Vetenskapen knappar in på Star Wars

Hyperfart och ljussablar finns bara i Star Wars, men vetenskapen ­befinner sig närmare avlägsna ­galaxer än någonsin. Filmernas värld har inspirerat forskare till nya ­upptäckter så att vi nu närmar oss en tid med robotläkare och rymdskepp som kan flyga i ljusets hastighet.

Hyperfart och ljussablar finns bara i Star Wars, men vetenskapen ­befinner sig närmare avlägsna ­galaxer än någonsin. Filmernas värld har inspirerat forskare till nya ­upptäckter så att vi nu närmar oss en tid med robotläkare och rymdskepp som kan flyga i ljusets hastighet.

För länge sedan i en galax långt, långt borta for människor iväg i rymdskepp snabbare än ljusets hastighet och utkämpade sprakande dueller med ljussablar.

De fick robotarmar, förde samtal med tre­dimensionella hologram och utplånade hela stjärnsystem med vapen stora som planeter.

Tekniken i Star Wars universum har alltid legat långt före verklighetens, men i forskarnas laboratorier håller nu tekniken sakta på att komma ifatt rymdskeppen, robotarna och läkarvetenskapen i fiktionens färgstarka värld.

En ny armprotes ­påminner om den här robotarmen från Star Wars Episod V.

© Star Wars/Lucasfilm

Inspirerade av filmerna har forskarna gjort ett antal nya upptäckter och tekniska landvinningar som redan har gett oss effektivare behandlingsmetoder, medan astronomerna hittar alltfler planeter som är förvillande lika dem som förekommer i Star Wars.

Längre fram kan vi kanske till och med få se superdatorer drivna av fotoner och rymdfarkoster som färdas i närheten av ljusets hastighet.

Medicin

Proteser går att styra med tankens kraft, och verklighetens svar på Star Wars droider är redo att ta över kirurgernas arbete.

Torpeder ger cancerbehandling

I Star Wars-filmen Ett nytt hopp från år 1977 spränger hjälten Luke Skywalker Dödsstjärnan, en militärbas stor som en måne, genom att träffa dess svagaste punkt med protontorpeder.

I vår värld har forskare vänt på tekniken och använder inte protoner som vapen, utan för att rädda liv.

Inspirerade av torpedernas höga precision utvecklar forskare så kallad protonterapi, där läkare skjuter in protoner i kroppen för att bekämpa cancertumörer.

Vid traditionell strålbehandling träffar röntgenstrålar en cancertumör med joniserande strålning, som har tillräckligt mycket energi för att slita loss elektroner ur atomer och på så sätt förstöra molekylerna i de cancerdrabbade cellerna.

Nackdelen med röntgenbehandlingen är att strålningen även skadar frisk vävnad runt cancertumören.

I Star Wars opereras patienter av läkardroider (vänster). I verkligheten använder kirurger roboten da Vinci vid komplicerade operationer (höger). För närvarande behöver da Vinci ta emot kommandon från människor, men forskarna håller på att utveckla en ny generation av maskinen som arbetar självständigt.

© Intuitive Surgical & Wookieepedia

Protoner är mer exakta.

Läkarna använder en partikelaccelerator, en så kallad synkro­tron, som accelererar protonerna till en viss energinivå så att de når in till ett visst djup i kroppen – exakt där tumören sitter.

Merparten av energin i protonerna friges samtidigt som partiklarna bromsar rörelsen genom vävnaden.

Genom att bestämma partiklarnas ”hållplats” i cancertumören kan läkarna se till att det mesta av den skadliga strålningsenergin hamnar i den sjuka vävnaden och inte förstör frisk vävnad runt ­tumören.

© Mobius Bionics LLC

Robotarm styrs med tankekraft

Armprotesen LUKE arm, som rör sig med tankekraft, kan till och med ge användaren känsel i fingrarna – detta tack vare elektroder som skickar signaler ­mellan hjärnan och armen. Armen är inspirerad av Star Wars-hjälten Luke Skywalker, som förlorar sin hand och får en verklighetstrogen protes.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Elektroder fångar hjärnsignaler

Elektroder i axeln ­ansluts till ­nervsystemet. Därifrån ­registreras signalerna från motoriska hjärnbarken, som via nervbanor skickar ­kommandon till hela kroppen.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Algoritm styr ­motorer

Ett chip tar emot ­signalerna från ­hjärnan. En algoritm ­”översätter” signalerna till kommandon. Dessa skickas till små motorer som rör på handlederna och fingrarna.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Robothand sänder känselintryck

Sensorer i handen ­registrerar temperatur och tryck – mätdata som kodas om och skickas till ­elektroderna i axeln och når sensoriska barken, där sinnesintryck ­skapas.

Se robotarmen LUKE Arm användas

Teknik

Med laserdrivna rymdfarkoster och fotonmanipulation närmar sig vetenskapen ljusets hastighet och de mytiska ljussablarna.

