Proxima Centauri की ओर swarm flight: अंतरतारकीय दूरी पर अति-लघु spacecraft का coherent swarm flight
अवलोकन
- लेख शीर्षक: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- लेखक: Keith Cowing
- स्रोत: NASA NIAC
- तारीख: 18 मई 2024
- विषय: 'Oumuamua, Interstellar, laser propulsion, NASA, NIAC, Picospacecraft, Proxima Centauri, Proxima Centauri b, smallsats, Thomas Eubanks
मुख्य बातें
अति-लघु spacecraft की संभावनाएँ
- अति-लघु spacecraft: ग्राम-स्तर के बेहद छोटे spacecraft, जिन्हें laser light से propel किया जाए, अन्य तारों तक पहुँचने की एकमात्र संभावित तकनीक माने जा रहे हैं।
- Laser propulsion: यह मान लिया गया है कि सदी के मध्य तक लगभग 100-GW का शक्तिशाली laser beam कुछ ग्राम के spacecraft को relativistic speed तक accelerate कर सकेगा।
- Laser sail: ऐसे मजबूत laser sail की आवश्यकता होगी जो launch को सह सके, और एक बड़े optical receiver (~1 वर्ग किलोमीटर) की भी, जो पृथ्वी पर optical signals को पकड़ सके।
प्रतिनिधि मिशन
- मिशन लक्ष्य: सदी के मध्य में हज़ारों अति-लघु spacecraft के swarm का उपयोग करके Proxima b flyby मिशन का प्रस्ताव है।
- सीमाएँ: launch mass (ग्राम), onboard power (मिलीवॉट), और communication aperture (सेंटीमीटर से मीटर) जैसी अत्यधिक सीमाएँ मौजूद हैं।
- Swarm की आवश्यकता: कई spacecraft को मिलकर एक शक्तिशाली optical signal बनाना होगा।
स्वायत्तता और नेटवर्क
- स्वायत्तता: 8 साल के round-trip time delay के कारण पृथ्वी से वास्तविक नियंत्रण संभव नहीं है, इसलिए swarm को बहुत अधिक autonomous होना होगा।
- नेटवर्क: low-power optical links के माध्यम से mesh network बनाना होगा, और सटीक position-navigation-timing (PNT) के समर्थन के लिए पृथ्वी तथा एक-दूसरे के साथ clocks को synchronize करना होगा।
प्रक्षेपण और उड़ान
- प्रक्षेपण विधि: लगभग 0.2c की गति से एक-एक करके launch की गई spacecraft की लंबी कतार से शुरुआत होती है।
- समय समकालिकता: launch के बाद drive laser को signal और clock synchronization के लिए इस्तेमाल किया जाता है, ताकि निरंतर time signal मिलता रहे।
- गति नियंत्रण: प्रारंभिक acceleration को इस तरह नियंत्रित किया जाता है कि कतार का अंत, आगे के हिस्से से मिल जाए।
- Swarm निर्माण: सैकड़ों से हज़ारों AU लंबी प्रारंभिक कतार समय के साथ गतिशील रूप से जुड़कर lens-shaped mesh network में बदल जाती है।
संचार और डेटा ट्रांसफर
- स्थिति समकालिकता: swarm के सदस्य एक-दूसरे के सापेक्ष अपनी स्थिति जानते हैं और अत्याधुनिक micro-miniature clocks का उपयोग करके synchronization बनाए रखते हैं।
- डेटा ट्रांसफर: सभी spacecraft वही data transmit करते हैं, लेकिन अपनी relative position के अनुसार transmission time को समायोजित करते हैं ताकि वे पृथ्वी के receiver array तक एक साथ पहुँचें।
- Power amplification: swarm का हर spacecraft एक single short लेकिन बहुत bright laser pulse बनाता है, ताकि data transmission क्षमता अधिकतम हो सके।
Swarm के फायदे
- जोखिम कम करना: swarm रास्ते में होने वाले बड़े नुकसान को सह सकता है, जिससे "सारे अंडे एक ही टोकरी में रखने" वाला जोखिम कम होता है।
- बहु-दृष्टिकोण अवलोकन: Proxima b को कई कोणों से नज़दीक से देखा जा सकता है।
