Den 31. oktober 1936 brændte seks unge tinkerier med kælenavnet “Rocket Boys” næsten sig selv i et forsøg på at bryde fri af Jordens tyngdekraft. Gruppen havde samlet sig i en kløft ved foden af San Gabriel-bjergene i Californien for at afprøve en lille alkoholdrevet jetmotor. De ønskede at bevise, at raketmotorer kunne vove sig ud i rummet på et tidspunkt, hvor sådanne ideer generelt blev mødt med latterliggørelse. Dette mål blev forstyrret, da en iltledning brød i brand og kastede vildt rundt med flammer.
Raketdrengenes dristighed fangede aerodynamikeren Theodore von Karman, som allerede arbejdede sammen med to af dem på Caltech, til at blive opmærksom på dem. Ikke langt fra stedet for deres brændende uheld etablerede han et lille testområde, hvor Rocket Boys genoptog deres eksperimenter. I 1943 blev stedet til Jet Propulsion Laboratory (JPL), og von Karman blev dets første direktør. JPL er siden vokset til et omfattende NASA-feltcenter med tusindvis af ansatte, men har alligevel formået at bevare sin oprindelige motivation: at afprøve grænserne for udforskning, uanset konventioner.
Det har haft mange succeser i årenes løb. I begyndelsen af 1970’erne byggede JPL-ingeniører Pioneer 10, det første rumfartøj, der nåede flugthastighed fra solsystemet. Nogle få år senere fulgte de op med Voyagers 1 og 2, de hurtigste af de mange objekter, der er rettet mod det interstellare rum. Fra begyndelsen af rumalderen til opsendelsen af Voyager-rumfartøjerne – et tidsrum på blot to årtier – har raketforskerne mere end fordoblet flyvehastigheden. Men i de årtier, der er gået siden da, har kun ét rumfartøj mere fulgt Voyagers ud af solsystemet, og intet rumfartøj har gjort det med så høj hastighed. Nu er JPL’s raketfolk ved at blive rastløse igen og planlægger i al stilhed det næste store spring.
Det gennemgående tema i de nye bestræbelser er, at solsystemet ikke er nok. Det er på tide at vove sig ud over de kendte planeter og videre mod stjernerne. John Brophy, der er flyveingeniør ved JPL, er ved at udvikle en ny motor, der kan fremskynde rumrejserne med en faktor 10 mere. Leon Alkalai, en af JPL’s missionsarkitekter, er i gang med at planlægge en fjern rejse, der vil begynde med et usandsynligt, Ikaros-agtigt styrt mod solen. Og JPL-forskeren Slava Turyshev har måske den vildeste idé af dem alle, nemlig et rumteleskop, der kan give et intimt indblik i en fjern jordlignende planet – uden at tage dertil.
Dette er alle langskud (ikke helt vanvittigt, ifølge Brophy), men hvis bare en enkelt lykkes, vil konsekvenserne være enorme. Rocket Boys og deres ligesindede var med til at lancere mennesket som en rumfarende art. Den nuværende generation på JPL kunne være dem, der bringer os interstellar.
Raketreaktioner
For Brophy kom inspirationen fra Breakthrough Starshot, et ekstravagant og dristigt projekt, der blev annonceret i 2016 af den afdøde Stephen Hawking og den russiske milliardær Yuri Milner. Det ultimative mål med projektet er at opbygge en kilometer bred lasergruppe, der kan sprænge et miniature rumfartøj til 20 procent af lysets hastighed, så det kan nå Alpha Centauri-stjernesystemet (vores nærmeste stjernegænger) på kun to årtier.
Brophy var skeptisk, men fascineret. Ambitiøse ambitioner er ikke noget nyt for ham. “JPL opfordrer folk til at tænke ud af boksen, og mine skøre idéer bliver mere og mere skøre med tiden,” siger han. Selv efter denne standard virkede Starshot-konceptet på ham som lidt for langt fra den teknologiske virkelighed. Men han begyndte at spekulere på, om han kunne tage det samme koncept, men nedskalere det, så det faktisk kunne lade sig gøre i vores levetid.
