Penerbangan berkelompok menuju Proxima Centauri: penerbangan kawanan yang koheren dari wahana antariksa ultra-mini
Ringkasan
- Judul artikel: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- Penulis: Keith Cowing
- Sumber: NASA NIAC
- Tanggal: 18 Mei 2024
- Topik: 'Oumuamua, interstellar, laser propulsion, NASA, NIAC, picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks
Poin utama
Potensi wahana antariksa ultra-mini
- Wahana antariksa ultra-mini: Wahana antariksa ultra-mini seberat gram diperkirakan menjadi satu-satunya teknologi yang dapat didorong oleh cahaya laser untuk mencapai bintang lain.
- Propulsi laser: Diasumsikan bahwa pada pertengahan abad ini, sinar laser kuat sekitar 100 GW dapat mempercepat wahana antariksa seberat beberapa gram hingga kecepatan relativistik.
- Layar laser: Diperlukan layar laser yang kokoh untuk bertahan saat peluncuran serta penerima optik besar (~1 kilometer persegi) yang dapat menangkap sinyal cahaya dari Bumi.
Misi perwakilan
- Tujuan misi: Mengusulkan misi terbang lintas Proxima b pada pertengahan abad ini dengan memanfaatkan kawanan berisi ribuan wahana antariksa ultra-mini.
- Kendala: Terdapat kendala ekstrem seperti massa peluncuran (gram), daya onboard (miliwatt), dan aperture komunikasi (sentimeter hingga meter).
- Kebutuhan akan kawanan: Banyak wahana harus bekerja sama untuk menghasilkan sinyal optik yang kuat.
Otonomi dan jaringan
- Otonomi: Karena jeda waktu pulang-pergi selama 8 tahun membuat kendali praktis dari Bumi tidak mungkin dilakukan, kawanan harus memiliki tingkat otonomi yang tinggi.
- Jaringan: Kawanan perlu membangun jaringan mesh melalui tautan optik berdaya rendah dan menyinkronkan jam dengan Bumi maupun satu sama lain untuk mendukung position-navigation-timing (PNT) yang akurat.
Peluncuran dan penerbangan
- Metode peluncuran: Dimulai sebagai deretan panjang wahana antariksa yang diluncurkan satu per satu dengan kecepatan sekitar 0.2c.
- Sinkronisasi waktu: Setelah peluncuran, laser pendorong digunakan untuk sinyal dan sinkronisasi jam, menyediakan sinyal waktu yang berkelanjutan.
- Pengaturan kecepatan: Akselerasi awal diatur agar ujung belakang deretan dapat bertemu dengan bagian depan.
- Pembentukan kawanan: Deretan awal sepanjang ratusan hingga ribuan AU secara dinamis bergabung seiring waktu menjadi jaringan mesh berbentuk lensa.
Komunikasi dan transmisi data
- Sinkronisasi posisi: Anggota kawanan mengetahui posisi relatif satu sama lain dan mempertahankan sinkronisasi menggunakan jam mikrominiatur terkini.
- Transmisi data: Semua wahana mengirimkan data yang sama, tetapi menyesuaikan waktu pemancaran berdasarkan posisi relatif agar tiba secara bersamaan di susunan penerima di Bumi.
- Penguatan daya: Setiap wahana dalam kawanan menghasilkan satu pulsa laser tunggal yang singkat namun sangat terang untuk memaksimalkan kemampuan transmisi data.
Keunggulan kawanan
- Mitigasi risiko: Kawanan dapat menoleransi kerugian besar di sepanjang lintasan, sehingga mengurangi risiko "menaruh semua telur dalam satu keranjang".
- Observasi multi-sudut: Proxima b dapat diamati dari dekat dari berbagai sudut pandang.
Eksperimen dan misi masa depan
- Eksperimen saat ini: Teknologi kawanan dapat dieksplorasi dan diuji dalam lingkungan simulasi.
- Misi masa depan: Diperkirakan akan ada berbagai misi yang dimulai dari orbit Bumi atau Bulan lalu diperluas ke tata surya luar.
- Contoh misi: Dapat menjelajahi objek antarbintang 1I/’Oumuamua yang menjauh dengan cepat atau lensa gravitasi Matahari.
Opini GN⁺
- Tantangan teknis: Otonomi kawanan wahana antariksa ultra-mini dan sinkronisasi jaringannya merupakan tantangan teknis yang sangat besar.
- Kemungkinan masa depan: Jika teknologi ini berhasil, ia dapat membuka babak baru dalam eksplorasi antariksa dan melengkapi teknologi yang ada.
- Faktor risiko: Meski dapat menoleransi kehilangan besar dalam kawanan, masih ada banyak risiko teknis.
