Vsi smo si v nekem trenutku svojega življenja zastavili to vprašanje: Koliko časa bi trajalo potovanje do zvezd? Ali je to mogoče v človekovi življenjski dobi in bi lahko tovrstna potovanja nekoč postala norma? Na to vprašanje obstaja veliko možnih odgovorov - nekateri zelo preprosti, drugi v področjih znanstvene fantastike. Toda izčrpni odgovor pomeni upoštevati veliko stvari.
Žal vsaka realna ocena verjetno prinese odgovore, ki bi futuriste in ljubitelje medzvezdnih potovanj popolnoma odvrnili. Všeč mi je ali ne, prostora je zelo veliko, naša tehnologija pa je še vedno zelo omejena. Toda če bomo kdaj razmišljali o tem, da bi "zapustili gnezdo", bomo imeli vrsto možnosti za dostop do najbližjih osončja v naši galaksiji.
Najbližja zvezda Zemlji je naše Sonce, ki je dokaj "povprečna" zvezda v glavnem zaporedju Hertzsprung-a - Russell Diagram. To pomeni, da je zelo stabilna in Zemlji zagotavlja ravno pravšnjo sončno svetlobo, da se življenje lahko razvija na našem planetu. Vemo, da obstajajo planeti, ki krožijo okoli drugih zvezd v bližini našega Osončja in mnoge od teh so podobne našim.
Če bi človeštvo v prihodnosti želelo zapustiti Osončje, bomo imeli ogromno zvezd, v katere bi lahko potovali, in mnogi bi lahko imeli ustrezne pogoje za življenje. Toda kam bi šli in koliko časa bi trajalo, da smo prišli tja? Ne pozabite, da je vse to špekulativno in trenutno ni merila za medzvezdna potovanja. Kot rečeno, tu gremo!
Najbližja zvezda:
Kot smo že omenili, je najbližja zvezda našega Osončja Proxima Centauri, zato je najbolj smiselno, da si najprej zamislimo medzvezdarsko misijo na tem sistemu. Kot del sistema trojnih zvezd, imenovanega Alpha Centauri, je Proxima od Zemlje oddaljena približno 4,24 svetlobnih let (ali 1,3 parseka). Alpha Centauri je pravzaprav najsvetlejša zvezda treh v sistemu - del tesno krožijočih binarnih 4,37 svetlobnih let od Zemlje - medtem ko je Proxima Centauri (najtemnejša od treh) izoliran rdeči pritlikavec, približno 0,13 svetlobnih let od dvojiškega .
Medtem ko medzvezdna potovanja pričarajo vse vrste pohodov hitrejših od svetlobe (FTL), od hitrosti osnove in črvičastih lukenj do poskočnih pogonov, so te teorije bodisi zelo špekulativne (kot je Alcubierre Drive) bodisi povsem provinca znanosti fikcija. Po vsej verjetnosti bo katera koli misija v vesolju verjetno potrebovala generacije, ne pa nekaj dni ali v trenutku.
Torej, začenši z eno najpočasnejših oblik potovanja v vesolje, koliko časa bo trajalo, da pridemo do Proxime Centauri?
Trenutne metode:
Vprašanje, koliko časa bi trajalo, da se nekje v vesolju odpravimo, je nekoliko lažje, če imamo opravka z obstoječo tehnologijo in telesi znotraj našega Osončja. Na primer, s tehnologijo, ki je poganjala misijo New Horizons - ki je bila sestavljena iz 16 potisnikov, ki jih poganja hidrazinski monopropelant - bi do Lune trajalo le 8 ur in 35 minut.
Po drugi strani pa je misija Evropske vesoljske agencije (ESA) SMART-1, ki je svoj čas potovala na Luno z metodo ionskega pogona. S to revolucionarno tehnologijo, ki jo odtlej vesoljsko plovilo Dawn uporablja za dosego Veste, je misija SMART-1 potrebovala eno leto, en mesec in dva tedna, da je dosegla Luno.
Torej, od hitrega raketnega vesoljskega plovila do varčnega ionskega pogona, imamo na voljo nekaj možnosti za obisk lokalnega prostora - poleg tega bi lahko Jupiter ali Saturn uporabili za zajetni gravitacijski pramen. Če pa bi razmišljali o misijah, ki bi jih nekje malo bolj ovirali, bi morali razširiti svojo tehnologijo in pogledati, kaj je resnično mogoče.
Ko govorimo o možnih metodah, govorimo o tistih, ki vključujejo obstoječo tehnologijo, ali tistih, ki še ne obstajajo, so pa tehnično izvedljive. Nekateri so, kot boste videli, časno dokazani in dokazani, drugi pa nastajajo ali so še vedno na plošči. V skoraj vseh primerih predstavljajo možen (a izredno zamuden ali drag) scenarij za doseganje tudi najbližjih zvezd ...