Det, der især fængslede Brophy, var tanken om at bruge en laserstråle i Starshot-stil til at hjælpe med at håndtere “raketligningen”, som forbinder et rumfartøjs bevægelse med mængden af drivmiddel, det medbringer. Raketligningen konfronterer enhver kommende rumforskere med sin grusomme logik. Hvis man ønsker at flyve hurtigere, skal man bruge mere brændstof, men mere brændstof giver mere masse. Mere masse betyder, at man har brug for endnu mere brændstof til at transportere den ekstra vægt. Det brændstof gør det hele endnu tungere, og så videre. Det er grunden til, at det krævede en raket på 1,4 millioner pund at opsende Voyager-sonderne på 1.800 pund: Siden sin tid som kandidatstuderende i slutningen af 1970’erne har Brophy udviklet en langt mere effektiv type raket, der er kendt som ionfremdrift. En ionmotor bruger elektrisk strøm til at skyde positivt ladede atomer (kaldet ioner) ud af en thruster med høj hastighed. Hvert atom giver kun et lillebitte spark, men tilsammen kan de skubbe raketten op til en meget større hastighed end en konventionel kemisk raket. Endnu bedre er det, at den strøm, der er nødvendig for at drive ionmotoren, kan komme fra solpaneler – der er ikke behov for tunge brændstoftanke eller generatorer om bord. Ved at presse mere fart ud af mindre drivmiddel er ionfremdrift et langt skridt i retning af at tæmme raketligningen.
Men ionmotorer har også deres egne ulemper. Jo længere de kommer væk fra solen, jo mere begrænset er de af, hvor meget elektricitet deres solpaneler kan generere. Man kan gøre panelerne enorme, men så tilføjer man en masse vægt, og så slår raketligningen til igen. Og ionmotorer har en så svag fremdrift, at de ikke kan forlade jorden af sig selv; det tager dem lang tid i rummet at accelerere til deres rekordhøjde. Brophy kender disse problemer godt: Han var med til at konstruere ionmotoren om bord på NASA’s Dawn-rumfartøj, som netop har afsluttet en 11-årig mission til asteroiden Vesta og dværgplaneten Ceres. Selv med sit formidable 65 fods spænd af solceller gik Dawn fra nul til 60 på fire dage uden hastværk.
Ion the Prize
Mens Brophy grublede over denne blindgyde mellem effektive motorer og utilstrækkelig solenergi, kom Breakthrough Starshot-konceptet frem, og det fik tandhjulene til at dreje i hans hoved. Han undrede sig: Hvad nu, hvis man erstattede solskin med en laserstråle med høj intensitet rettet mod rumfartøjet? Drevet af den mere effektive laser kunne din ionmotor køre meget hårdere og samtidig spare vægt ved ikke at skulle have din energikilde med om bord.
To år efter sin åbenbaring giver Brophy mig en rundvisning i et testkammer i SUV-størrelse på JPL, hvor han sætter en højtydende ionmotor på prøve. Hans prototype anvender lithium-ioner, som er meget lettere end de xenon-ioner, som Dawn brugte, og som derfor kræver mindre energi for at opnå højere hastigheder. Den kører også ved 6.000 volt sammenlignet med Dawn’s 1.000 volt. “Ydelsen af denne tingest ville være meget forbløffende, hvis man havde laseren til at sætte den i gang,” siger han.
Der er bare et mindre problem: Den laser findes ikke. Selv om han har reduceret Starshot-konceptet drastisk, forestiller Brophy sig stadig et 100 megawatt rumbaseret lasersystem, der genererer 1.000 gange mere strøm end den internationale rumstation, og som er rettet præcist mod et rumfartøj, der bevæger sig hurtigt tilbage. “Vi er ikke sikre på, hvordan vi skal gøre det”, indrømmer han. Det ville være langt det største ingeniørprojekt uden for verden, der nogensinde er blevet gennemført. Når først den er bygget, vil den dog kunne bruges igen og igen, med forskellige missioner, som en universel raketbooster.
