Csillagok felé fényvitorlával: mi lett az amerikai milliárdos űrutazási álmából?

Az elképzelés az volt, hogy nagy teljesítményű lézerek apró szondákat gyorsítanak fel a fénysebesség 20 százalékára, elegendő lendületet adva ahhoz, hogy 20 éven belül elinduljanak a legközelebbi csillagrendszer, az Alfa Centauri felé. Jurij Milner és a Breakthrough Initiatives, az univerzumban található élethez kapcsolódó űrtudományi kutatási projektek csoportja, 100 millió dollárt ígért a megvalósíthatósági bizonyíték kidolgozására.

Az eseményen Milnerhez többek között csatlakozott Mae Jemison, egykori űrhajós és a 100 Year Starship vezetője, amely a Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége (DARPA) által finanszírozott csillagközi kutatási program; Pete Worden, a NASA Ames Kutatóközpontjának korábbi igazgatója; valamint Stephen Hawking, világhírű fizikus. Zachary Manchester, a Carnegie Mellon Egyetem robotikaprofesszora a projekt korai szakaszában kapcsolódott be. A tudományos portálnak nyilatkozva úgy emlékszik, hihetetlennek tűnt számára, hogy ő, a húszas évei elején járó lelkes fiatal, egy metropolisz tetején olyan emberekkel tölthette az idejét, akiket legendáknak tartott – például Freeman Dyson fizikus, aki arról lett ismert, hogy feltételezte: a fejlett civilizációk végül hatalmas szerkezetekkel burkolhatják be csillagaikat, hogy kinyerjék azok energiáját.

Dyson egyike volt annak a számos tudományos nagyságnak, akik csatlakoztak a projekthez, köztük Saul Perlmutter Nobel-díjas kutató és Martin Rees, az Egyesült Királyság királyi csillagásza.

Milner pénze nem ért fel egy Apollo-projekt költségvetésével, de több volt annál, mint amit valaha bárki is a csillagközi utazásra szánt – arra a területre, amelynek története viszonylag szerény finanszírozással és olyan projektek sorával telt, amelyek sosem jutottak el a csillagokig. A 2010-es években a DARPA és a NASA elindította a 100 Year Starship kutatási programot, hogy kiderítsék, miként lehetne embereket száz éven belül fényévekkel távoli helyekre küldeni. Magánkutató-csoportok, például a Tau Zero Foundation és a Project Icarus is kezdeményezéseket indítottak. Egyikből sem lett világos kutatási irány, ezért úgy tűnt, hogy a Milner-féle kezdeményezésből elérhető közelségbe került a cél. Elvégre a pénzen túl a Breakthrough Starshot köré gyűlt nagy nevek legitimációt adtak egy olyan törekvésnek, amely máskülönben könnyen marginálisnak tűnhetett volna.

A bejelentés nagy visszhangot kapott a sajtóban, többek között a Scientific American magazin címlapsztorijaként is.

Közel egy évtizeddel később azonban a Breakthrough Starshot feltűnően csendes. A kezdeti nagy durranás után a projekt elhalványult. Nincsenek nagy bejelentések, több intézményt összefogó megbeszélések vagy újabb finanszírozások. Ami maradt: zavarodottság még a Breakthrough Starshoton dolgozó tudósok körében is a projekt állapotát illetően. Worden, a Starshot ügyvezető igazgatója a portál érdeklődésére annyit válaszolt: „A programot felfüggesztettük, és azon dolgozunk, hogy egyes részeit másoknak adjuk át.”

2016 és napjaink között a projekt tudósai és mérnökei valóban tettek lépéseket a csillagok felé, vagy legalábbis annak megértése felé, hogy mi kellene ahhoz, hogy valóban haladni lehessen ebbe az irányba. De egy csillagközi utazás mérnöki megvalósítása szinte nevetségesen nehéz. A mai rakétatechnológiával több ezer évbe telne elérni a legközelebbi csillagot. Új eljárásokat és alkatrészeket kellene feltalálni, újra és újra módosítani, majd ellenőrizni, óriási költséggel és nagy valószínűséggel évtizedek alatt.

– mondja Edwin Turner, a Princeton Egyetem emeritus asztrofizikusa, a Breakthrough Starshot egyik első résztvevője. „Nyilvánvalóan több, mint aprópénz a legtöbbünk számára, de igazán nem sok egy ekkora technológiai programhoz.”