प्रयोग और भविष्य के मिशन
- वर्तमान प्रयोग: swarm तकनीक को simulation environment में खोजा और परखा जा सकता है।
- भविष्य के मिशन: ऐसे कई मिशनों की कल्पना की गई है जो पृथ्वी या चंद्र कक्षा से शुरू होकर बाहरी सौर मंडल तक फैल सकते हैं।
- उदाहरण मिशन: तेज़ी से दूर जा रही अंतरतारकीय वस्तु 1I/’Oumuamua या solar gravitational lens की खोज की जा सकती है।
GN⁺ की राय
- तकनीकी चुनौती: अति-लघु spacecraft swarm की autonomous क्षमता और network synchronization बहुत बड़ी तकनीकी चुनौती है।
- भविष्य की संभावना: यदि यह तकनीक सफल होती है, तो यह अंतरिक्ष अन्वेषण का नया अध्याय खोल सकती है और मौजूदा तकनीकों को पूरक बना सकती है।
- जोखिम कारक: swarm बड़े नुकसान को सह सकता है, लेकिन इसके बावजूद तकनीकी जोखिम अभी भी बहुत अधिक हैं।
- लागत का मुद्दा: ऐसे मिशनों को पूरा करने के लिए काफी अधिक लागत और संसाधनों की आवश्यकता होगी।
- समान परियोजनाएँ: Breakthrough Starshot जैसी अन्य परियोजनाएँ भी हैं जिनके लक्ष्य मिलते-जुलते हैं।
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
मेरा जन्म चांद पर उतरने के 11 साल बाद हुआ था, और अगर सैद्धांतिक रूप से मैं 120 साल तक जीता हूं, तो शायद मैं Proxima swarm probe के flyby डेटा देख सकूं
यह हिसाब 2076 में लॉन्च, 0.2c पर 20 साल की उड़ान, और जानकारी वापस आने में 4 साल मानकर है
इस योजना के सच में deploy होने की संभावना भी, और मेरे तब तक जीवित रहने की संभावना भी बहुत कम है, लेकिन यह विचार अब भी प्रेरक है कि मानवता लगभग एक जीवनकाल के भीतर चांद से सबसे नज़दीकी तारे तक पहुंच सकती है
Proxima पर भी चांद की तरह “कुछ नहीं” होगा, लेकिन असली बात वह नहीं है
मूल्यवान चीज़ें पृथ्वी पर हमारे साथ रहने वाले लोगों में हैं, लेकिन हमें साझा महत्वाकांक्षा और सपनों की ज़रूरत है
सपने देखने लायक होने के लिए किसी चीज़ का पूरी तरह तर्कसंगत होना ज़रूरी नहीं; उल्टे, तिमाही रिपोर्टों और performance reviews की “तर्कसंगतता” ही सपनों की दुश्मन है
gas giant ग्रहों के चंद्रमाओं को भी कभी निष्क्रिय और उबाऊ माना जाता था, लेकिन सीधे जाकर देखने पर वे विविध और रोचक विशेषताओं से भरे निकले
कोई “law” या “paradox” है जिसका नाम याद नहीं, जिसमें बात यह है कि अगर 2076 में 0.2c पर लॉन्च भी किया जाए, तो बाद में कुछ तेज़ भेजकर मूल probe को पीछे छोड़ा जा सकता है
जब तक हम खुद देखकर न आएं, हमें पता नहीं चल सकता
यह समझाना कि पूरा swarm पृथ्वी से communicate करने के लिए एक साथ बहुत bright laser pulses बनाएगा, व्यवहार्य नहीं लगता
मेरी समझ से position बनाए रखने का कोई तरीका नहीं है, और interstellar medium अपेक्षाकृत खाली हो तब भी light-year के scale पर drift होगा
स्वतंत्र spacecraft अपने signals को इतनी सटीकता से synchronize करके overlap करें कि वे पृथ्वी पर receive किए जा सकें, यह credible नहीं लगता, और attenuation भी जबरदस्त होगा; मैं इसके numbers देखना चाहूंगा
कुछ हद तक position keeping भी संभव है
विचार यह है कि attitude adjust करके drag vector की magnitude और direction adjust की जाए
https://arxiv.org/abs/2309.07061
मौजूदा technology से यह साफ़ तौर पर असंभव है, लेकिन यह पूरी तरह जादुई material जैसी चीज़ भी नहीं लगती