Som eksempel beskriver Brophy et lithium-ion-drevet rumfartøj med 300 fod lange vinger af solcellepaneler, der driver en version i fuld størrelse af den motor, han er ved at udvikle på JPL. Laseren vil bade panelerne i lys hundrede gange så kraftigt som solskin og holde ionmotoren kørende herfra og til Pluto, som er omkring 4 milliarder miles væk. Rumfartøjet kunne så køre videre med sin betydelige hastighed og nå yderligere 4 milliarder miles hvert år eller hvert andet år.
I det tempo kunne et rumfartøj hurtigt udforske de skumle områder, hvor kometer kommer fra, eller tage af sted mod den endnu ikke opdagede planet 9 eller tage … næsten hvor som helst i solsystemets generelle nærhed.
“Det er som om, vi har denne skinnende nye hammer, så jeg går rundt og leder efter nye søm at slå i,” siger Brophy drømmende. “Vi har en hel lang liste over missioner, som man kunne udføre, hvis man kunne gå hurtigt.”
Interstellar Medium Well
Efter Brophys geniale svimmelhed er det et chok at tale med Alkalai, der har ansvaret for at formulere nye missioner i JPL’s Engineering and Science Directorate. Han sidder på sit store, glasagtige kontor og virker helt igennem som en no-nonsense-administrator, men han er også en mand med en vision om udforskning.
Ligesom Brophy mener Alkalai, at Breakthrough Starshot-folkene har den rigtige vision, men ikke nok tålmodighed. “Vi er ikke i nærheden af, hvor vi skal være teknologisk set for at designe en mission til en anden stjerne,” siger han. “Så vi er nødt til at starte med at tage små skridt.”
Alkalai har et specifikt skridt i tankerne. Selv om vi endnu ikke kan besøge en anden stjerne, kan vi sende en sonde af sted for at udtage prøver af det interstellare medium, den sparsomme gas og det støv, der flyder mellem stjernerne.
“Jeg er meget interesseret i at forstå materialet uden for solsystemet. I sidste ende blev vi skabt af det. Livet opstod fra disse primordiale støvskyer,” siger Alkalai. “Vi ved, at der er organisk materiale i den, men hvilken slags? Hvilke mængder? Er der vandmolekyler i den? Det ville være enormt vigtigt at forstå.”
Det interstellare medium er stadig dårligt forstået, fordi vi ikke kan få fingrene i det: En konstant strøm af partikler fra solen – solvinden – skubber det langt væk fra Jorden. Men hvis vi kunne nå ud over solens indflydelse, til en afstand på 20 milliarder miles (ca. 200 gange Jordens afstand fra solen), kunne vi endelig for første gang undersøge uberørte prøver af vores hjemlige galakse.
Alkalai ønsker svar, og han ønsker at se resultaterne på første hånd. Han er 60 år, så det sætter en aggressiv tidsplan – der er ikke tid til at vente på gigantiske rumlasere. I stedet foreslår han en enklere, om end stadig uprøvet, teknologi kaldet en solvarmeraket. Den skal bære et stort lager af koldt flydende brint, som på en eller anden måde skal beskyttes mod solens varme, og den skal foretage et chokerende dyk til omkring 1 million miles fra solens overflade. Når raketten kommer tættest på, vil den lade den intense solvarme strømme ind, måske ved at kaste et skjold af sig. Solens energi ville hurtigt fordampe brinten og sende den ud af en raketdyse. Det kombinerede skub fra den udflydende brint og støtten fra solens egen tyngdekraft ville lade skibet starte sin interstellare rejse med hastigheder på op til 60 miles i sekundet, hurtigere end noget menneskeligt objekt endnu – og det bliver kun hurtigere derfra.
“Det er en stor udfordring, men vi er ved at modellere fysikken nu,” siger Alkalai. Han håber at kunne begynde at teste elementer af et termisk raketsystem i år og derefter udvikle sit koncept til en realistisk mission, der kan opsendes i løbet af det næste årti eller deromkring. Den vil kunne nå det interstellare medium et andet årti efter det. Ud over at udtage prøver af vores galaktiske miljø kunne en sådan sonde undersøge, hvordan solen interagerer med det interstellare medium, studere strukturen af støv i solsystemet og måske besøge en fjern dværgplanet undervejs.
