Impulsar la comunicación interestelar a una sonda de vela empujada por láser a múltiples megabits por segundo
Por Brian Wang para Next Big Future 2 de julio de 2017
Michael Hippke ha calculado cómo tener velocidades de comunicación de varios megabytes entre una sonda de vela empujada por láser y un telescopio en nuestro punto de lente gravitacional de sistemas solares. Anteriormente, Hippke había determinado cómo utilizar las presiones de fotones estelares del triple estelar α Cen A, B y C (Proxima) junto con la gravedad ayuda a desacelerar las velas solares entrantes desde la Tierra.
Hippke resuelve los problemas de la comunicación interestelar y la comunicación utilizando los puntos de lente gravitacional con más detalle.
Ha habido trabajos anteriores sobre la comunicación interestelar utilizando lentes gravitacionales para mejorar el rendimiento, tal como se describe aquí en Nextbigfuture.
Hubo un documento de 238 páginas en 2013 (David G. Messerschmitt en Berkeley), el Proyecto Ícaro y el trabajo de Benford.
Los avances tecnológicos recientes podrían hacer posible el viaje interestelar, utilizando velas ultraligeras empujadas por láseres o presión de fotones solares, a velocidades de un pequeño porcentaje de la velocidad de la luz. La obtención de datos de observación remota a partir de estas sondas no es trivial debido a su mínima instrumentación (escala de gramos) ya grandes distancias (pc). Michael Hippke deduce el esquema óptimo de comunicación para maximizar la velocidad de transmisión de datos entre una sonda remota y una base doméstica. El marco incluye modelos para la pérdida de fotones de difracción, limitaciones tecnológicas, extinción interestelar y transmisión atmosférica. Las principales fuentes de ruido son atmosféricas, zodiacales, estelares e instrumentales. Examina la capacidad máxima usando el "límite de Holevo", que da un límite superior a la cantidad de información (bits) que se puede codificar a través de un estado cuántico (fotones), que es unos pocos bits por fotón para optimizar los niveles de señal y ruido. Esto permite velocidades de datos de bits de orden por segundo por vatio desde un transmisor de tamaño 1 m a una distancia de α Centauri (1,3 pc) a un telescopio de recepción grande basado en tierra (E-ELT, 39 m). La longitud de onda óptima para esta distancia es de 300 nm (receptor basado en el espacio) a 400 nm (basada en tierra) y aumenta con la distancia, debido a la extinción, hasta un máximo de ≈ 3 μm al centro de la galaxia a 8 kpc.
Hippke aplica su marco de cálculo de extinción interestelar y estado cuántico para la codificación de fotones a la lente gravitacional solar (SGL), que amplía la apertura (y por lo tanto el flujo de fotones) del telescopio receptor por un factor de más de mil millones. Por primera vez, mostramos que el uso del SGL para fines de comunicación es posible. Esto era previamente poco claro porque el anillo de Einstein se coloca dentro del ruido coronal solar, y los factores contribuyentes son difíciles de determinar. Calcula las funciones de propagación de puntos, los tamaños de apertura, la distancia heliocéntrica y la frecuencia óptima de comunicación. La mejor longitud de onda para la comunicación interestelar cercana (menos de 100 PC) está limitada por la tecnología actual a la banda UV y óptica. Las velocidades de datos varían aproximadamente linealmente con el tamaño del telescopio SGL y con la distancia heliocéntrica. Las velocidades de datos obtenibles (receptoras) de Alpha Cen son de 1-10 Mbits por segundo por vatio para un par de telescopios de tamaño medidor, una mejora de un millón de veces en comparación con el uso del mismo telescopio de recepción sin el SGL. Un telescopio de 1 m en el SGL puede recibir datos a tasas comparables a las de un telescopio "normal" de clase km.
La influencia más fuerte en la velocidad de datos proviene de z y dSGL, y ambos son no lineales. Mientras que la sonda puede alcanzar una velocidad de transmisión de datos de 4,9 Mbits / s en z = 600 au, la tasa aumenta a 10,3 Mbits / s en z = 600 au, en rogly un factor de dos. Un aumento en la apertura de la sonda (1 metro a 10 metros) aumenta la velocidad de datos a 44,7 Mbits / s (a z = 600 au), aproximadamente un factor de diez.
Hippke ha demostrado, por primera vez, que la lente gravitacional de nuestro Sol puede ser utilizada efectivamente para la comunicación interestelar. Esto había sido previamente poco claro debido al impacto desconocido del ruido coronal. Hemos calculado las funciones de extensión de punto, los tamaños de apertura, la distancia heliocéntrica y la frecuencia óptima de comunicación de una sonda receptora en el SGL.