यह हर probe के signal को coherently add करने की योजना जैसी लगती है, और उसके लिए laser pulses के बीच भी coherence चाहिए
visible light की wavelength कुछ सौ nanometers होती है, इसलिए बताए गए कहीं बड़े probe spacing की तुलना में spatially उतनी precision चाहिए
temporal coherence तक सोचें तो probes का एक-दूसरे के lasers पर actively lock हुए बिना यह शायद असंभव होगा; तब हर probe में कम-से-कम अपने नज़दीकी पड़ोसियों को optical signal भेजने और detect करने के लिए optics चाहिए होंगे
weight limit के भीतर इसे असंभव घोषित करना मुश्किल है, लेकिन यह काफी rough लगता है
“light-year scale” का मतलब है कि आपसी movement coordinate करने में सचमुच कई साल लगेंगे, launch के बाद पृथ्वी से भेजे जाने वाले coordination messages की तो बात ही छोड़िए
हर spacecraft communication laser को thrust source की तरह इस्तेमाल कर सकता है
इसी तरह, मैं अपनी ज़िंदगी में solar gravitational lens से exoplanet की imaging होते देखने के लिए बेहद उत्सुक हूं
अभी काफी समय बाकी है, लेकिन ऐसे बड़े astronomy projects का इतना धीरे-धीरे ही आगे बढ़ना frustrate करता है
solar gravitational lens की तरह 540AU दूर जाने के बजाय बस L2 पर telescope रखना होगा
यह उतना powerful नहीं है, लेकिन distance scale के लिहाज़ से कहीं ज़्यादा practical है और मूल रूप से “Earth observation के लिए” James Webb होगा
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
आलस मत कीजिए और 2050 तक पहली lens light भी हासिल कर लीजिए
यह उन dream projects में से एक है जिन्हें मैं मरने से पहले पूरा होते देखना चाहता हूं
जिन लोगों को यह नहीं पता कि यह क्या है और इसका क्या मतलब हो सकता है, उनके लिए:
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
दशक-स्तर के projects की अवधारणा होती है, और कई बार working groups या छोटे groups में उन्हें लगातार refine किया जाता है
जानबूझकर public discussion कम भी हो सकती है
कोई idea अभी feasible न हो, लेकिन नई technology आने पर पुराने ideas फिर drawer से निकाले जा सकते हैं
कुछ ideas इतने fantastical भी होते हैं कि तुरंत backlash मिलता है, और Congress के लोगों के लिए उस पर सवार होकर funding देना मुश्किल हो जाता है
अच्छी बात यह है कि JWST तमाम delays के बाद भी public success रहा, जिससे ऐसे projects को अब ज्यादा positive नजर से देखा जाने लगा है
बस उम्मीद है कि Boeing इसमें शामिल न हो
अगर आपके पास समय है, तो जिस project को आप देखना चाहते हैं उसमें खुद मदद भी कर सकते हैं
इस काम के लिए swarm probes अप्रभावी लगते हैं
इसमें बहुत ज़्यादा mass दोहराया जा रहा है, जबकि उसी mass को एक ही spacecraft में “एक टोकरी” की तरह नहीं, बल्कि पर्याप्त redundancy के साथ इस्तेमाल किया जा सकता है
और यह समझाना कि सैकड़ों से हज़ारों AU लंबी शुरुआती लाइन समय के साथ 100,000km चौड़े lens-shaped mesh network में मिल जाएगी, असंभव-सा लगता है
लाइन के बिल्कुल आगे या पीछे मौजूद बेहद छोटी वस्तु, ऊर्जा स्रोत के रूप में कई light-year दूर के laser पर निर्भर रहते हुए, सैकड़ों AU तक अपनी जगह बदलने के लिए अपनी गति कैसे घटाएगी या बढ़ाएगी, और फिर formation बनाए रखने वाली गति पर कैसे आएगी?
