, aber ich bin nicht überzeugt, dass sie aufgrund der extremen Massenbeschränkungen gut genug abgeschirmt werden könnten, um die Elektronik nicht zu töten.
Wenn die Antennenschüssel aus Massegründen viel kleiner als üblich ist, ist die maximale Entfernung für die Relaiskette sogar noch kleiner. RTGs sollten für eine bessere Strahlungskühlung des RTGs außerhalb aufgestellt werden.
Und was wäre die Masse eines solchen RTG?
@Schlusstein: RTGs können ein paar Gramm wiegen, Herzschrittmacherbatterien ein paar Gramm und könnten weiter auf ~ 1-2 Gramm reduziert werden. Fügen Sie ein weiteres Gramm eines Superkondensators hinzu und Sie können einen Burst von ~50 W für 10-20 Sekunden erhalten. Danach ein paar Tage aufladen...
Dieselbe GW-Laseranordnung, die sie gestartet hat, sollte in der Lage sein, sie mit genügend Licht zu versorgen, um Solarzellen über eine beträchtliche Entfernung mit Strom zu versorgen. Ich war immer davon ausgegangen, dass sie nach dem anfänglichen Boost eine sekundäre Führungsphase haben würden, in der sie sich zu einer monolithischen Struktur formierten, die ein großes phasengesteuertes HF-Array ermöglichte. Denken Sie über den Tellerrand hinaus, warum geben Sie ihnen nicht eine abstimmbare Oberflächenpolarisation? Sie konnten uns Daten mit niedriger Bandbreite zublinken lassen, indem sie die Polarität des reflektierten Laserlichts änderten. Ich bin heute voller Spekulationen.
Doppelte Frage: Wie konnten wir von Breakthrough Starshot hören? . Hat eine großartige Antwort, ergänzt die hier.
Können Sie erklären, wie Leistungsbeschränkungen oder aperturbegrenzte Beugung Probleme sein könnten, oder sollten wir nur raten, was Sie meinten?

Antworten (4)

Im Video des Hauptredners (und ehemaligen NASA ARC-Direktors) Pete Worden (ebenfalls hier ) im Vortrag „Breakthrough Discuss 2016 – Breakthrough Starshot Challenges“ werden die Herausforderungen bei der Verwendung des eingesetzten Photonensegels (für die anfängliche laserbasierte Beschleunigung) als Reflektor beschrieben "Schüssel" für eine optische Übertragung zurück zur Erde wird ein wenig diskutiert. Der Redner war der Meinung, dass dies kurzfristig eine der schwierigsten technologischen Herausforderungen sein könnte, möglicherweise ohne aktuelle oder in naher Zukunft liegende Lösung.

Es klingt in der Tat ziemlich schwierig, ein winziges Raumschiff dazu zu bringen, die 300 Angström dünne Membran irgendwie dazu zu bringen, eine genaue optische Oberfläche zu bilden, um eine optische Übertragung zu kollimieren.

Nehmen wir einen Burst von 100 W und einen 10-Meter-Reflektor und eine Entfernung von 5 Lichtjahren (5E + 16 Meter).

800-nm-Photonen von einem einfachen III-V-Festkörperlaser haben jeweils eine Energie von etwa 2,5E-19 Joule, also 4E+20 Photonen pro Sekunde. Eine Airy-Scheibe mit halber Breite von 1,22 λ /d von 8E-08 Radiant bedeutet, dass der Fußabdruck auf der Erde einen Radius von 8E-08 x 5E+16 = 4E+09 Meter hat. Der Öffnungsradius des Extremely Large Telescope beträgt etwa 20 Meter, das Verhältnis der Flächen beträgt also 2,5E-17.

Da wir 4E+20 Photonen pro Sekunde übertragen, sind das beim Empfänger etwa 10.000 Photonen pro Sekunde!

Ihre Laufleistung kann variieren, ist aber in Bezug auf die Energie quantitativ realistisch.

Aus ingenieurtechnischer Sicht müsste man jedoch von dieser Ausgangslage Abstand nehmen. Bildung einer 10-Meter-Parabel mit λ /4 aus einem 300-Angström-Film automatisch mit einem Chip-großen Satelliten zu erzeugen, ist eine ziemliche Herausforderung - wahrscheinlich weiß im Moment niemand wirklich, wie es gemacht werden könnte.

