Den 31 oktober 1936 brände sig sex unga pysselmänniskor med smeknamnet ”Rocket Boys” nästan själva i ett försök att frigöra sig från jordens gravitation. Gruppen hade samlats i en ravin vid foten av San Gabrielbergen i Kalifornien för att testa en liten alkoholdriven jetmotor. De ville bevisa att raketmotorer kunde ta sig ut i rymden, vid en tid då sådana idéer allmänt möttes av löje. Det målet stördes när en syreledning fattade eld och kastade runt vilt och sköt lågor.
Raketpojkarnas djärvhet fångade uppmärksamheten hos aerodynamikern Theodore von Karman, som redan arbetade med två av dem på Caltech. Inte långt från platsen för deras eldiga missöde upprättade han ett litet testområde där Rocket Boys återupptog sina experiment. År 1943 blev området Jet Propulsion Laboratory (JPL) och von Karman dess första direktör. JPL har sedan dess vuxit till ett omfattande NASA-fältcenter med tusentals anställda, men har ändå lyckats behålla sin grundmotivation: att testa gränserna för utforskningen, oavsett konventioner.
De har haft många framgångar genom åren. I början av 1970-talet byggde JPL:s ingenjörer Pioneer 10, den första rymdfarkosten som nådde flykthastighet från solsystemet. Några år senare följde de upp med Voyagers 1 och 2, de snabbaste av de många objekt som siktar in sig på den interstellära rymden. Från rymdålderns början till uppskjutningen av Voyager-farkosterna – en period på bara två decennier – har raketforskarna mer än fördubblat flyghastigheterna. Men under de årtionden som gått sedan dess har endast ytterligare en rymdfarkost följt Voyagers ut ur solsystemet, och ingen har gjort det med så hög hastighet. Nu börjar JPL:s raketforskare bli rastlösa igen och planerar i tysthet nästa stora språng.
Det genomgående temat i de nya ansträngningarna är att solsystemet inte räcker till. Det är dags att våga sig bortom de kända planeterna, mot stjärnorna. John Brophy, flygingenjör vid JPL, håller på att utveckla en ny motor som skulle kunna påskynda rymdfärder med ytterligare en faktor 10. Leon Alkalai, en av JPL:s uppdragsarkitekter, planerar en avlägsen resa som skulle börja med en osannolik, Ikaros-liknande störtning mot solen. Och JPL:s forskare Slava Turyshev har kanske den vildaste idén av alla, ett rymdteleskop som skulle kunna ge en intim titt på en avlägsen jordliknande planet – utan att faktiskt åka dit.
Dessa är alla långsökta (inte helt galna, enligt Brophy), men om ens en av dem lyckas kommer konsekvenserna att bli enorma. Rocket Boys och deras gelikar hjälpte till att lansera människan som en rymdfarande art. Den nuvarande generationen vid JPL kan vara de som tar oss interstellärt.
Rocket Reactions
För Brophy kom inspirationen från Breakthrough Starshot, ett extravagant och djärvt projekt som tillkännagavs 2016 av framlidne Stephen Hawking och den ryske miljardären Yuri Milner. Det slutgiltiga målet med projektet är att bygga en milsvid lasergrupp som skulle kunna spränga en miniatyrrymdfarkost till 20 procent av ljusets hastighet, så att den kan nå stjärnsystemet Alpha Centauri (vår närmaste stjärngranne) på bara två decennier.
Brophy var skeptisk men fascinerad. Ambitiösa ambitioner är inget nytt för honom. ”JPL uppmuntrar människor att tänka utanför boxen, och mina galna idéer blir galnare med tiden”, säger han. Till och med enligt denna standard slog Starshot-konceptet honom som lite för långt från den tekniska verkligheten. Men han började undra om han kunde ta samma koncept men skala ner det så att det faktiskt skulle kunna bli genomförbart under vår livstid.