lens imaging के लिए target की ओर होगा, या communication के लिए पृथ्वी की ओर? अगर पहला, तो पृथ्वी तक signal भेजने के लिए gain कैसे मिलेगा; और अगर दूसरा, तो target पर उपयोगी science कैसे होगी?
communication के लिए बहुत मोटा-मोटा link budget calculation भी किसी ने किया है? laser beam diverge होती है और coherence खोती है, फिर ऐसा क्यों लगता है कि मान लिया गया है कि वह हमेशा converge करेगी और coherent बनी रहेगी?
100GW laser अगर 100,000km तक diverge हो चुका है और आप radius ±50,000km पर हैं, तो energy density कितनी होगी? क्योंकि lens के किनारे के swarm members को भी center वालों जितनी ही power चाहिए होगी
इसलिए छोटे spacecraft इस्तेमाल करने होंगे, और एक छोटा spacecraft सब कुछ नहीं कर सकता, इसलिए कई भेजे जाते हैं
और proposal वैसा नहीं है
हर spacecraft का अपना energy source होगा, और कोई असली string भी नहीं है
यहां “line” और “mesh” असली objects नहीं, बल्कि geometric shapes को कहते हैं
वे कैसे मिलते हैं, यह उद्धरण से ठीक पहले वाले वाक्य में है: initial acceleration को इस तरह adjust किया जाता है कि line की tail head को catch up कर ले, और 20 साल की cruise के दौरान interstellar medium से मिलने वाले drag का उपयोग assembly के बाद swarm को साथ रखने के लिए किया जाता है
communication lens का probe mesh की lens shape या data collection equipment से कोई संबंध नहीं है
image लेने और उसे भेजने के लिए अलग-अलग चीज़ें इस्तेमाल होती हैं
पृथ्वी तक signal भेजने का gain लेख में बताए गए इस विचार से आता है कि हर probe वही data भेजता है, लेकिन अपनी relative position के हिसाब से emission time adjust करता है, ताकि pulses पृथ्वी के receiving array पर एक साथ पहुंचें
100GW laser के diverge होने के बाद की energy density irrelevant है, क्योंकि वह power supply नहीं है
Asimov ने ऐसी चीज़ लिखी थी; अगर उसे सूर्य के पर्याप्त करीब ले जाया जा सके, तो वह ब्रह्मांड की अंधेरी जगहों को unlimited power दे सकती है
pitch drop experiment चलाने वाले लोग अपने जीवनकाल में definitive result की उम्मीद करके ऐसा नहीं करते
rocket technology के ज्यादा routine होने से पहले JPL के PhD students भी शायद कुछ ऐसा ही महसूस करते होंगे
अगर कोई इस प्रयास में शामिल होना चाहता है, तो उसे यह स्वीकार करना होगा कि अपने working lifetime में उसे ज्यादा से ज्यादा secondary या tertiary outputs ही मिलेंगे; तभी उसे आनंद या प्रतिष्ठा मिल सकती है, device itself से कोई वास्तविक result खोजने को नहीं मिलेगा
SKA बनाने में मदद करने या Webb launch करने की तुलना में, प्रति व्यक्ति लागत के मुकाबले जीवनकाल में मिलने वाली उपलब्धि शायद वहां ज्यादा हो सकती है
इसका मतलब यह नहीं कि वह “बेहतर” है, बस यह कि primary mission के science results जल्दी मिलेंगे
secondary और tertiary effects के क्षेत्र में भी बहुत अच्छी science है
space में long-term storage के बाद activate होने के लिए design किए गए systems का behavior, नए propulsion models आदि—अच्छी science की कमी नहीं है
सुना है कि अगर Voyager को दोबारा किया जाए, तो आज हम 10 गुना या 100 गुना बेहतर launch vehicles और radio-frequency systems afford कर सकते हैं, इसलिए उसी position से results ज्यादा जल्दी मिल सकते हैं
लेकिन Brilliant dust पर काम करने वाला कोई भी व्यक्ति “Proxima Centauri की करीबी latest images” जैसा result नहीं देख पाएगा
light speed के meaningful fraction तक पहुंचने की cost बहुत ज्यादा है
अगर laser किसी चीज़ से न टकराए, तो beam कितनी दूरी तक काफी narrow रह सकती है? क्या यह emitter की geometry का function है?