Las tasas de datos son mayores en un factor de un millón en comparación con los telescopios clásicos de igual tamaño. Un telescopio de 1 m en el SGL puede alcanzar la misma velocidad de recepción de datos que un telescopio clásico de 9-45 km. Si los tamaños clásicos del telescopio están restringidos al tamaño de E-ELT (39 m), los niveles de potencia en el lado del transmisor necesitan aumentar de 1W en el rango MW para igualar la velocidad de datos de una sonda SGL. Si se requieren tarifas de datos a nivel de Mbits / s, podría ser más barato invertir en vuelos espaciales al SGL. La alternativa obvia es limitar las velocidades de datos a un nivel alcanzable con telescopios más pequeños. Un solo telescopio de 39 m puede recibir datos de bits de orden por segundo por vatio de α Cen, suficiente para transmitir varias fotografías de alta resolución a lo largo de un año (Hippke 2017). Tal vez esto se juzga suficiente.
En el documento III de esta serie, vamos a relajar las limitaciones tecnológicas, principalmente en el enfoque de longitudes de onda cortas (Hippke 2017). Esto abre nuestro horizonte a las civilizaciones más avanzadas, si existen, y nos permite examinar cómo maximizarían las tasas de datos. Si las civilizaciones avanzadas valoran tanto los datos como nosotros, nuestro marco nos dirá cómo se comunican, dónde podemos buscar esa comunicación y cómo podemos unirnos a la red galáctica.
Con la tecnología actual, la resolución en el régimen mili-arcsec es posible a longitudes de onda ópticas, pero los rayos X están limitados a resoluciones angulares de 20 arcsec, una diferencia de 4 órdenes de magnitud. Por ejemplo, el satélite Swift de rayos X tiene una resolución angular de 18 arcsec a λ = 1 nm (1,5 keV) desde una abertura de 30 cm, mientras que el límite de difracción sería de 1,22λ / D = 8 × 10 -4 -4 arcsec, Por lo que Qreal / QR = 4 × 10-5. Se cree que la tecnología alcanza finalmente la resolución sub-arcsec en los rayos X, pero a expensas de los diseños grandes, con longitudes focales de 100000 km.
Un diseño de comunicación de radio interestelar más tradicional de α Cen ha sido publicado recientemente por Milne et al. (2016). Presenta escenarios para antenas con tamaños de 1-15 km en ambos lados, que transmiten potencia MW a 32 GHz, logrando una velocidad de datos de Gbits / s (10 ^ 9 bits / s). El peso de la antena se menciona como 40.000 kg, y el peso total del buque espacial es de 10 millones de kg. Claramente, si tales masas y poder pueden ser enviados a otras estrellas, la cuestión de la comunicación será trivial en comparación.
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Por Brian Wang para Next Big Future 2 de julio de 2017
Michael Hippke ha calculado cómo tener velocidades de comunicación de varios megabytes entre una sonda de vela empujada por láser y un telescopio en nuestro punto de lente gravitacional de sistemas solares. Anteriormente, Hippke había determinado cómo utilizar las presiones de fotones estelares del triple estelar α Cen A, B y C (Proxima) junto con la gravedad ayuda a desacelerar las velas solares entrantes desde la Tierra.
Hippke resuelve los problemas de la comunicación interestelar y la comunicación utilizando los puntos de lente gravitacional con más detalle.
Ha habido trabajos anteriores sobre la comunicación interestelar utilizando lentes gravitacionales para mejorar el rendimiento, tal como se describe aquí en Nextbigfuture.
Hubo un documento de 238 páginas en 2013 (David G. Messerschmitt en Berkeley), el Proyecto Ícaro y el trabajo de Benford.
Los avances tecnológicos recientes podrían hacer posible el viaje interestelar, utilizando velas ultraligeras empujadas por láseres o presión de fotones solares, a velocidades de un pequeño porcentaje de la velocidad de la luz. La obtención de datos de observación remota a partir de estas sondas no es trivial debido a su mínima instrumentación (escala de gramos) ya grandes distancias (pc). Michael Hippke deduce el esquema óptimo de comunicación para maximizar la velocidad de transmisión de datos entre una sonda remota y una base doméstica. El marco incluye modelos para la pérdida de fotones de difracción, limitaciones tecnológicas, extinción interestelar y transmisión atmosférica. Las principales fuentes de ruido son atmosféricas, zodiacales, estelares e instrumentales. Examina la capacidad máxima usando el "límite de Holevo", que da un límite superior a la cantidad de información (bits) que se puede codificar a través de un estado cuántico (fotones), que es unos pocos bits por fotón para optimizar los niveles de señal y ruido. Esto permite velocidades de datos de bits de orden por segundo por vatio desde un transmisor de tamaño 1 m a una distancia de α Centauri (1,3 pc) a un telescopio de recepción grande basado en tierra (E-ELT, 39 m). La longitud de onda óptima para esta distancia es de 300 nm (receptor basado en el espacio) a 400 nm (basada en tierra) y aumenta con la distancia, debido a la extinción, hasta un máximo de ≈ 3 μm al centro de la galaxia a 8 kpc.
