La 31 octombrie 1936, șase tineri artizani supranumiți „Rocket Boys” aproape că s-au incinerat într-un efort de a se elibera de gravitația Pământului. Grupul se înghesuise într-o râpă de la poalele Munților San Gabriel din California pentru a testa un mic motor cu reacție alimentat cu alcool. Aceștia doreau să demonstreze că motoarele-rachetă se pot aventura în spațiu, într-o perioadă în care astfel de idei erau în general întâmpinate cu ridicol. Acest obiectiv a fost întrerupt atunci când o conductă de oxigen a luat foc și s-a zbătut sălbatic, aruncând flăcări.
Arăzneala Rocket Boys a atras atenția aerodinamistului Theodore von Karman, care lucra deja cu doi dintre ei la Caltech. Nu departe de locul accidentului lor incendiar, el a stabilit o mică zonă de testare unde Rocket Boys și-au reluat experimentele. În 1943, locul a devenit Laboratorul de Propulsie cu Jet (JPL), iar von Karman primul său director. De atunci, JPL s-a transformat într-un centru de teren tentacular al NASA, cu mii de angajați, dar a reușit să își păstreze motivația fondatoare: testarea limitelor explorării, la naiba cu convențiile.
Au avut multe succese de-a lungul anilor. La începutul anilor 1970, inginerii de la JPL au construit Pioneer 10, prima navă spațială care a atins viteza de evadare din sistemul solar. Câțiva ani mai târziu, au continuat cu Voyagers 1 și 2, cele mai rapide dintre numeroasele obiecte care vizează spațiul interstelar. De la începutul Epocii Spațiale și până la lansarea navelor spațiale Voyager – un interval de doar două decenii – oamenii de știință din domeniul rachetelor au mai mult decât dublat viteza de zbor. Dar, în deceniile care au trecut de atunci, doar o singură altă navă spațială a urmat Voyager în afara sistemului solar, și niciuna nu a făcut acest lucru la o viteză atât de mare. Acum, rachetiștii de la JPL devin din nou neliniștiți și pun la cale, în liniște, următorul mare salt.
Tema constantă a noilor eforturi este că sistemul solar nu este suficient. Este timpul să ne aventurăm dincolo de planetele cunoscute, spre stele. John Brophy, un inginer de zbor de la JPL, dezvoltă un motor nou care ar putea accelera călătoriile în spațiu de încă un factor de zece. Leon Alkalai, arhitect de misiuni la JPL, plănuiește o călătorie îndepărtată care ar începe cu o plonjare improbabilă, asemănătoare cu cea a lui Icarus, spre Soare. Iar cercetătorul științific de la JPL, Slava Turyshev, are poate cea mai nebunească idee dintre toate, un telescop spațial care ar putea oferi o privire intimă asupra unei planete îndepărtate asemănătoare Pământului – fără a merge acolo.
Toate acestea sunt șanse mari (nu complet nebunești, potrivit lui Brophy), dar dacă chiar și una singură reușește, implicațiile vor fi uriașe. Rocket Boys și cei ca ei au contribuit la lansarea oamenilor ca specie spațială. Actuala generație de la JPL ar putea fi cea care ne va duce pe plan interstelar.
Reacții de rachetă
Pentru Brophy, inspirația a venit de la Breakthrough Starshot, un proiect extravagant de îndrăzneț anunțat în 2016 de către regretatul Stephen Hawking și miliardarul rus Yuri Milner. Scopul final al proiectului este de a construi o matrice laser cu o lățime de un kilometru care ar putea propulsa o navă spațială miniaturală la 20% din viteza luminii, permițându-i să ajungă la sistemul stelar Alpha Centauri (cel mai apropiat vecin stelar al nostru) în doar două decenii.
Brophy era sceptic, dar intrigat. Aspirațiile ambițioase nu sunt ceva nou pentru el. „JPL încurajează oamenii să gândească în afara cutiei, iar ideile mele nebunești devin din ce în ce mai nebunești în timp”, spune el. Chiar și după acest standard, conceptul Starshot i s-a părut un pic prea departe de realitatea tehnologică. Dar a început să se întrebe dacă ar putea lua același concept, dar la scară redusă, astfel încât să fie fezabil în timpul vieții noastre.
