Dalam dekad yang lalu, ribuan planet telah dijumpai di luar Sistem Suria kita. Ini mempunyai kesan memperbaharui minat dalam penerokaan angkasa lepas, yang meliputi kemungkinan mengirim kapal angkasa untuk menjelajah eksoplanet. Mengingat cabaran yang dihadapi, sejumlah konsep canggih saat ini sedang dieksplorasi, seperti konsep masa berlayar ringan (seperti yang dicontohkan oleh Starshot Terobosan dan cadangan yang serupa).
Namun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, para saintis telah mengusulkan konsep yang berpotensi lebih efektif yang dikenali sebagai sail elektrik, di mana layar yang terdiri daripada wire mesh menghasilkan cas elektrik untuk memesongkan zarah angin suria, sehingga menghasilkan momentum. Dalam satu kajian baru-baru ini, dua saintis Harvard membandingkan dan membezakan kaedah ini untuk menentukan kaedah mana yang akan lebih bermanfaat untuk pelbagai jenis misi.
Kajian ini, yang baru-baru ini muncul dalam talian dan sedang dikaji untuk diterbitkan oleh Astronautica Acta, dikendalikan oleh Manasavi Lingam dan Abraham Loeb - seorang penolong profesor di Florida Institute of Technology (FIT) dan Frank B. Baird Jr. Profesor Sains di Universiti Harvard dan Pengarah Institut Teori dan Pengiraan (ITC), masing-masing.
Konsep layar ringan adalah masa yang sesuai, di mana kapal angkasa yang dilengkapi dengan kepingan besar bahan reflektif menggunakan tekanan radiasi bintang (aka angin suria) untuk mempercepat dari masa ke masa. Kelebihan utama teknologi ini adalah bahawa ia tidak memerlukan kapal angkasa untuk mengangkut bekalan bahan bakarnya sendiri, yang biasanya merupakan sebahagian besar jisim kapal angkasa.
Ini sangat penting ketika melakukan perjalanan antara bintang kerana jumlah jisim tindak balas yang diperlukan untuk mencapai sebilangan kecil kepantasan cahaya (c) sangat luar biasa. Dan tidak seperti konsep seperti penggerak antimateri atau konsep yang bergantung pada fizik yang masih belum diuji (atau bahkan hipotetis), pelayaran solar / cahaya menggunakan teknologi dan fizik yang terbukti sepenuhnya pada ketika ini.
Kelebihan lain adalah kenyataan bahawa layar ringan dapat dipercepat dengan menggunakan cara lain selain radiasi matahari. Seperti yang dijelaskan Lingam kepada Space Magazine melalui e-mel:
"Layar cahaya dapat" didorong "oleh susunan laser atau sinaran matahari / bintang. Dalam kedua-dua keadaan, kelebihan utama layar ringan adalah bahawa seseorang tidak perlu membawa bahan bakar di atas kapal tidak seperti roket kimia. Ini sangat mengurangkan jisim kapal angkasa kerana sebahagian besar jisim roket kimia disebabkan oleh bahan bakar. Kelebihan yang sama juga berlaku pada layar elektrik. "
Namun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, variasi konsep ini telah dikembangkan, seperti magnet berlayar (alias "magsails") yang dicadangkan oleh Robert Zubrin dan Dana Andrews pada tahun 1988, dan pelayaran elektrik yang dicadangkan oleh Pekka Janhunen pada tahun 2006. Dalam kes yang pertama, gelung superkonduktor akan menghasilkan medan elektrik sementara yang kedua akan menghasilkan medan magnet melalui layar wayar kecil - kedua-duanya akan menolak angin suria.