Egy bennfentes szerint a ténylegesen kiosztott összeg amúgy is messze elmaradt a 100 millió dollártól. Az, hogy a pénz nagy része soha nem tűnt fel, azt jelenti, hogy a Breakthrough Starshot esete nem feltétlenül a pazarlásról szól. Sokkal inkább tanulmány arról, milyen veszélyes a szupergazdagokra támaszkodni a tudomány finanszírozásában: amikor a milliárdos továbblép, az egész projekt meghiúsul.

A Breakthrough Starshot egy egyszerű, ám technológiailag merész elképzelésen alapul: a Földön hatalmas lézerrendszert kellene építeni, amellyel „fényvitorlákat” hajtanának könnyű súlyú űreszközökön. Egy hagyományos rakéta juttatná az eszközöket az űrbe; amikor nagyjából 60 000 kilométerre járnának a Földtől, a lézerek bekapcsolnának, és 100 gigawatt energiát sugároznának a fényvitorlákra. A fotonok együtt becsapódnának a vitorlákba, előrelendítve azokat, mint ahogy a szél fújja a vitorlás hajót.

Tíz perccel később a miniűrhajók már a fénysebesség 20 százalékával száguldanának, és félúton járnának a Mars felé, egy olyan űrutazáson, amely a jelenlegi technológiával hónapokig tart. Ilyen sebességgel az Alpha Centaurihoz – pontosabban a rendszer legközelebbi csillagához, a Proxima Centaurihoz – néhány évtized alatt érnének el. Az elrepülés során a Starshot bepillantást nyerne a csillagba és abba a Föld-méretű exobolygóba is, amelyről tudjuk, hogy ott kering. Az apró űreszköz jelet küldene vissza a Földre, mielőtt továbbhajózna a Tejútrendszer többi része felé.

A fény hajtóerőként való felhasználásának alapötlete az 1920-as évekre nyúlik vissza, amikor a rakétatechnika úttörői, az orosz tudósok, Fridrih Cander és Konsztantyin Ciolkovszkij javasolták, hogy a napfény nyomását használják egy űreszköz hajtására. A Breakthrough konkrét terveinek néhány részlete azonban Philip Lubin, a Kaliforniai Egyetem (Santa Barbara) fizikusának munkájából származott.

Még 2009-ben, hét évvel a Breakthrough Starshot indulása előtt, Lubin részt vett egy konferencián a Monterey-ben (Kalifornia) található Haditengerészeti Posztgraduális Iskolában. Ott a kutatók a fókuszált energiát vitatták meg különböző formákban – lézerek, mikrohullámok, részecskenyalábok és más technológiák révén –, amit összefoglalóan irányított energiának neveznek. „Többnyire fenyegetések elhárítására” – mondja Lubin, vagyis beérkező rakéták megsemmisítésére.

Ám Lubin elkezdett más lehetőségekről álmodozni, főként, ha a technológiát felskáláznák.

Vajon használható lenne-e a Föld védelmére aszteroidák ellen, a kontinensek közötti ballisztikus rakéták helyett? Vagy arra, hogy egy űreszközt hajtson nagyon messzire? Lubin számításokba kezdett.

Bár mindent megtett azért, hogy megcáfolja saját ötletét, úgy tűnt, az működhet: irányított energiát lehetne bocsátani egy közeledő űrkőzetre, annak egy részét felhevíteni, elpárologtatni, és ezzel éppen eléggé megváltoztatni a pályáját ahhoz, hogy elkerülje a Földet. És valószínűleg ugyanígy el lehetne indítani egy űrhajót is egy jelentős utazásra. Lubin végül pályázott és NASA-támogatást kapott mindkét terv kutatására.

Miután 2013-ban egy meteor felrobbant az oroszországi Cseljabinszk felett, Lubin bolygóvédelmi munkája – amely a DE-STAR nevet kapta – nagyobb figyelmet kapott. Lubint meghívták, hogy előadásokat tartson más tudósoknak, többek között a SETI (Földön kívüli intelligencia keresése) Intézetben. Ott megemlítette, hogy ugyanez a technológia lehetővé teheti a csillagközi repülést is. Egy kollégája ekkor azt mondta neki, beszélnie kellene egy Pete Worden nevű emberrel.

Lubin végül nem kereste meg Wordent, de tovább dolgozott csillagközi lézeres ötletein, a NASA folyamatos támogatásával. 2015-ben előadást tartott a 100 Year Starship projekt által szervezett konferencián. Ott végül találkozott Wordennel, aki azt javasolta neki, küldje el írásban is az elképzeléseit. Lubin válaszul készített egy csillagközi repülési ütemtervet, amelyet később a Journal of the British Interplanetary Society közölt.