- Masalah biaya: Biaya dan sumber daya yang diperlukan untuk menjalankan misi semacam ini diperkirakan sangat besar.
- Proyek serupa: Ada juga proyek lain dengan tujuan serupa, seperti Breakthrough Starshot.
1 komentar
Komentar Hacker News
Saya lahir 11 tahun setelah pendaratan di Bulan, dan jika secara teori bisa hidup sampai usia 120 tahun, saya mungkin masih bisa melihat data flyby dekat dari probe kawanan Proxima
Hitungannya mengasumsikan peluncuran pada 2076, perjalanan 20 tahun pada 0,2c, dan 4 tahun agar informasinya kembali
Kemungkinan rencana ini benar-benar dikerahkan, maupun kemungkinan saya masih hidup saat itu, sama-sama sangat kecil, tetapi gagasan bahwa umat manusia bisa mencapai bintang terdekat setelah Bulan hampir dalam satu masa hidup tetap terasa membesarkan hati
Mungkin tidak ada “apa-apa” di Proxima, seperti halnya di Bulan, tetapi itu bukan intinya
Hal yang berharga ada pada orang-orang yang hidup bersama di Bumi, tetapi kita tetap membutuhkan ambisi dan mimpi bersama
Agar layak untuk diimpikan, sesuatu tidak harus masuk akal; justru “rasionalitas” laporan triwulanan dan evaluasi kinerja adalah musuh mimpi
Bulan-bulan dari planet raksasa gas dulu juga dianggap tidak aktif dan membosankan, tetapi saat kita benar-benar mendatanginya, ternyata penuh keragaman dan karakteristik menarik
Ada semacam “hukum” atau “paradoks” yang saya lupa namanya, bahwa meskipun diluncurkan pada 2076 dengan kecepatan 0,2c, sesuatu yang lebih cepat bisa dikirim belakangan dan menyusul probe asli
Kita tidak akan tahu sampai benar-benar melihatnya sendiri
Penjelasan bahwa seluruh kawanan akan membuat pulsa laser yang sangat terang secara serempak untuk berkomunikasi dengan Bumi terasa tidak realistis
Dari yang saya pahami, tidak ada cara untuk menjaga posisi, dan walaupun medium antarbintang relatif kosong, tetap akan ada drift pada skala tahun cahaya
Gagasan bahwa wahana-wahana independen bisa tersinkronisasi dan bertumpuk dengan cukup presisi agar sinyalnya bisa diterima dari Bumi terdengar tidak masuk akal, dan pelemahannya juga pasti sangat besar; saya ingin melihat angkanya
Menjaga posisi sampai taraf tertentu juga mungkin
Idenya adalah menyesuaikan orientasi untuk mengatur besar dan arah vektor hambat
https://arxiv.org/abs/2309.07061
Jelas belum mungkin dengan teknologi saat ini, tetapi tampaknya belum sampai tingkat material sihir sepenuhnya
Kedengarannya seperti rencana untuk menjumlahkan sinyal tiap probe secara koheren, dan itu berarti pulsa-pulsa laser juga harus koheren satu sama lain
Panjang gelombang cahaya tampak hanya beberapa ratus nanometer, jadi diperlukan presisi spasial sebesar itu dibanding jarak antarprobe yang diajukan, yang jauh lebih besar
Jika koherensi temporal juga diperhitungkan, ini mungkin mustahil kecuali probe-probe itu secara aktif mengunci laser satu sama lain, yang berarti tiap probe setidaknya memerlukan optik untuk mengirim dan mendeteksi sinyal cahaya ke tetangga terdekatnya
Sulit untuk menyatakan pasti mustahil dalam batasan massa, tetapi ini terdengar cukup kasar
“Pada skala tahun cahaya” berarti secara harfiah butuh beberapa tahun untuk menyelaraskan pergerakan satu sama lain, belum lagi pesan koordinasi dari Bumi setelah peluncuran
Tiap wahana bisa memakai laser komunikasinya sebagai sumber dorong
Dalam konteks serupa, saya sangat ingin melihat pencitraan exoplanet dengan lensa gravitasi Matahari selama saya masih hidup
Waktunya memang masih cukup lama, tetapi frustrasi rasanya melihat proyek-proyek astronomi besar seperti ini bergerak sangat lambat
Jadi Anda hanya perlu menaruh teleskop di L2, bukan sejauh 540AU seperti lensa gravitasi Matahari
Memang tidak sekuat yang terakhir, tetapi dari skala jaraknya saja jauh lebih layak dijalankan, dan pada dasarnya akan menjadi James Webb untuk “mengamati Bumi”
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
Jangan malas, dan usahakan cahaya pertama dari lensa pertama sudah diterima sebelum 2050
Ini salah satu proyek impian yang ingin saya lihat terwujud sebelum meninggal
Bagi yang tidak tahu apa ini dan apa artinya:
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
Ada konsep proyek berdurasi puluhan tahun, dan kadang terus dimatangkan dalam gugus tugas atau kelompok yang lebih kecil
Bisa juga sengaja tidak banyak dibahas di ruang publik
Sebuah ide mungkin belum layak diwujudkan, lalu ketika teknologi baru muncul, ide lama itu dikeluarkan lagi dari laci
Ada juga ide yang terlalu fantastis sehingga langsung memicu reaksi negatif, membuat para anggota kongres sulit ikut mendukung pendanaannya