Konsep-konsep ini mempunyai beberapa perbezaan yang ketara dari cahaya matahari atau cahaya konvensional. Seperti yang dijelaskan Lingam:
"Layar elektrik bergantung pada pemindahan momentum dari zarah angin solar / bintang yang terisi (proton dalam contoh kita) dengan memesongkannya melalui medan elektrik, sedangkan layar ringan bergantung pada pemindahan momentum dari foton yang dipancarkan oleh bintang. Oleh itu, angin bintang menggerakkan layar elektrik, sedangkan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh bintang mendorong layar cahaya. "
Cukup menarik, layar magnet telah dianggap oleh beberapa penyelidik sebagai cara yang mungkin untuk melambatkan pelayaran ringan ketika mendekati tujuannya. Salah satu individu tersebut ialah Prof Claudius Gros dari Institut Fizik Teori Universiti Goethe Frankfurt, dan Andreas Hein dan Kelvin F. Long - Penyelidik Utama Project Dragonfly (konsep yang serupa dengan Starshot Terobosan).
Ketiga-tiga konsep ini mampu mengubah sinaran yang dikeluarkan oleh bintang menjadi momentum tetapi juga mempunyai kekurangan. Sebagai permulaan, layar elektrik sangat bergantung pada sifat bintang tuan rumahnya. Layar cahaya, sebaliknya, sebahagian besarnya tidak berkesan ketika datang ke bintang jenis M (kerdil merah) kerana tekanan radiasi tidak cukup tinggi untuk menghasilkan halaju yang cukup untuk melepaskan diri dari sistem bintang.
Ini adalah masalah yang agak mengehadkan kerana bagaimana kerdil jenis M ultra-massa rendah menyumbang sebahagian besar bintang di Alam Semesta - menyumbang 75% bintang di Bima Sakti. Kerdil merah juga sangat tahan lama berbanding kelas bintang lain dan boleh kekal dalam urutan utamanya sehingga 10 trilion tahun. Oleh itu, sistem pendorong yang dapat menggunakan sistem kerdil merah lebih disukai daripada jangka masa yang lebih lama.
Oleh kerana pertimbangan ini, Lingam dan Loeb berusaha untuk menentukan kaedah perjalanan antara bintang mana yang lebih baik (layar ringan atau layar elektronik) berhubung dengan kelas bintang yang berlainan - jenis F (putih), jenis-G (kuning), K- taip (oren), dan bintang jenis M. Setelah mengambil kira sifat radiasi setiap kelas, mereka memperhitungkan kemungkinan massa kapal angkasa - berdasarkan parameter yang ditentukan oleh Starshot Terobosan.
Apa yang mereka dapati adalah bahawa kapal angkasa yang dipasangkan dengan belayar elektrik merupakan alat penggerak yang lebih baik berdekatan dengan kebanyakan jenis bintang, dan bukan hanya untuk kapal angkasa berskala gram (seperti yang diperlukan dengan Starshot). Walau bagaimanapun, perhitungan Lingam dan Loeb juga mendapati bahawa memerlukan masa lebih lama untuk kapal angkasa berlayar elektrik untuk mencapai jenis kelajuan yang akan menjadikan perjalanan antara bintang menjadi praktikal.
"Sebaliknya, jika seseorang menganggap layar ringan digerakkan oleh tatasusunan laser (seperti Breakthrough Starshot), maka mungkin secara langsung mencapai kelajuan relativistik (mis., 10% kelajuan cahaya) melalui layar ringan; sebaliknya, belayar elektrik yang digerakkan oleh angin bintang mencapai kelajuan hanya 0.1% kelajuan cahaya, ”kata Lingam.
Sementara belayar elektrik dapat mencapai 0.1 c akhirnya setelah berulang kali mencapai jarak dekat dengan bintang, mereka menganggarkan bahawa ini akan memerlukan 10,000 pertemuan selama satu juta tahun. Seperti yang dinyatakan oleh Lingam:
"[E] layar pensyarah merupakan cara yang layak untuk melakukan perjalanan antara bintang. Walau bagaimanapun, mana-mana spesies teknologi yang ingin menggunakan kaedah ini harus berumur panjang kerana keseluruhan proses untuk mencapai kelajuan relativistik ini memerlukan masa sekitar 1 juta tahun. Sekiranya spesies berumur panjang seperti itu wujud, layar elektrik merupakan kaedah yang cukup mudah dan cekap tenaga untuk meneroka Bima Sakti dalam jangka masa yang panjang (berjuta-juta tahun).