Worden gyorsan visszaírt. „Van egy barátom” – idézi fel Lubin a szavait. „Zavarna, ha elküldeném neki?” Lubin azt mondta, nyugodtan, bárkinek elküldheti. A barát természetesen Milner volt, és 2016 januárjára Lubin már Milner Bay Area-beli kúriájában találkozott vele. Milner előtt ott feküdt Lubin csillagközi ütemterve, tele ragasztott sárga cetlikkel.

Milner azt szerette volna, ha a tanulmányt olyan szakértőknek küldik el, akik fel tudják mérni az erősségeit és gyengeségeit. „Ha a bírálatok pozitívan érkeznek vissza, akkor hajlandó vagyok jelentős összeget befektetni” – idézi fel Lubin Milner szavait. Milner 100 millió dollárt említett. „Sajnos ez soha nem valósult meg” – mondja Lubin. „Nem volt 100 millió dollár.”

A Starshot hivatalos bejelentése előtt a Breakthrough munkatársai csendben más gondolkodókat is bevontak a terület szakértői közül. Turner mellett ott volt Mason Peck, a Cornell Egyetem mérnökprofesszora és a NASA korábbi vezető technológusa. A Starshot alapításakor a csoport körülbelül 30 olyan problémát azonosított, amelyet meg kellett oldani, mielőtt bárki csillagközi szondát indíthatna. Worden és James Schalkwyk, a Breakthrough Prize Foundation munkatársa három ausztrál egyetemi kutatóval együtt írt egy fejezetet Claude Phipps 2024-ben megjelent Laser Propulsion in Space: Fundamentals, Technology, and Future Missions (Lézeres meghajtás az űrben: alapok, technológia és jövőbeli küldetések) című könyvéhez, amely áttekintést adott a projekt kezdeti szakaszairól.

Az összegzés szerint 37 kutatócsoport gyűlt össze, hogy megértse és csökkentse a technológiai kockázatokat ezeken a kulcsterületeken.

Időnként a résztvevők kaptak némi pénzt kutatásuk támogatására, máskor nem. A Starshot viszont összehozta az embereket, hogy beszéljenek saját kutatásaikról ezekkel a problémákkal kapcsolatban. „A Breakthrough lényegében egy sor találkozó” – mondja Lubin. Más források szintén a találkozókat említik a projektben való részvétel elsődleges formájaként.

• 2016-tól kezdődően a Breakthrough Initiatives megszervezte a Breakthrough Discuss konferenciákat, amelyek „az univerzumban található életre és az űrkutatás új ötleteire” összpontosítottak.
• Ezek a találkozók, bár soha nem kizárólag a Starshottal foglalkoztak, gyakran érintettek a csillagközi küldetéssel kapcsolatos témákat, és 2025-ig folytatódtak.
• Az évek során kisebb tematikus műhelytalálkozókat is tartottak, ahol a probléma konkrét technológiai és tudományos aspektusait vitatták meg.

Amíg tartottak, ezek a találkozók lehetőséget adtak a tudósoknak és mérnököknek, hogy felmérjék, hol tart a technológia, mely problémákra nincs még megoldás, mennyire kivitelezhető ezen problémák leküzdése és egy indítható rendszer felépítése, valamint milyen idő- és költségvonzata lenne mindennek. Az első években érezhető izgalom uralkodott. Tudták, hogy legnagyobb kihívásaik bizonyos területeken lesznek: a vitorla tervezése, a lézerrendszer működése, az űreszköz felépítése, valamint egy kommunikációs rendszer megalkotása, amely képes jelet küldeni a Földre fényévek távolságából. Lényegében az egész rendszer.

Kevés értelme van űrhajót küldeni egy másik csillaghoz, ha nem tudod bizonyítani, hogy sikerült. A Starshotnak nemcsak el kellett érnie a Proxima Centaurit, hanem módot kellett találni arra is, hogy elég erős jelet küldjön vissza a Földre.

Ez jelentős kihívás: hogyan lehet irányítani a jelet fényévekkel távolabbról, miközben a szonda és a Föld is mozog? Ráadásul mindezt apró műszerekkel kell végrehajtani egy olyan űreszközön, amely mindössze egy–két tollkupaknyi tömegű.