Hologram visar matematik i 3D

Protonterapi håller redan på att bli en etablerad teknik i operationssalarna, men en annan medicinsk teknik följer tätt i hälarna: Tredimensionella hologram.

Dessa virtuella projektioner av personer har utgjort en fast beståndsdel av Star Wars-universumet genom åren. Nu har tekniken mognat i verkligheten. Forskarna har kommit så långt med att kopiera fenomenet att läkare nu kan undersöka kroppens inre organ i tre dimensioner.

Forskare har fått fotoner som annars aldrig hänger ihop att bilda korta ­kedjor. Dessa kedjor, som är det närmaste vi i dag kommer Star Wars ­ikoniska ljussablar, kan komma till användning i ultrasnabba kvantdatorer.

© Shutterstock & Claus Lunau

Laser träffar rubidium

Ett moln av rubidiumatomer kyls ner till en miljondel av en grad över absoluta nollpunkten, -273,15 grader, vilket får atomerna att stå nästan stilla. Forskarna sänder in en ultrasvag laserstråle i molnet, så att ­endast ett fåtal fotoner i taget passerar.

© Shutterstock & Claus Lunau

Fotoner bildar kopplingar

Inne i molnet hoppar fotonerna från atom till atom. Fotonerna kan inte binda till varandra, men i kombination med en atom kan de bilda en hybrid – en polariton. Två polaritoner kan koppla ihop sig och förbinder ­därmed även fotonerna med varandra.

© Shutterstock & Claus Lunau

Fotoner ”minns” koppling

Fotonerna är samlade i grupper om tre och har en massa ­motsvarande en bråkdel av en elektron trots att de normalt saknar massa. Fotonerna släpper rubidium­atomerna när de lämnar molnet, men ”minns” kopplingen från molnet.

© Shutterstock & Claus Lunau

Vips, en ”ljussabel”!

Fotonkedjorna är det närmaste vi kommer ljussablar, som tycks ­bestå av ljus i ett fast mönster. Fotonkedjor kan användas som kvantbitar i kvantdatorer.

Australiska Voxon Photonics har exempelvis skapat verklighetstrogna tredimensionella hologram i en glaskupol. Systemet, som kallas VX1, projicerar en halv miljard ljuspunkter i sekunden. Föremålet, ­exempelvis en lever, skärs upp digitalt i hundra­tals tvärsnitt som en mycket tunnskuren flerbottnad tårta.

Varje tvärsnitt projiceras som ljus genom en bildskärm som blixtsnabbt flyttar sig upp och ner och visar varje lager så snabbt att ögat ser ett tre­dimensionellt hologram, trots att det i själva verket är en bild med många lager.

Tekniken kan inte bara användas inom läkarvetenskapen. Personerna bakom vill bland annat tillverka spelkonsoler med holo­gram, där spelarna kan slåss mot 3D-­figurer på bildskärmen framför sig.

500 miljoner ljuspunkter per sekund projiceras av hologrammaskinen VX1.

Holo­grammen kan även användas i undervisningssyfte, där skolelever kan studera allt från planeterna i solsystemet till avancerade matematiska 3D-modeller ur olika vinklar.

Verkligheten överträffar Star Wars

Den första Star Wars-filmen från år 1977 innehöll massor av tekniska science fiction-­drömmar.

När filmen kom var det fortfarande sju år tills den första mobiltelefonen kom ut på marknaden och det dröjde ytterligare 25 år innan den enkla robotdammsugaren tog världen med storm, men i filmens universum kryllade det av lasrar, soldrivna rymdskepp och intelligenta robotar.

Sedan dess har verkligheten kommit ifatt en del av Star Wars-teknikerna, som i vissa fall till och med kan framstå som föråldrade i dag.

I filmerna visar exempelvis bildskärmar korniga bilder och viktig information sparas i fysiska enheter i stället för att överföras via en krypterad internet­uppkoppling.

Star Wars-filmerna innehåller emellertid också tekniker som än i dag framstår som extrema, framför allt de mytiska ljussablarna och rymdfarkosternas enormt höga hastigheter.

Men även här närmar sig vetenskapen. Forskare runtom i världen låter sig inte avskräckas av de allra galnaste Star Wars-teknikerna – inte ens dem som utmanar fysikens lagar.

Rymdfarkosterna i Star Wars når ofta ljusets hastighet, och det är faktiskt den långsiktiga ambitionen för många rymdingenjör­er. De vill bygga motorer som närmar sig – eller till och med överstiger – ljusets hastighet. Endast så kan vi realistiskt sett färdas till avlägsna galaxer.

Astronomi

De extrema världarna i Star Wars är inte orealistiska. Forskare har hittat planeter som är förvillande lika dem i filmerna.

Astronomer hittar allt fler extrema exoplaneter som påminner om planeterna i Star Wars. Allt från isplaneter till lavaplaneter har på senare år upptäckts med teleskop.