Vad som särskilt fängslade Brophy var idén om att använda en laserstråle i Starshot-stil för att hjälpa till att hantera ”raketekvationen”, som kopplar en rymdfarkosts rörelse till den mängd drivmedel som den bär. Raketekvationen konfronterar varje blivande rymdforskare med sin grymma logik. Om du vill gå snabbare behöver du mer bränsle, men mer bränsle ger mer massa. Mer massa innebär att du behöver ännu mer bränsle för att transportera den extra vikten. Bränslet gör det hela ännu tyngre, och så vidare. Det är därför det krävdes en raket på 1,4 miljoner pund för att skjuta upp Voyager-sonderna på 1 800 kilo: Sedan hans doktorandtid i slutet av 1970-talet har Brophy utvecklat en mycket effektivare typ av raket som kallas jonframdrivning. En jonmotor använder elektrisk kraft för att skjuta ut positivt laddade atomer (så kallade joner) med hög hastighet ur en propeller. Varje atom ger bara en liten kick, men tillsammans kan de driva raketen till en mycket högre hastighet än en konventionell kemisk raket. Ännu bättre är att den kraft som behövs för att driva jonmotorn kan komma från solpaneler – inga tunga bränsletankar eller generatorer behövs ombord. Genom att pressa ut mer fart ur mindre drivmedel går jonframdrivning långt i riktning mot att tämja raketekvationen.
Men jonmotorer har sina egna nackdelar. Ju längre bort de kommer från solen, desto mer begränsas de av hur mycket elektricitet solpanelerna kan generera. Man kan göra panelerna enorma, men då lägger man till mycket vikt, och då slår raketekvationen till igen. Och jonmotorer har en så svag dragkraft att de inte kan lämna marken på egen hand; det tar dem sedan lång tid i rymden att accelerera till sina rekordhöga hastigheter. Brophy känner till dessa frågor väl: Han hjälpte till att konstruera jonmotorn ombord på NASA:s rymdfarkost Dawn, som just avslutat ett 11-årigt uppdrag till asteroiden Vesta och dvärgplaneten Ceres. Även med sitt enorma spann av solceller på 65 fot gick Dawn från noll till 60 på fyra dagar.
Ion the Prize
Medan Brophy funderade över denna återvändsgränd mellan effektiva motorer och otillräcklig solenergi kom konceptet Breakthrough Starshot fram, och det fick kugghjulen att snurra i hans huvud. Han undrade: Vad händer om man ersätter solskenet med en högintensiv laserstråle som riktas mot rymdfarkosten? Med hjälp av den effektivare lasern skulle din jonmotor kunna köras mycket hårdare samtidigt som du sparar vikt genom att inte behöva bära med dig din kraftkälla ombord.
Två år efter sin uppenbarelse ger Brophy mig en rundtur i en testkammare i SUV-storlek vid JPL, där han testar en högpresterande jonmotor. Hans prototyp använder litiumjoner, som är mycket lättare än de xenonjoner som Dawn använde, och som därför behöver mindre energi för att uppnå högre hastigheter. Den drivs också med 6 000 volt jämfört med Dawns 1 000 volt. ”Prestandan hos den här saken skulle vara mycket häpnadsväckande om man hade lasern för att driva den”, säger han.
Det finns bara ett litet problem: Den lasern finns inte. Även om han drastiskt minskade Starshot-konceptet, tänker sig Brophy fortfarande ett rymdbaserat lasersystem på 100 megawatt, som genererar 1 000 gånger mer kraft än den internationella rymdstationen och som är riktat exakt mot en snabbt avgående rymdfarkost. ”Vi är inte säkra på hur vi ska göra det”, medger han. Det skulle vara det i särklass största ingenjörsprojektet utanför världen som någonsin genomförts. När den väl är byggd skulle den dock kunna användas om och om igen, med olika uppdrag, som en allsidig raketbooster.