Peck szerint már az is értékes lenne, ha a szonda egyetlen számítógépes bit információt tudna küldeni egy másik naprendszerből. Például a szonda adhatna egy igen/nem választ egyetlen kérdésre: van-e a bolygó légkörében bizonyos százaléknyi oxigén, vagy alkalmas-e a sugárzási környezet az életre?

A 2024-es könyvfejezet szerint a csapat több módot talált arra, hogy a kommunikáció valamennyire kivitelezhető legyen. A tudósok a Földön hatalmas, kisebb vevőkből álló tömböt építhettek volna a gyenge jelek befogására. A szonda adóantennáját is megnagyobbíthatták volna, és az adatátvitelt rádióhullámok helyett optikai hullámhosszakon végezhették volna, amelyek gyorsabban továbbítanak több adatot. A csapat úgy döntött, hogy a Napot használják iránytűként a hazafelé küldött jelhez, így az információ a megfelelő részt érné el a hatalmas univerzumban. Még így is Long a kommunikációs problémát nevezi a „szoba elefántjának”, mivel a kezdeti kutatások során nem kapott annyi figyelmet, mint más témák.

A szondák eléggé messzire és elég gyorsan történő kilövése, hogy legyen mit továbbítaniuk, egy további problémát igényel: a lézereket. Vagy, ahogy a Starshot csapata nevezte őket, „a foton-hajtóművet”.

Az első gond az volt, hogy egyetlen lézernek rendkívül nagy teljesítményűnek kellene lennie – olyannak, ami ma gyakorlatilag nem létezik. A kutatók egy olyan rendszer összeállítását képzelték el kisebb lézerekből, amelyek sugárzása összeadódik, így egyetlen, 100 gigawattos lézerként működik, de ehhez biztosítani kell, hogy a fényhullámok „összehangoltak” legyenek egymással, mint a hanghullámok, amikor harmóniában vannak. De ez még nem volt elegendő áttörés a Breakthrough számára. A projektnek még több lézerre lesz szüksége, és ezeknek a lézereknek a laboron kívül kell működniük ahhoz, hogy mélyen elérjék az űrt – ami újabb problémát vet fel.

– kérdezi Manchester. A felső légköri turbulencia a sugárzás „pislákolását” okozza.

A lézerek pénzügyi akadályt is jelentenek. Ahhoz, hogy a Starshot megvalósítható legyen, a lézerek működtetési költségének le kellene csökkennie a jelenlegi kb. 100 dollár/wattról nagyjából 0,01–0,05 dollár/watt értékre. Peck optimista, mert elméletileg a lézerenergia költsége idővel csökkennie kellene, hasonlóan ahhoz, ahogy a Moore-törvény jósolta, hogy a számítógépes chipek tranzisztorai évről évre egyre kisebbek lesznek. Még így is, ez az árengedmény nem azonnali. „Valószínűleg nem a következő 20 évben indulunk el, ahogy a szponzor szerette volna, hanem talán 30–40 éven belül” – mondja Long.

Annak ellenére, hogy a projekt vége homályos és jövője bizonytalan, sok résztvevő pozitívan beszélt a Breakthroughról.

Manchester legalább pszichológiai sikerként látja. Amikor a projekt elkezdődött, az emberek őrült ötletnek tartották a csillagközi utazást, vagy nem is gondoltak rá. „A Breakthrough megváltoztatta a társadalom tudatát arról, hogy az effajta dolgok tudományos kutatásának legitim terület lehet” – mondja.

Komoly emberek dolgoztak a projekten, komoly dolgokat vittek véghez, komoly előrelépéseket tettek, még ha nem is közvetlenül az Alpha Centauri felé vezető úton. „Még mindig messze van, de sokkal közelebb, mint öt–hat évvel ezelőtt volt” – zárja Manchester. A program inspirálta például de Sterke-t és Kuhlmey-t, hogy olyan alapvető fizikai és mérnöki problémákon dolgozzanak, amelyek egyébként talán nem kaptak volna figyelmet. És a nap végén talán ez lesz a Starshot öröksége. Philip Lubin, a Kaliforniai Egyetem fizikusa szerint: „Ha lenne egy mondatos összefoglaló, hogy mi volt és mit tett a Breakthrough, azt úgy fogalmaznám meg, hogy felhívta a figyelmet az álomra.”

Kis ember a nagy űrben

Április 12-e az űrhajózás napja annak emlékére, hogy űrhajójával 1961-ban Jurij Gagarin ezen a napon kerülte meg elsőként a Földet. A mérföldkőnek számító dátum előtti időkről csak találgatások vannak, a következmények viszont máig hatóak.