Ionski pogon:
Trenutno je najpočasnejša oblika pogona in najbolj varčen z ionskim motorjem. Pred nekaj desetletji je ionski pogon veljal za predmet znanstvene fantastike. Vendar se je v zadnjih letih tehnologija za podporo ionskih motorjev v veliki meri premaknila iz teorije v prakso. ESA-jeva misija SMART-1 je na primer uspešno opravila svojo misijo na Luno po 13-mesečni spiralni poti z Zemlje.
SMART-1 je uporabljal ionske potisnike na sončni pogon, pri katerih se je električna energija zbirala iz sončnih plošč in uporabljala za napajanje Hallovih potisnikov. Za poganjanje SMART-1 na Luno je bilo porabljenih le 82 kg ksenonskega pogonskega sredstva. 1 kg ksenonskega pogonskega goriva zagotavlja delta-v 45 m / s. To je zelo učinkovita oblika pogona, vendar nikakor ni hitra.
Ena prvih misij, ki je uporabljala tehnologijo ionskega pogona, je bila Globoki prostor 1 misija za Comet Borrelly, ki se je zgodila leta 1998. DS1 je uporabil tudi ksenonski ionski pogon, ki je porabil 81,5 kg pogonskega goriva. V 20-mesečnem potiskanju je DS1 med preletom kometa uspelo doseči hitrost 56.000 km / h.
Ionski potisniki so zato varčnejši od raketne tehnologije, saj je potisk na enoto mase pogonskega sredstva (a.k.a. specifični impulz) veliko večji. Toda traja dolgo časa, da ionski potisniki pospešijo vesoljsko plovilo do kakršnih koli velikih hitrosti, največja hitrost, ki jo lahko doseže, pa je odvisna od njegove dovoda goriva in koliko električne energije lahko proizvede.
Če bi torej ionski pogon uporabili za misijo v Proxima Centauri, bi potisniki potrebovali ogromen vir proizvodnje energije (tj. Jedrske energije) in veliko količino pogonskega goriva (čeprav še vedno manj kot običajne rakete). Toda glede na domnevo, da se dobava 81,5 kg ksenonskega pogonskega goriva pretvori v največjo hitrost 56.000 km / h (in da ni na voljo drugih oblik pogona, kot je gravitacijski pramen, da bi ga še pospešili), nekateri izračuni lahko narediti.
Skratka, pri največji hitrosti 56.000 km / h oz. Globoki prostor 1 bi prevzel 81.000 let prečkati 4,24 svetlobna leta med Zemljo in Proximo Centauri. Če pogledamo to časovno lestvico, bi to bilo več kot 2700 človeških generacij. Zato lahko varno rečemo, da bi bila misija medplanetarnega ionskega motorja veliko prepočasna, da bi se štela za medsebojno misijo s posadko.
Toda če bi bili ionski potisniki večji in zmogljivejši (tj. Hitrost ionskega izpuha bi morala biti bistveno večja) in bi bilo mogoče vleči dovolj pogonskega sredstva, da bi vesoljsko plovilo vodilo celotno potovanje v 4.243 svetlobnih letih, da bi bil čas potovanja lahko zelo velik zmanjšano. Kljub temu še vedno ni dovolj, da se to zgodi v življenju nekoga.
Metoda pomoč pri gravitaciji:
Najhitreje obstoječe sredstvo potovanja v vesolju je znano kot metoda Gravity Assist (Gravity Assist metoda), ki vključuje vesoljsko plovilo, ki uporablja relativno gibanje (tj. Orbito) in gravitacijo planeta, ki ga spreminjata, pot in hitrost. Gravitacijski asistenti so zelo uporabna tehnika vesoljskega letenja, zlasti pri uporabi Zemlje ali drugega masivnega planeta (kot plinov velikan) za povečanje hitrosti.
The Mariner 10 vesoljsko plovilo je prvič uporabilo to metodo, in sicer z gravitacijskim potegom Venere, da bi ga raztrgalo proti Merkuru februarja 1974. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Voyager 1 sonda je uporabljala Saturn in Jupiter za gravitacijske snežne posnetke, da je dosegla trenutno hitrost 60.000 km / h (38.000 milj / uro) in jo prenesla v medzvezdni prostor.
Vendar je bilo tisto Helios 2 misija - ki se je začela leta 1976 z namenom preučevanja medplanetarnega medija od 0,3 AU do 1 AU proti Soncu -, ki je rekord po največji hitrosti, doseženi z gravitacijsko pomočjo. Ob uri, Helios 1 (ki se je začela leta 1974) in Helios 2 držal rekord za najbližji pristop k Soncu. Helios 2 izstrelilo ga je običajno NASA Titan / Centaur lansirno vozilo in ga postavilo v zelo eliptično orbito.