Ceea ce l-a captivat în mod special pe Brophy a fost ideea de a folosi un fascicul laser de tip Starshot pentru a ajuta la rezolvarea „ecuației rachetei”, care leagă mișcarea unei nave spațiale de cantitatea de propulsie pe care o transportă. Ecuația rachetei confruntă orice potențial explorator spațial cu logica sa crudă. Dacă vrei să mergi mai repede, ai nevoie de mai mult combustibil, dar mai mult combustibil adaugă masă. Mai multă masă înseamnă că ai nevoie de și mai mult combustibil pentru a transporta această greutate suplimentară. Acel combustibil face ca totul să fie și mai greu, și așa mai departe. Acesta este motivul pentru care a fost nevoie de o rachetă de 1,4 milioane de kilograme pentru a lansa sondele Voyager de 1.800 de kilograme: Greutatea inițială a fost aproape în întregime combustibil.
De când era student absolvent la sfârșitul anilor 1970, Brophy a dezvoltat un tip de rachetă mult mai eficient, cunoscut sub numele de propulsie ionică. Un motor ionic folosește energia electrică pentru a lansa atomi încărcați pozitiv (numiți ioni) dintr-un propulsor la o viteză mare. Fiecare atom oferă doar un mic impuls, dar împreună pot împinge racheta la o viteză mult mai mare decât o rachetă chimică convențională. Mai mult decât atât, energia necesară pentru a face să funcționeze motorul ionic poate proveni de la panouri solare – nu sunt necesare rezervoare de combustibil sau generatoare grele la bord. Prin stoarcerea unei viteze mai mari din mai puțin propulsor, propulsia ionică face un drum lung pentru a îmblânzi ecuația rachetei.
Dar motoarele ionice vin cu propriile dezavantaje. Cu cât se îndepărtează mai mult de soare, cu atât sunt mai limitate de cantitatea de electricitate pe care o pot genera panourile solare. Poți face panourile uriașe, dar atunci adaugi multă greutate, iar ecuația rachetei te lovește din nou. Iar motoarele cu ioni au o împingere atât de blândă încât nu pot părăsi solul singure; apoi le ia mult timp în spațiu să accelereze până la vitezele lor record. Brophy cunoaște bine aceste probleme: El a contribuit la proiectarea motorului ionic de la bordul navei spațiale Dawn a NASA, care tocmai a încheiat o misiune de 11 ani către asteroidul Vesta și planeta pitică Ceres. Chiar și cu formidabila sa întindere de celule solare de 65 de picioare, Dawn a trecut de la zero la 60 într-o perioadă de patru zile fără grabă.
Ion the Prize
În timp ce Brophy se gândea la acest impas între motoarele eficiente și energia solară insuficientă, a apărut conceptul Breakthrough Starshot, care a făcut ca rotițele să se învârtă în capul său. El s-a întrebat: Ce s-ar întâmpla dacă ai înlocui lumina soarelui cu un fascicul laser de mare intensitate îndreptat spre nava ta spațială? Alimentat de laserul mai eficient, motorul dvs. ionic ar putea funcționa mult mai puternic, economisind în același timp greutate prin faptul că nu ar trebui să transportați sursa de energie la bord.
La doi ani de la revelația sa, Brophy îmi face un tur al unei camere de testare de mărimea unui SUV la JPL, unde pune la încercare un motor ionic de înaltă performanță. Prototipul său folosește ioni de litiu, care sunt mult mai ușori decât ionii de xenon folosiți de Dawn și, prin urmare, au nevoie de mai puțină energie pentru a atinge viteze mai mari. De asemenea, acesta funcționează la 6.000 de volți, față de cei 1.000 de volți ai lui Dawn. „Performanța acestei chestii ar fi foarte surprinzătoare dacă ai avea laserul care să o alimenteze”, spune el.
Există doar o problemă minoră: Acel laser nu există. Deși a redus drastic conceptul Starshot, Brophy încă are în vedere un sistem laser spațial de 100 de megawați, care să genereze o putere de 1.000 de ori mai mare decât cea a Stației Spațiale Internaționale, îndreptat exact spre o navă spațială care se îndepărtează rapid. „Nu suntem siguri cum să facem asta”, recunoaște el. Ar fi, de departe, cel mai mare proiect ingineresc extraterestru realizat vreodată. Odată construită, însă, matricea ar putea fi folosită la nesfârșit, cu misiuni diferite, ca un propulsor de rachetă universal.