Det ville være en rejse, siger Alkalai, “som intet af det, vi tidligere har gjort.”
Fange et glimt
Solvarmeraketter og laser-ionmotorer, hvor imponerende de end måtte være, er stadig absurd utilstrækkelige til at krydse den enorme kløft mellem vores solsystem og exoplaneter – planeter, der kredser om andre stjerner. I Rocket Boys’ ånd lader Turyshev sig ikke stoppe af absurditeten. Han er ved at udvikle en snedig løsning: en virtuel mission til en anden stjerne.
Turyshev fortæller mig, at han ønsker at sende et rumteleskop til et område, der er kendt som solens gravitationslinse (SGL). Området begynder skræmmende 50 milliarder miles væk, selv om det stadig er hundreder af gange tættere på end vores nærmeste stjernegårde naboer. Når man først kommer langt nok ind i SGL, sker der noget vidunderligt. Når man kigger tilbage mod solen, ser ethvert objekt direkte bagved den udstrakt ud, danner en ring og bliver enormt forstørret. Denne ring er resultatet af vores stjernes intense tyngdekraft, der forvrænger rummet som en linse og ændrer udseendet af det fjerne objekts lys.
Hvis man placerer sig korrekt i SGL, kan det objekt, der forstørres bag solen, være en spændende exoplanet. Et rumteleskop, der svæver i SGL, forklarer Turyshev, kunne så manøvrere rundt, tage prøver fra forskellige dele af lysringen og rekonstruere de bøjede lysstumper til megapixel-snapshots af den pågældende planet.
Jeg må afbryde ham her. Sagde han megapixel, ligesom den opløsning, man får på sin kameratelefon? Ja, han taler virkelig om et billede, der måler 1.000 gange 1.000 pixels, hvilket er godt nok til at se detaljer, der er mindre end 10 miles brede på en planet, der er op til 100 lysår (600 billioner miles!) væk.
“Vi kunne kigge under skyerne og se kontinenter. Vi kunne se vejrmønstre og topografi, hvilket er meget spændende,” siger Turyshev. Han nævner det ikke, men det behøver han heller ikke: Den slags opløsning kunne også afsløre megabyer eller andre gigantiske kunstige strukturer, hvis de skulle eksistere.
Såfremt JPL’s tovholdere kan løse transportproblemerne for at komme til SGL, er selve missionen ret ligetil, selv om den er enormt udfordrende. Turyshev og hans samarbejdspartnere (bl.a. Alkalai) skal udvikle et rumteleskop i Hubble-størrelse,
eller en miniflåde af mindre teleskoper, som kan overleve den 30-årige rejse. De bliver nødt til at perfektionere en kunstig intelligens om bord, der er i stand til at udføre operationer uden vejledning hjemmefra. Frem for alt skal de have et mål – en planet, der er så fascinerende, at folk er villige til at bruge årtier og milliarder af dollars på at studere den. NASA’s TESS-rumteleskop udfører noget af dette rekognosceringsarbejde lige nu og scanner efter verdener på størrelse med Jorden omkring lokale stjerner.
“I sidste ende bliver vi nødt til at besøge en exoplanet for at se liv på den. Men en mission med en tyngdelinse gør det muligt at studere potentielle mål mange årtier, hvis ikke århundreder tidligere,” siger Turyshev lystigt.
En rejse til SGL ville bringe os videre end Alkalai’s små skridt og et godt stykke ind på vejen mod interstellar udforskning. Det er endnu et dristigt mål, men i det mindste er chancerne for at fange ild denne gang meget lavere.
Corey S. Powell er medredaktør på Discover og skriver også for bladets Out There-blog. Følg ham på Twitter: Følg ham på Twitter: @coreyspowell. Denne historie blev oprindeligt udgivet i trykken som “Boldly Go.”