100GW laser को silicon के छोटे टुकड़े पर aim करें तो वह बहुत गर्म हो जाएगा, इसलिए सोच रहा हूं कि अगर दूर से बहुत छोटे probes को समय-समय पर hit किया जाए, तो propulsion के अलावा power supply भी हो सकती है
बशर्ते पर्याप्त दूरी पर भी उसे hit किया जा सके
probe को बहुत हल्का बनाना, interstellar flight के लिए उपयोगी speed तक mass को accelerate करने की समस्या का convincing answer है, और silicon के टुकड़े में काफी machinery भी डाली जा सकती है
chip किसी दूर laser emitter से energy absorb करे, उसका कुछ हिस्सा store करे, computation करे, और surface पर LED जैसी चीज़ों से energy emit करके अपनी position को fine-tune करे या swarm के दूसरे chips से communicate करे—यह loosely plausible लगता है
SF के लिए तो पर्याप्त रूप से काम करता है, और शायद real world में भी implement हो सके
यह वह दूरी है जहां beam अपनी initial beam size, यानी waist के sqrt(2), तक diverge हो जाती है [1]
यह दूरी beam waist के square के proportional और wavelength के inverse proportional होती है
1m beam और 1um wavelength हो, तो यह लगभग 3e6m, यानी 3000km है
इसलिए beam diameter बड़ा और wavelength लंबी होने पर divergence कम होती है
ऐसे “non-diffracting” beam shapes भी हैं जो शुरुआती दूरी तक original beam shape बनाए रख सकते हैं, जैसे Bessel beam [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
probes की onboard clocks को पृथ्वी और एक-दूसरे के साथ synchronize करके accurate position, navigation और timing support देने वाला हिस्सा, कम-से-कम पहली नज़र में, यह देखते हुए कि वे relativistic speeds से चल रहे हैं, एक बहुत बड़ा challenge लगता है
deceleration कैसे होगा? किस point पर sail को पलटकर starlight से slow किया जाएगा?
अगर कई probes को optically coherent रखा जा सकता है, तो solar system के अंदर अलग-अलग mirrors के साथ भी ऐसा किया जा सकता है
इस swarm जितने आकार का 100,000km telescope Proxima Centauri पर कुछ सौ मीटर से छोटी features भी resolve कर सकेगा
या फिर computational interferometer इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन visible wavelengths पर light का phase accurately measure कर पाना होगा, जो अभी तक unsolved problem है
“ग्राम-स्तर के छोटे इंटरस्टेलर probes को laser light से धकेलकर भेजना ही शायद इस सदी में दूसरे तारे तक पहुँचने की एकमात्र तकनीक हो सकता है” — इस बात पर, यहाँ beam propulsion को देखें तो एक अलग नज़रिया मिल सकता है
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
अगर तकनीक कितनी भी आगे बढ़ जाए, फिर भी केवल कम-mass वाली वस्तुओं को ही प्रकाश की गति के करीब accelerate किया जा सकता हो, तो बहुत बुद्धिमान और तकनीकी रूप से उन्नत प्राणियों ने galaxy की खोज के लिए शायद अपने शरीर का mass घटा लिया हो
सबसे उन्नत और बुद्धिमान प्राणी का mass सिर्फ कुछ ग्राम भी हो सकता है
कम-से-कम यह एक दिलचस्प SF premise तो है ;-)