Ca exemplu, Brophy descrie o navă spațială alimentată cu ioni de litiu, cu aripi de 300 de metri de panouri fotovoltaice care alimentează o versiune în mărime naturală a motorului pe care îl dezvoltă la JPL. Laserul ar scălda panourile într-o lumină de o sută de ori mai puternică decât cea a soarelui, menținând motorul cu ioni în funcțiune de aici până la Pluto, la aproximativ 4 miliarde de mile distanță. Nava spațială ar putea apoi să se deplaseze cu viteza sa considerabilă, acumulând alte 4 miliarde de mile la fiecare un an sau doi.
În acest ritm, o navă spațială ar putea explora rapid zonele întunecate de unde provin cometele, sau ar putea porni spre Planeta 9, încă nedescoperită, sau ar putea merge… aproape oriunde în vecinătatea generală a sistemului solar.
„Este ca și cum am avea acest ciocan nou și strălucitor, așa că mă duc să caut cuie noi pe care să le bat”, spune Brophy cu visare. „Avem o întreagă listă lungă de misiuni pe care le-ai putea face dacă ai putea merge repede.”
Mediul interstelar bine
După veselia genială a lui Brophy, este un șoc să vorbești cu Alkalai, responsabil cu formularea de noi misiuni la Direcția de Inginerie și Știință a JPL. Stând în biroul său mare și sticlos, el pare a fi un administrator fără menajamente, dar și el este un om cu o viziune exploratorie.
Ca și Brophy, Alkalai crede că cei de la Breakthrough Starshot au viziunea potrivită, dar nu au suficientă răbdare. „Nu suntem nici pe departe acolo unde trebuie să fim din punct de vedere tehnologic pentru a proiecta o misiune către o altă stea”, spune el. „Așa că trebuie să începem prin a face pași mici.”
Alkalai are în minte un pas specific. Deși nu putem vizita încă o altă stea, putem trimite o sondă pentru a eșantiona mediul interstelar, gazul și praful rarefiat care curge între stele.
„Sunt foarte interesat să înțeleg materialul din afara sistemului solar. În cele din urmă, noi am fost creați din asta. Viața a luat naștere din acei nori de praf primordiali”, spune Alkalai. „Știm că există materiale organice în ei, dar de ce fel? Ce abundență? Există molecule de apă în ei? Asta ar fi enorm de înțeles.”
Mediul interstelar rămâne slab înțeles pentru că nu putem pune mâna pe el: O explozie constantă de particule de la Soare – vântul solar – îl împinge departe de Pământ. Dar dacă am putea ajunge dincolo de influența Soarelui, la o distanță de 20 de miliarde de mile (aproximativ de 200 de ori distanța Pământului față de Soare), am putea în sfârșit să examinăm, pentru prima dată, mostre imaculate din galaxia noastră natală.
Alkalai vrea răspunsuri și vrea să vadă rezultatele la fața locului. Are 60 de ani, așa că asta stabilește un program agresiv – nu are timp să aștepte lasere spațiale gigantice. În schimb, el propune o tehnologie mai simplă, deși încă nedovedită, cunoscută sub numele de rachetă termică solară. Aceasta ar transporta un depozit mare de hidrogen lichid rece, protejat cumva de căldura soarelui, și ar executa o scufundare șocantă până la aproximativ 1 milion de mile de suprafața solară. La cea mai apropiată apropiere, racheta ar lăsa căldura solară intensă să pătrundă, poate prin aruncarea unui scut. Energia solară ar vaporiza rapid hidrogenul, trimițându-l în fugă pe o duză a rachetei. Împingerea combinată a hidrogenului care scapă și ajutorul gravitației solare ar permite navei să înceapă călătoria interstelară cu o viteză de până la 100 km pe secundă, mai rapidă decât orice obiect uman până acum – și de aici încolo va deveni din ce în ce mai rapidă.
„Este o mare provocare, dar acum modelăm fizica”, spune Alkalai. El speră să înceapă să testeze elemente ale unui sistem de rachetă termică în acest an, iar apoi să dezvolte conceptul său într-o misiune realistă care ar putea fi lansată în următorul deceniu sau cam așa ceva. Aceasta ar putea ajunge în mediul interstelar încă un deceniu după aceea. Pe lângă eșantionarea mediului nostru galactic, o astfel de sondă ar putea examina modul în care soarele interacționează cu mediul interstelar, ar putea studia structura prafului din sistemul solar și poate vizita o planetă pitică îndepărtată de-a lungul drumului.