Untungnya, keberhasilan publik JWST meskipun mengalami banyak penundaan membuat proyek seperti ini dipandang lebih positif
Saya hanya berharap Boeing tidak ikut terlibat
Kalau masih punya banyak waktu, Anda bahkan bisa ikut membantu proyek ini yang ingin Anda saksikan sendiri
Untuk penggunaan ini, probe berkerumun tampak tidak efisien
Terlalu banyak massa yang diduplikasi, padahal massa itu bisa dipakai dalam satu wahana antariksa bukan sebagai “satu keranjang” melainkan dengan redundansi yang memadai
Selain itu, penjelasan bahwa deretan awal sepanjang ratusan hingga ribuan AU akan menyatu seiring waktu menjadi jaringan mesh berbentuk lensa selebar 100.000 km tampak mustahil
Bagaimana benda yang amat kecil di bagian paling depan atau belakang deretan itu, dengan hanya mengandalkan laser yang berjarak beberapa tahun cahaya sebagai sumber energi, bisa memperlambat atau mempercepat diri cukup untuk mengatur ulang posisi sejauh ratusan AU, lalu menyesuaikan lagi ke kecepatan untuk mempertahankan formasi?
Apakah lensa diarahkan ke target untuk pemotretan, atau ke Bumi untuk komunikasi? Jika yang pertama, bagaimana memperoleh gain untuk mengirim sinyal ke Bumi, dan jika yang kedua, bagaimana melakukan sains yang berguna terhadap target?
Adakah yang sudah membuat perhitungan link budget yang bahkan sangat kasar sekalipun untuk komunikasi? Berkas laser menyebar dan kehilangan koherensi, jadi mengapa tampaknya diasumsikan akan tetap terkumpul dan koheren selamanya?
Jika laser 100GW telah menyebar hingga 100.000 km dan berada pada posisi radius ±50.000 km, berapa rapat energinya? Ini karena anggota kawanan di tepi lensa tampaknya akan memerlukan daya yang sama seperti yang di tengah
Karena itu harus memakai wahana kecil, dan satu wahana kecil itu tidak bisa melakukan semuanya, jadi dikirim banyak
Lagi pula usulnya bukan seperti itu
Setiap wahana akan punya sumber energi sendiri, dan tidak ada tali fisik sungguhan
Di sini “deretan” dan “mesh” merujuk pada bentuk geometris, bukan benda fisik
Bagaimana itu menyatu dijelaskan pada kalimat tepat sebelum kutipan: dengan mengatur percepatan awal agar ekor deretan menyusul kepalanya, lalu selama 20 tahun jelajah memanfaatkan hambat dari medium antarbintang untuk menjaga kawanan tetap bersama setelah perakitan
Lensa komunikasi tidak berkaitan dengan bentuk lensa dari mesh probe atau perlengkapan pengumpul data
Hal yang dipakai untuk mengambil gambar dan untuk mengirimnya itu berbeda
Gain untuk mengirim sinyal ke Bumi sesuai dengan penjelasan artikel bahwa setiap probe mengirim data yang sama tetapi menyesuaikan waktu emisinya berdasarkan posisi relatif masing-masing, sehingga pulsa tiba bersamaan di array penerima di Bumi
Rapat energi laser 100GW setelah divergensi tidak relevan karena itu bukan sumber catu daya
Asimov pernah menulis tentang itu, dan jika bisa dibawa cukup dekat ke Matahari, itu tampaknya bisa memberi daya tak terbatas ke bagian gelap alam semesta
Orang-orang yang menjalankan eksperimen pitch drop tidak melakukannya dengan harapan mendapat hasil yang pasti dalam masa hidup mereka sendiri
Mahasiswa doktoral di JPL sebelum teknologi roket menjadi lebih lazim mungkin merasakan hal yang mirip
Jika seseorang ingin ikut dalam upaya ini, mereka harus menerima bahwa paling banter yang akan diperoleh dalam masa kerja mereka adalah hasil turunan tingkat kedua atau ketiga; dengan begitu mereka masih bisa mendapat kesenangan atau kehormatan, dan tidak akan menemukan hasil yang benar-benar nyata dari perangkat itu sendiri
Dibandingkan membantu membangun SKA atau meluncurkan Webb, capaian seumur hidup per orang dibanding biayanya mungkin lebih besar di sana
Itu bukan berarti yang sana “lebih baik”, hanya berarti hasil ilmiah dari misi utamanya keluar lebih cepat
Banyak sains bagus juga ada di ranah efek sekunder dan tersier
Ada sains bagus tanpa habisnya: perilaku sistem yang dirancang untuk diaktifkan setelah penyimpanan jangka panjang di ruang angkasa, model propulsi baru, dan lain-lain
Saya pernah mendengar bahwa jika Voyager diulang sekarang, karena kita mampu memakai sarana peluncuran dan sistem frekuensi radio yang 10 atau 100 kali lebih baik, kita bisa mendapatkan hasil dari posisi yang sama lebih cepat
Tetapi tak seorang pun yang bekerja pada Brilliant dust akan melihat hasil seperti “gambar terbaru close pass Proxima Centauri”
Biaya untuk mencapai fraksi yang bermakna dari kecepatan cahaya terlalu besar
Jika lasernya tidak mengenai apa pun, pada jarak berapa berkasnya akan tetap cukup sempit? Apakah itu fungsi dari geometri pemancar?