Das Zeigen ist auch wichtig; Welche Art von Sternkameras man in einen winzigen Chip einbauen könnte, der eine Zielgenauigkeit von 0,02 Bogensekunden bieten würde, ist derzeit nicht bekannt.

Die eigentliche Herausforderung wird also darin bestehen, etwas zu bauen, das auch nur annähernd dem entspricht. Um aussagekräftige Daten zu übertragen, müssten Millionen von Photonen gesammelt werden. Wahrscheinlich wären dedizierte, technisch einfachere Photonenkollektoren in der Mikrogravitation des Weltraums besser als teure Teleskope auf der Erde.

Der erste Breakthrough Discuss Workshop 2016 fand vom 15. bis 16. April 2016 an der Stanford University statt und wurde von den Breakthrough Initiatives und dem Stanford Physics Department gesponsert. Breakthrough Discuss ist ein Forum für Wissenschaftler, um Spitzenideen in der Weltraumforschung vorzustellen und zu diskutieren. Der Workshop 2016 konzentrierte sich auf die folgenden drei Bereiche:

  1. Optical SETI and the Detectability of Directed Energy Systems – Vorsitz von Jill Tarter

  2. Programme zur Erkennung von Exoplaneten mit Fokus auf Alpha Centauri – unter dem Vorsitz von Olivier Guyon

  3. Die Sonne als Gravitationslinse – Vorsitz von Avi Loeb

Leistungsbeschränkungen sind schwierig, insbesondere die Wahl einer Energiequelle, deren Masse nicht viel größer ist als die des Raumfahrzeugs. Nicht wiederaufladbare Batterien haben eine zu kurze Haltbarkeit. So kleine Verbrennungsmotoren wurden ausprobiert und aufgegeben. Ein RTG + Supercap im Milligrammbereich, vielleicht mit einer Diamond-Batterie , ist die einzige Möglichkeit, die ich kenne, um 40 Kbps zum terrestrischen 30-m-Reflektorspiegel aufrechtzuerhalten.

Details und Referenzen finden Sie hier: https://space.stackexchange.com/a/17072/1235

Sie haben notwendigerweise einen sehr großen Laser auf der Erde, der auf die Sonden zeigen kann (da Sie sie so gestartet haben). Das kann sie sicherlich antreiben.

Ich denke, dass das Problem der Kommunikation gelöst werden könnte, ohne eine interstellare Energiequelle zu benötigen. Was ist, wenn die superstarken Teleskope der Erde verwendet werden, um Signale vom Schiff abzurufen, und die Schiffssignale so sind, wie sie ankommende Strahlen von einem Hochleistungssender auf der Erde reflektieren? Oder Da es sich um Mikroschiffe handelt, haben sie ein bestimmtes Manöver oder Packmuster als Signal.

Entweder müssten wir Wellen von Raumfahrzeugen starten, um ein Netz von Relaissignalen zu bilden, oder wir müssten irgendwann in der Zukunft Raumfahrzeuge manuell abrufen. Macht könnte leicht gelöst werden, indem das gleiche Prinzip von "Fackelschiffen" verwendet wird (dh die Materialien des Schiffes in Energie zerlegt werden). Eine Kommunikation wäre jedoch so gut wie unmöglich.

Es wäre gut zu erklären, warum "jede Kommunikation so gut wie unmöglich wäre". Was ist der Grund für die Unmöglichkeit? Wenn Ihnen im Moment einfach keine Möglichkeit einfällt, ist das wahrscheinlich nicht gut genug, um dies als Stackexchange-Antwort zu unterstützen. Wenn es einige überwältigende technische Herausforderungen gibt oder physikalische Gesetze verletzt werden, sollten Sie diese ausdrücklich angeben. Andernfalls sieht dies eher nach einer persönlichen Meinung als nach einer richtigen Antwort aus.
Das ist nicht, was „Torchship“ bedeutet.
Raumschiffe als Relais funktionieren fast nie. Die größeren Schüsseln und besseren Verstärker, die Sie auf der Erde haben können, überwiegen fast immer die Vorteile einer vernünftigen Anzahl von Relais.
Wie sollen die von Project Starshot vorgeschlagenen winzigen Raumschiffe mit der Erde kommunizieren?
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