Walaupun 1 juta tahun lebih dari sekelip mata dalam istilah kosmik, ia sangat panjang dari segi jangka hayat peradaban - sekurang-kurangnya oleh kami piawaian. Sebagai spesies, kemanusiaan telah wujud selama kira-kira 200,000 tahun dan hanya mencatat sejarahnya selama kira-kira 6000. Lebih penting lagi, kita hanya menjadi peradaban yang berpengalaman selama 60 tahun terakhir.
Ergo, layar yang mampu dipercepat oleh laser tetap merupakan kaedah paling praktikal untuk menjelajahi eksoplanet dalam kehidupan kita. Implikasi lain untuk kajian ini adalah bagaimana ia dapat menginformasikan pencarian kecerdasan luar daratan (SETI). Semasa mencari alam semesta tanda-tanda aktiviti teknologi (aka teknosignature), para saintis terpaksa mencari tanda-tanda yang akan mereka kenali.
Memandangkan faedah berlayar elektrik, kemungkinan tamadun luar angkasa mungkin menyukai teknologi ini berbanding teknologi yang serupa. Seperti yang dijelaskan oleh Prof Loeb kepada Space Magazine melalui e-mel:
"Perhitungan kami menunjukkan bahawa peradaban maju cenderung menyukai penggunaan pelayar elektrik di atas layar ringan untuk pendorong yang berdasarkan pada output semula jadi bintang dalam bentuk angin atau radiasi. Namun, jika peradaban teknologi ingin mencapai kepantasan atau melancarkan kargo besar yang tidak dapat didorong oleh kekuatan yang dihasilkan oleh bintang tuan rumah mereka, maka kemungkinan akan menyukai layar ringan yang didorong oleh pancaran cahaya buatan mereka, seperti yang kuat laser. Situasinya serupa dengan perbezaan antara kapal layar yang menggunakan angin yang disediakan secara percuma oleh sifat semula jadi, dibandingkan dengan kapal yang lebih besar atau lebih cepat yang didorong oleh alat buatan seperti mesin. "
Malangnya, seperti yang ditambahkan Loeb, layar elektrik tidak mudah dikesan pada jarak yang jauh kerana terdiri dari jaring dawai elektrik dan tidak mengeluarkan teknosignature yang jelas. "Oleh itu," dia menyimpulkan, "SETI terutama harus fokus pada pencarian layar ringan, yang dapat dilihat kerana kebocoran sinar cahaya mereka di luar batas layar berhampiran tempat pelancaran mereka atau kerana mereka memantulkan cahaya matahari ketika mereka melintas dekat dengan Matahari, sama seperti asteroid atau komet dengan ukuran yang serupa. "
Namun, Lingam dan Loeb juga menekankan bahawa layar elektrik boleh menjadi pilihan yang menarik untuk peradaban luar daratan dengan alasan yang sama. Selain cekap tenaga, layar elektrik tidak dikenakan tumpahan dan oleh itu dapat bergerak dari sistem satu bintang ke sistem yang lain tanpa diperhatikan. Penyelesaian yang mungkin untuk Fermi Paradox? Mungkin!
Walau bagaimanapun, kajian ini menunjukkan bahawa rancangan semasa kita untuk meneroka sistem bintang tetangga harus memusatkan perhatian pada konsep yang menekankan kepantasan sepanjang umur panjang. Ini bererti bahawa menggunakan kapal elektrik atau magnet (yang dapat terus meneroka Alam Semesta selama ribuan tahun) adalah idea yang buruk tetapi misi yang dapat tiba di sistem bintang lain dalam kehidupan kita nampaknya seperti pilihan yang lebih baik buat masa ini.