Hippke aplica su marco de cálculo de extinción interestelar y estado cuántico para la codificación de fotones a la lente gravitacional solar (SGL), que amplía la apertura (y por lo tanto el flujo de fotones) del telescopio receptor por un factor de más de mil millones. Por primera vez, mostramos que el uso del SGL para fines de comunicación es posible. Esto era previamente poco claro porque el anillo de Einstein se coloca dentro del ruido coronal solar, y los factores contribuyentes son difíciles de determinar. Calcula las funciones de propagación de puntos, los tamaños de apertura, la distancia heliocéntrica y la frecuencia óptima de comunicación. La mejor longitud de onda para la comunicación interestelar cercana (menos de 100 PC) está limitada por la tecnología actual a la banda UV y óptica. Las velocidades de datos varían aproximadamente linealmente con el tamaño del telescopio SGL y con la distancia heliocéntrica. Las velocidades de datos obtenibles (receptoras) de Alpha Cen son de 1-10 Mbits por segundo por vatio para un par de telescopios de tamaño medidor, una mejora de un millón de veces en comparación con el uso del mismo telescopio de recepción sin el SGL. Un telescopio de 1 m en el SGL puede recibir datos a tasas comparables a las de un telescopio "normal" de clase km.
La influencia más fuerte en la velocidad de datos proviene de z y dSGL, y ambos son no lineales. Mientras que la sonda puede alcanzar una velocidad de transmisión de datos de 4,9 Mbits / s en z = 600 au, la tasa aumenta a 10,3 Mbits / s en z = 600 au, en rogly un factor de dos. Un aumento en la apertura de la sonda (1 metro a 10 metros) aumenta la velocidad de datos a 44,7 Mbits / s (a z = 600 au), aproximadamente un factor de diez.
Hippke ha demostrado, por primera vez, que la lente gravitacional de nuestro Sol puede ser utilizada efectivamente para la comunicación interestelar. Esto había sido previamente poco claro debido al impacto desconocido del ruido coronal. Hemos calculado las funciones de extensión de punto, los tamaños de apertura, la distancia heliocéntrica y la frecuencia óptima de comunicación de una sonda receptora en el SGL.
Las tasas de datos son mayores en un factor de un millón en comparación con los telescopios clásicos de igual tamaño. Un telescopio de 1 m en el SGL puede alcanzar la misma velocidad de recepción de datos que un telescopio clásico de 9-45 km. Si los tamaños clásicos del telescopio están restringidos al tamaño de E-ELT (39 m), los niveles de potencia en el lado del transmisor necesitan aumentar de 1W en el rango MW para igualar la velocidad de datos de una sonda SGL. Si se requieren tarifas de datos a nivel de Mbits / s, podría ser más barato invertir en vuelos espaciales al SGL. La alternativa obvia es limitar las velocidades de datos a un nivel alcanzable con telescopios más pequeños. Un solo telescopio de 39 m puede recibir datos de bits de orden por segundo por vatio de α Cen, suficiente para transmitir varias fotografías de alta resolución a lo largo de un año (Hippke 2017). Tal vez esto se juzga suficiente.
En el documento III de esta serie, vamos a relajar las limitaciones tecnológicas, principalmente en el enfoque de longitudes de onda cortas (Hippke 2017). Esto abre nuestro horizonte a las civilizaciones más avanzadas, si existen, y nos permite examinar cómo maximizarían las tasas de datos. Si las civilizaciones avanzadas valoran tanto los datos como nosotros, nuestro marco nos dirá cómo se comunican, dónde podemos buscar esa comunicación y cómo podemos unirnos a la red galáctica.
Con la tecnología actual, la resolución en el régimen mili-arcsec es posible a longitudes de onda ópticas, pero los rayos X están limitados a resoluciones angulares de 20 arcsec, una diferencia de 4 órdenes de magnitud. Por ejemplo, el satélite Swift de rayos X tiene una resolución angular de 18 arcsec a λ = 1 nm (1,5 keV) desde una abertura de 30 cm, mientras que el límite de difracción sería de 1,22λ / D = 8 × 10 -4 -4 arcsec, Por lo que Qreal / QR = 4 × 10-5. Se cree que la tecnología alcanza finalmente la resolución sub-arcsec en los rayos X, pero a expensas de los diseños grandes, con longitudes focales de 100000 km.
Un diseño de comunicación de radio interestelar más tradicional de α Cen ha sido publicado recientemente por Milne et al. (2016). Presenta escenarios para antenas con tamaños de 1-15 km en ambos lados, que transmiten potencia MW a 32 GHz, logrando una velocidad de datos de Gbits / s (10 ^ 9 bits / s). El peso de la antena se menciona como 40.000 kg, y el peso total del buque espacial es de 10 millones de kg. Claramente, si tales masas y poder pueden ser enviados a otras estrellas, la cuestión de la comunicación será trivial en comparación.
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