耗资1亿美元的“突破摄星”（Breakthrough Starshot）任务旨在利用激光发射一群指甲盖大小的探测器，进行大约20年的星际旅行，前往比邻星。这项宏伟的计划面临着诸多挑战。该项目将如何把这些太空芯片发射到另一颗恒星？
“突破摄星”项目的执行董事Pete Worden和该项目的科学顾问Philip Lubin，回答了该项目面临的三个重大问题。
1亿美元的预算究竟能实现多少星际探索？
一个常见的误解是，“突破摄星”项目打算仅凭最初的1亿美元就将探测器送往比邻星。事实上，整个系统的最终成本可能与其他大型科学项目相当，例如欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider），“大约100亿美元，”Worden说。
Lubin说，1亿美元的预算将用于“对于推进至关重要的研发”。“突破摄星”项目已经确定了星际任务将面临的20多个主要技术挑战，例如制造重约1克、功能正常的航天器；制造能够承受高能激光束照射数分钟的帆；开发能够产生和储存海量能量的动力系统；以及能够同步发射、精确聚焦于数万英里外微小移动目标的强大激光束。
Lubin说，该项目目前正处于规划阶段，决定如何使用其1亿美元的预算。Lubin是加州大学圣巴巴拉分校的实验宇宙学家，他此前的研究为“突破摄星”项目奠定了基础。他表示，有了这些初始资金，“我们将建造一个10至100千瓦级的激光阵列原型，配备成像和其他传感器、激光通信系统以及原型帆的重约1克的‘星际芯片’，并探索建造完整系统所需的许多技术挑战。”
Lubin还说，该计划还可以将原型星际芯片搭载到其他机构建造和发射的行星际任务上，以了解这些芯片在太阳系内的任务中表现如何。星际芯片的优势在于它们可以大规模生产，从而实现极低的每个航天器的成本，并能够部署极其庞大的数量。“例如，一个普通行星际任务的单公斤有效载荷大约可以携带1000个星际芯片，”他说。
初步研究的一个重点将是找出项目中成本最高的部分，并设法降低这些成本。
Lubin说：“我们不仅寄希望于技术能力的逐步提升，还寄希望于在某些关键领域价格的急剧下降。”他们希望，光子学领域的进步将提高激光阵列技术的成本和功率，就像计算机的功率和成本随着时间推移而不断提高一样。
在完成这些基础研究后，项目将开始建造直径几十米的激光阵列原型，这比最终系统小得多，但足以解决最终系统在发射方面面临的所有关键挑战。“这将花费大约10亿美元——可能5亿美元，可能12亿美元，”Worden说。Lubin说，通过这个激光发射原型，“我们可以发射探测器，将它们置于各种地球轨道，甚至可能将它们送往月球。”
一旦研究人员完成了对原型的广泛测试和实验，他们就可以建造最终系统，一个占地面积约一平方公里的激光阵列。Worden说，原型系统和最终系统的成本将是巨大的，这笔资金可能来自私人捐赠者，也可能来自政府。
在“突破摄星”项目开始星际旅行之前，它可能会发射行星际任务，探索我们太阳系中神秘的角落。Worden说：“一个非常有趣的中间任务是将一个探测器送入近地星际空间，测量那里的粒子和场。”“今天，我们对于星际介质是什么样子的，至少存在数量级的 uncertainty。”
“突破摄星”的探测器将如何将报告传回地球？
“突破摄星”项目目前设想发送重约1克的星际芯片，每个芯片都使用1瓦的激光与地球通信。这样微小的激光能有效地将数据传输回地球吗？项目表示他们有解决方案。
为了接收来自每个探测器的数据，项目建议将用于发射星际芯片的激光阵列也作为大型“相控阵”望远镜，其灵敏度足以接收来自每个微型航天器的激光信号。该阵列由许多发射器组成，每个发射器都以红外或近红外波长发射。将阵列的每个元件同时作为接收器和发射器并非难事。
探测器还可以利用它们作为推进动力的反射帆作为镜子，以帮助聚焦激光，将信号通信回地球。
为了帮助抵消来自比邻星和其他恒星的眩光，这些眩光可能会淹没来自星际芯片的光信号，每个探测器都将使用一个非常窄带的激光——本质上是一种颜色非常独特的激光，研究人员可以将其与其他天空中的所有光区分开来。
Lubin计算得出，每个星际芯片可能能够以近每秒一千比特（kilobit per second）的速度直接将数据传输回地球。此外，该项目可能还会采取其他策略来提高数据传输速度。例如，“突破摄星”项目不打算只发送一个探测器到比邻星——它可能会接连发射数千个探测器组成的舰队。“你可以想象一个接力赛，一个探测器将数据传回另一个，另一个再传回另一个，”Lubin说。“但这要复杂得多，因为它们必须知道其他探测器在哪里，而且这不是首选解决方案。”
该项目并不局限于1克重的探测器——Lubin为星际飞行设定的路线图表明，“在我们要发送的探测器的质量、大小和能力方面，我们有很多灵活性，尽管航天器越重，速度就越慢，除非有更强大的激光，”Lubin说。
“突破摄星”的巨大激光阵列能否被用作武器？
Worden说，“突破摄星”项目旨在建造一个地面功率高达100吉瓦（gigawatts）的激光阵列，当它发射探测器前往比邻星时，“释放的能量与今天发射大型火箭所涉及的能量大致相当。”建造一个旨在轰击太空目标的巨型激光炮的想法很容易让人联想到汤姆·克兰西式的场景，即恐怖分子劫持该阵列进行太空战争。
Worden指出，如果激光阵列确实建成，它每天只会发射几分钟，这限制了其损害非预期目标的可能性。还将有国际协议来安排阵列的活动时间，以确保其光束不会穿越任何飞行路径。“我们已经与白宫、美国国家航空航天局（NASA）以及欧洲空间局（European Space Agency）的人员进行了沟通，很快还将与世界各地几个其他航天机构的负责人以及国家安全部门的人员进行会谈，”Worden说。他还补充说，他们很可能会联系的另一个机构是联合国和平利用外层空间委员会。
目前，激光经常出于和平目的发射到空中——例如，双子望远镜（Gemini Observatory）在夏威夷使用激光来帮助处理大气对观测产生的扭曲效应。在美国，任何向空中发射激光的人都必须首先获得美国空军激光清除中心（U.S. Air Force’s Laser Clearinghouse）的许可，其他国家也经常与激光清除中心协调，这表明它未来也可能有助于处理“突破摄星”的激光。“我个人非常熟悉激光清除中心，”一位已退休的美国空军准将Worden说。
至于担心激光阵列被劫持的问题，“你可以想象，如果一些不法分子得到了它，它可能会造成很大的破坏，但如果一个流氓国家控制了一枚火箭，情况也是如此，”Worden说。“在我们达到建造它的程度之前，我们肯定会采取国际批准的控制方法，例如可以在最后一刻启用的‘关闭开关’。这些控制措施将与今天发射大型火箭的控制措施类似。”