Jika laser 100GW diarahkan ke sepotong kecil silikon, itu akan menjadi sangat panas, jadi saya berpikir bahwa jika probe yang sangat kecil bisa dipukul secara berkala dari jauh, itu mungkin bisa menjadi catu daya selain pendorong
Asalkan bisa mengenainya dari jarak yang cukup jauh
Membuat probe sangat ringan adalah jawaban yang meyakinkan untuk masalah mempercepat massa ke kecepatan yang berguna bagi penerbangan antarbintang, dan cukup banyak mesin juga bisa dimasukkan ke dalam potongan silikon
Gagasan bahwa chip menyerap energi dari pemancar laser jauh, menyimpan sebagian, melakukan komputasi, lalu memancarkan energi melalui sesuatu seperti LED di permukaan untuk menyetel posisinya secara halus atau berkomunikasi dengan chip lain dalam kawanan, setidaknya terdengar agak masuk akal
Untuk SF ini cukup berhasil, dan mungkin juga bisa diwujudkan di dunia nyata
Ini adalah jarak saat berkas menyebar hingga sqrt(2) dari ukuran berkas awalnya, yaitu waist [1]
Jarak ini berbanding lurus dengan kuadrat beam waist dan berbanding terbalik dengan panjang gelombang
Untuk berkas 1m dan panjang gelombang 1um, nilainya sekitar 3e6m, yaitu 3000km
Jadi, makin besar diameter berkas dan makin panjang panjang gelombangnya, makin kecil divergensinya
Ada juga bentuk berkas “non-difraksi” yang bisa mempertahankan bentuk berkas aslinya selama jarak awal, misalnya berkas Bessel [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
Bagian bahwa jam onboard probe akan disinkronkan dengan Bumi dan satu sama lain untuk mendukung posisi, navigasi, dan waktu yang akurat, setidaknya pada pandangan pertama, tampak sebagai tantangan luar biasa jika mengingat bahwa mereka bergerak pada kecepatan relativistik
Bagaimana perlambatannya dilakukan? Pada titik mana layar dibalik untuk memperlambat dengan cahaya bintang?
Jika banyak probe bisa dijaga tetap koheren secara optik, maka cermin-cermin terpisah di dalam Tata Surya juga bisa diperlakukan demikian
Dengan teleskop 100.000km sebesar kawanan ini, fitur di bawah beberapa ratus meter di Proxima Centauri pun bisa diresolusikan
Alternatifnya, bisa memakai interferometri komputasional, tetapi pada panjang gelombang tampak Anda harus bisa mengukur fase cahaya secara akurat, dan itu masih merupakan masalah yang belum terpecahkan
Terkait pernyataan bahwa “mendorong wahana antarbintang kecil seberat gram dengan cahaya laser kemungkinan besar merupakan satu-satunya teknologi yang dapat mencapai bintang lain pada abad ini”, sudut pandangnya bisa berbeda jika kita melihat propulsi berkas di sini
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
Sekalipun teknologi berkembang sepesat apa pun, jika hanya benda bermassa rendah yang bisa dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya, mungkin makhluk yang sangat cerdas dan maju secara teknologi telah mengurangi massa tubuh mereka untuk menjelajahi galaksi
Bisa jadi makhluk yang paling maju dan paling cerdas hanya bermassa beberapa gram
Setidaknya ini menjadi bahan SF yang menarik ;-)