© JPL-Caltech/NASA

Dubbelstjärnesystem: Exoplanet har två solnedgångar

Star Wars ökenplanet Tatooine har två solar. Enligt astronomerna kan cirka hälften av alla stjärnsystem ha två eller tre stjärnor. Keplerteleskopet har exempelvis hittat exoplaneten Kepler-16 b, som liksom ­Tatooine kretsar kring två stjärnor i form av en liten stjärna i omloppsbana runt en stor.

© Dana Berry/Kepler Mission/NASA

Lavaplaneter: Extrem värme smälter järn

I Star Wars finns lavaplaneten ­Mustafar. Verklighetens planet ­Kepler-10 b är ganska lik Mustafar. Den har en massa på tre–fyra gånger jordens och är 1,4 gånger större i diameter. Kepler-10 b har ingen atmosfär och temperaturen är i genomsnitt 1 400 grader, tillräckligt för att smälta järn.

© ESO & Claus lunau

Djupfrysta världar: Kilometertjock is täcker planet

Planeten OGLE-2005-BLG-390Lb ­påminner så mycket om isplaneten Hoth i Star Wars att Nasa har gett den det smeknamnet. Det tar tio år för planeten att kretsa ett varv runt sin stjärna, som har en massa som är fem gånger mindre än solens. Temperaturen på verklighetens Hoth är minus 220 grader.

Ljussegel ska nå andra stjärnor

För närvarande tror ingenjörerna mest på en ”motor” som inte använder något bränsle, det så kallade ljusseglet. Fotoner, ljusets minsta beståndsdelar, kan driva en rymd­farkost genom att överföra deras energi till en stor yta i form av ett segel.

Fotonerna har ingen massa, men eftersom de rör sig i ljusets hastighet har de energi som kan över­föras till en yta.

Rymdfarkosten StarChip kan komma upp i 20 procent av ljusets hastighet. StarChip ­accelererar genom att fotoner från lasrar på jorden ”blåser” på ett segel. Laserstrålarna ­synkroniseras för att fortsätta att träffa seglet även när det befinner sig långt ifrån jorden.

© claus lunau

Varje foton överför ytterst lite energi, men ljuspartiklarna kan fortsätta att träffa ett segel i hundratusentals kilometer.

Samtidigt saknar rymden luftmotstånd och friktion. Därför tror forskarna att man med ljusseglets hjälp ska kunna komma upp i 20 procent av ljusets hastighet.

Om man lyckas med det skulle en farkost kunna nå ut till Proxima Centauri, den närmaste stjärnan utanför solsystemet, på bara några årtionden.

I dag har rymd­sonden Voyager 1 lämnat solsystemet, men det kommer att ta 75 000 år för den att nå Proxima Centauri.

Vissa ljussegel ska enligt planen drivas med lasrar, medan andra farkoster ska accelerera med solens hjälp. Senast har organisationen Planetary Society testat LightSail 2, ett 32 kvadratmeter stort kvadratiskt solsegel.

Seglet vecklades ut den 23 juli 2019 och fyra dagar senare hade det fört en minisatellit två kilometer längre ut i rymden – enbart med hjälp av solens strålar. Testflygningen visar att fotondriften fungerar.

Warpdrift är möjlig

I Star Wars flyger rymdskepp i tusen gånger ljusets hastighet, och om vi ska kunna resa långt i universum måste forskarna närma sig gränsen för fysikens lagar. På Nasa har man tittat närmare på så kallad alcubierre­drift.

Enligt Albert Einstein kan inget objekt röra sig snabbare än ljuset i vakuum, men naturen själv bryter mot denna universella hastighetsgräns. Det är omöjligt för ett rymdskepp att färdas snabbare än ljusets hastighet, men rumtiden, allt som universum består av, kan utvidgas snabbare än så.

Det hände i universums barndom, då den utvidgades enormt mycket på bråkdelen av en sekund.

Två kilometer har en satellit flyttats upp i sin bana - enbart med hjälp av solens strålar.

Alcubierredrift utnyttjar detta fenomen genom att placera en rymdfarkost i en ”warpbubbla”, där rumtiden bakom rymdfarkosten utvidgas och rumtiden framför dras ihop.

Effekten av det lär vara att rymdfarkosten tack vare den förskjutna rumtiden kan flyga snabbare än ljusets hastighet. ­Ingenjörerna har dock ett antal problem kvar att lösa, framför allt det faktum att alcubierre­drift kräver så kallad negativ energi för att förvränga rumtiden, och negativ energi har ännu inte observerats i naturen.

Star Wars-planeten Starkiller Base slukar en hel stjärna för att avfyra sin energi. I vår värld är det bara svarta hål som kan sluka stjärnor. År 2018 observerade forskare för första gången materia som slungas ut när en kollapsande stjärna närmar sig ett svart hål.

© Star Wars/Lucasfilm & Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF

Om forskarna lyckas bygga sådana motorer har Star Wars-filmerna inte bara satt sin prägel på vetenskapen på jorden.

Då har de även bidragit till att föra människan utanför solsystemets gräns och gjort oss till en interstellär art – precis som i Star Wars.