Som exempel beskriver Brophy en litiumjondriven rymdfarkost med 300 fot långa vingar av solcellspaneler som driver en fullstor version av den motor som han håller på att utveckla vid JPL. Lasern skulle bada panelerna i ljus hundra gånger så starkt som solskenet och hålla jonmotorn igång härifrån till Pluto, som ligger ungefär 4 miljarder miles bort. Rymdfarkosten skulle sedan kunna köra vidare med sin avsevärda hastighet, och samla in ytterligare 4 miljarder miles varje eller vartannat år.
I den takten skulle en rymdfarkost snabbt kunna utforska de dunkla områden som kometerna kommer ifrån, eller ge sig iväg mot den ännu oupptäckta planeten 9, eller åka … nästan var som helst i solsystemets allmänna närhet.
”Det är som om vi hade den här nya, glänsande hammaren, så jag går runt och letar efter nya spikar att slå i”, säger Brophy drömskt. ”Vi har en hel lång lista med uppdrag som man skulle kunna göra om man kunde åka snabbt.”
Interstellar Medium Well
Efter Brophys genialiska yrsel är det en chock att prata med Alkalai, ansvarig för att formulera nya uppdrag vid JPL:s Engineering and Science Directorate. När han sitter i sitt stora, glasiga kontor verkar han vara en administratör utan nonsens, men även han är en man med en utforskande vision.
Likt Brophy anser Alkalai att Breakthrough Starshot-folket har den rätta visionen, men inte tillräckligt med tålamod. ”Vi är inte ens i närheten av vad vi behöver vara tekniskt sett för att utforma ett uppdrag till en annan stjärna”, säger han. ”Så vi måste börja med att ta små steg.”
Alkalai har ett specifikt steg i åtanke. Även om vi ännu inte kan besöka en annan stjärna kan vi skicka en sond för att ta prov på det interstellära mediet, den glesa gas och det damm som flyter mellan stjärnorna.
”Jag är mycket intresserad av att förstå materialet utanför solsystemet. I slutändan har vi skapats ur det. Livet uppstod från dessa primordiala stoftmoln”, säger Alkalai. ”Vi vet att det finns organiskt material i det, men vilken typ? Vilka mängder? Finns det vattenmolekyler i det? Det skulle vara enormt viktigt att förstå.”
Det interstellära mediet är fortfarande dåligt förstått eftersom vi inte kan få tag på det: En konstant explosion av partiklar från solen – solvinden – driver den långt bort från jorden. Men om vi kunde nå bortom solens inflytande, till ett avstånd på 20 miljarder miles (ungefär 200 gånger Jordens avstånd från solen), skulle vi äntligen för första gången kunna undersöka orörda prover av vår hemgalaxia.
Alkalai vill ha svar, och han vill se resultaten med egna ögon. Han är 60 år, så det sätter ett aggressivt schema – ingen tid att vänta på gigantiska rymdlasrar. Istället föreslår han en enklare, om än ännu obeprövad, teknik som kallas solvärmeraket. Den skulle bära ett stort lager av kallt flytande väte, som på något sätt skulle skyddas från solens värme, och utföra en chockartad dykning till cirka 1 miljon miles från solens yta. Vid närmsta närmande skulle raketen låta den intensiva solvärmen strömma in, kanske genom att kasta ut en sköld. Solens energi skulle snabbt förånga vätgasen och skicka ut den ur raketmunstycket. Den kombinerade kraften från vätgasen och hjälpen från solens egen gravitation skulle låta skeppet påbörja sin interstellära resa med hastigheter på upp till 60 miles per sekund, vilket är snabbare än något mänskligt objekt hittills – och det blir bara snabbare därifrån.
”Det är en stor utmaning, men vi håller på att modellera fysiken nu”, säger Alkalai. Han hoppas kunna börja testa delar av ett termiskt raketsystem i år och sedan utveckla sitt koncept till ett realistiskt uppdrag som skulle kunna skjutas upp under nästa årtionde eller så. Det skulle kunna nå det interstellära mediet ytterligare ett decennium efter det. Förutom att ta prover från vår galaktiska miljö skulle en sådan sond kunna undersöka hur solen interagerar med det interstellära mediet, studera strukturen hos stoftet i solsystemet och kanske besöka en avlägsen dvärgplanet på vägen.