Ar fi o călătorie, spune Alkalai, „cum nu am mai făcut nimic în trecut.”
Căutați o privire
Rachetele termice solare și motoarele cu ioni laser, oricât de impresionante ar fi, sunt încă absurd de inadecvate pentru a traversa prăpastia imensă dintre sistemul nostru solar și exoplanete – planete care orbitează în jurul altor stele. În spiritul celor de la Rocket Boys, Turyshev nu se lasă oprit de absurditate. El dezvoltă o soluție vicleană: o misiune virtuală către o altă stea.
Turyshev îmi spune că vrea să trimită un telescop spațial într-o regiune cunoscută sub numele de lentila gravitațională solară (SGL). Zona începe la o distanță descurajantă de 80 de miliarde de kilometri, deși este totuși de sute de ori mai aproape decât cei mai apropiați vecini stelare ai noștri. Odată ce ajungi suficient de departe în SGL, se întâmplă ceva minunat. Atunci când priviți înapoi spre Soare, orice obiect aflat direct în spatele acestuia apare întins, formând un inel, și extrem de mărit. Acel inel este rezultatul gravitației intense a stelei noastre, care deformează spațiul ca o lentilă, modificând aspectul luminii obiectului îndepărtat.
Dacă vă poziționați corect în SGL, obiectul care este mărit din spatele soarelui ar putea fi o exoplanetă interesantă. Un telescop spațial care plutește la SGL, explică Turyshev, ar putea apoi să manevreze în jurul său, eșantionând diferite părți ale inelului de lumină și reconstruind fragmentele de lumină curbată în instantanee megapixel ale planetei în cauză.
Trebuie să îl întrerup aici. A spus megapixel, cum ar fi rezoluția pe care o ai pe telefonul tău cu cameră? Da, el chiar vorbește despre o imagine care măsoară 1.000 pe 1.000 de pixeli, suficient de bună pentru a vedea detalii mai mici de 16 kilometri lățime pe o planetă aflată la o distanță de până la 100 de ani-lumină (600 de trilioane de kilometri!).
„Am putea să tragem cu ochiul pe sub nori și să vedem continente. Am putut vedea modelele meteorologice și topografia, ceea ce este foarte interesant”, spune Turyshev. El nu menționează acest lucru, dar nu are nevoie să o facă: Acest tip de rezoluție ar putea dezvălui, de asemenea, mega orașe sau alte structuri artificiale gigantice, în cazul în care acestea ar exista.
Să presupunem că geniștii de la JPL pot rezolva problemele de transport pentru a ajunge la SGL, misiunea în sine este destul de simplă, deși extrem de dificilă. Turyshev și colaboratorii săi (printre care și Alkalai) vor trebui să dezvolte un telescop spațial de mărimea Hubble,
sau o mini-flotă de telescoape mai mici, care să poată supraviețui călătoriei de 30 de ani. Ei vor trebui să perfecționeze o inteligență artificială la bord capabilă să desfășoare operațiuni fără îndrumare de acasă. Mai presus de toate, vor avea nevoie de o țintă – o planetă atât de intrigantă încât oamenii să fie dispuși să cheltuiască decenii și miliarde de dolari pentru a o studia. Telescopul spațial TESS al NASA face o parte din această muncă de recunoaștere chiar acum, scanând lumi de mărimea Pământului în jurul stelelor locale.
„În cele din urmă, pentru a vedea viața pe o exoplanetă, va trebui să o vizităm. Dar o misiune cu o lentilă gravitațională îți permite să studiezi potențialele ținte cu multe decenii, dacă nu chiar secole, mai devreme”, spune Turyshev cu veselie.
O călătorie către SGL ne-ar duce dincolo de pașii mici ai lui Alkalai, cu mult pe drumul spre explorarea interstelară. Este un alt obiectiv îndrăzneț, dar cel puțin șansele de a lua foc sunt mult mai mici de data aceasta.
Corey S. Powell, editor colaborator al revistei Discover, scrie, de asemenea, pentru blogul Out There al revistei. Urmăriți-l pe Twitter: @coreyspowell. Această poveste a apărut inițial în presa scrisă ca „Boldly Go.”
.