Det skulle vara en resa, säger Alkalai, ”som inte liknar något som vi har gjort tidigare.”
Fånga en glimt
Solvärmeraketer och laserjonmotorer, hur imponerande de än är, är fortfarande absurt otillräckliga för att korsa den enorma klyftan mellan vårt solsystem och exoplaneter – planeter som kretsar kring andra stjärnor. I Rocket Boys anda låter Turyshev inte absurditeten stoppa honom. Han utvecklar en listig lösning: ett virtuellt uppdrag till en annan stjärna.
Turyshev berättar att han vill skicka ett rymdteleskop till ett område som kallas solens gravitationslins (SGL). Området börjar på en skrämmande 50 miljarder mils avstånd, även om det fortfarande är hundratals gånger närmare än våra närmaste stjärngrannar. När man väl kommer tillräckligt långt in i SGL händer något fantastiskt. När du tittar tillbaka mot solen ser alla objekt som ligger direkt bakom den ut som en utsträckt ring, som bildar en ring, och som är enormt förstorade. Ringen är resultatet av vår stjärnas intensiva gravitation, som vrider rummet som en lins och ändrar utseendet på det avlägsna objektets ljus.
Om du placerar dig rätt i SGL kan det objekt som förstoras upp bakom solen vara en spännande exoplanet. Ett rymdteleskop som flyter i SGL, förklarar Turyshev, skulle sedan kunna manövrera runt, ta prover från olika delar av ljusringen och rekonstruera de böjda ljusbitarna till megapixelbilder av planeten i fråga.
Jag måste avbryta honom här. Sa han megapixel, som den upplösning du får på din kameratelefon? Ja, han talar verkligen om en bild som mäter 1 000 gånger 1 000 pixlar, tillräckligt bra för att se detaljer som är mindre än 15 kilometer breda på en planet som är upp till 100 ljusår (600 biljoner kilometer!) bort.
”Vi skulle kunna kika under molnen och se kontinenter. Vi kunde se vädermönster och topografi, vilket är mycket spännande”, säger Turyshev. Han nämner det inte, men det behöver han inte göra: Den typen av upplösning skulle också kunna avslöja megastäder eller andra gigantiska konstgjorda strukturer, om de skulle existera.
Om vi antar att JPL:s experter kan lösa transportfrågorna för att ta sig till SGL är uppdraget i sig ganska okomplicerat, även om det är en enorm utmaning. Turyshev och hans medarbetare (bland annat Alkalai) måste utveckla ett rymdteleskop i Hubble-storlek,
eller en miniflotta av mindre teleskop, som kan överleva den 30-åriga resan. De kommer att behöva utveckla en artificiell intelligens ombord som kan sköta verksamheten utan vägledning hemifrån. Framför allt kommer de att behöva ett mål – en planet som är så fascinerande att människor är villiga att spendera årtionden och miljarder dollar på att studera den. NASA:s rymdteleskop TESS gör en del av detta spaningsarbete just nu och söker efter jordstora världar runt lokala stjärnor.
”I slutändan måste vi besöka dem för att se livet på en exoplanet. Men ett uppdrag med en gravitationslins gör det möjligt att studera potentiella mål flera decennier, om inte århundraden tidigare”, säger Turyshev glatt.
En resa till SGL skulle ta oss bortom Alkalais små steg, långt in på vägen mot interstellär utforskning. Det är ännu ett djärvt mål, men oddsen för att det ska brinna är åtminstone mycket lägre den här gången.
Corey S. Powell är medredaktör för Discover och skriver även för tidningens blogg Out There. Följ honom på Twitter: Följ honom på Twitter: @coreyspowell. Den här artikeln publicerades ursprungligen i tryck som ”Boldly Go.”