Zaradi velike ekscentričnosti (0,54) sonde v sončni orbiti (190 dni) se pri periheliju oz. Helios 2 je lahko dosegel največjo hitrost več kot 240.000 km / h (150.000 milj / uro). To orbitalno hitrost smo dosegli samo z gravitacijskim potegom Sonca. Tehnično gledano Helios 2 perihelijska hitrost ni bila gravitacijska vrvica, bila je največja orbitalna hitrost, vendar še vedno drži rekord, da je bil najhitrejši predmet, ki ga je ustvaril človek, ne glede na to.
Torej če Voyager 1 je potoval v smeri rdečega pritlikavca Proxime Centauri s konstantno hitrostjo 60.000 km / h, na to razdaljo bi potreboval 76.000 let (ali več kot 2500 generacij). Ampak če bi lahko dosegel rekordno hitrost Helios 2Bližnji Sončev pristop - stalna hitrost 240.000 km / h - bi trajal 19.000 let (ali več kot 600 generacij) za potovanje 4.243 svetlobnih let. Precej boljše, vendar še vedno ne v praktičnosti.
Elektromagnetni (EM) pogon:
Predlagana metoda medzvezdnega potovanja je tudi v obliki radiofrekvenčnega potiskalnika votline, znanega tudi kot EM pogon. Prvotno ga je leta 2001 predlagal Roger K. Shawyer, znanstvenik iz Velike Britanije, ki je začel izvajati Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), da bi ga uresničil, ta pogon je zasnovan na ideji, da lahko elektromagnetne mikrovalovne votline omogočajo neposredno pretvorbo električne energije v potisk .
Medtem ko so običajni elektromagnetni potisniki zasnovani tako, da poganjajo določeno maso (na primer ionizirane delce), ta pogonski pogonski sistem ne temelji na reakcijski masi in ne oddaja usmerjenega sevanja. Takšen predlog se je spopadel z veliko mero skepse, predvsem zato, ker krši zakon o ohranitvi trenutka - ki pravi, da znotraj sistema količina zagon ostane konstantna in se ne ustvari niti ne uniči, ampak se le spremeni z delovanjem sile.
Vendar pa so nedavni poskusi z oblikovanjem očitno dali pozitivne rezultate. Julija 2014 so na 50. skupni pogonski konferenci AIAA / ASME / SAE / ASEE v Clevelandu v Ohiu raziskovalci iz Nasine napredne pogonske raziskave trdili, da so uspešno preizkusili novo zasnovo pogona z elektromagnetnim pogonom.
Temu so sledili aprila 2015, ko so raziskovalci NASA Eagleworks (del vesoljskega centra Johnson) trdili, da so pogon uspešno preizkusili v vakuumu, kar kaže, da lahko dejansko deluje v vesolju. Julija istega leta je raziskovalna ekipa oddelka za vesoljski sistem univerze Tehnologije v Dresdnu izdelala svojo različico motorja in opazila zaznaven potisk.
In leta 2010 je profesor Juan Yang s severozahodne politehniške univerze v mestu Xi'an na Kitajskem začel objavljati vrsto člankov o svojih raziskavah tehnologije EM Drive. To je doživelo vrhunec v prispevku za leto 2012, kjer je poročala o višji vhodni moči (2,5 kW) in preizkusila raven potiska (720mN). Leta 2014 je nadalje poročala o obsežnih testih, ki so vključevale notranje meritve temperature z vgrajenimi termoelementi, kar je na videz potrdilo, da sistem deluje.
Po izračunih, ki temeljijo na prototipu NASA (ki je ocenil moč 0,4 N / kilovat), bi lahko vesoljsko plovilo, opremljeno z EM pogonom, potovanje v Pluton opravilo v manj kot 18 mesecih. To je šestino časa, ko je trajalo sondo New Horizons, ki je potovala s hitrostjo blizu 58.000 km / h (36.000 mph).
Sliši se impresivno. Toda tudi pri tej stopnji bi ladja, opremljena z EM motorji, prevozila 13.000 let da bi plovilo prišlo do Proxime Centauri. Bližje bližje, vendar ne dovolj hitro! in dokler teh tehnologij ne moremo dokončno dokazati, nima smisla, da bi svoja jajca dali v to košarico.
Jedrski toplotni / jedrski električni pogon (NTP / NEP):
Druga možnost za medzvezdni vesoljski polet je uporaba vesoljskih plovil, opremljenih z jedrskimi motorji, koncept, ki ga NASA raziskuje že desetletja. V raketi jedrskega toplotnega pogona (NTP) se uran ali devterij uporabljajo za segrevanje tekočega vodika v reaktorju in ga pretvorijo v ionizirani vodikov plin (plazmo), ki se nato usmeri skozi raketno šobo za ustvarjanje potiska.
Raketa Nuklearni električni pogon (NEP) vključuje isti osnovni reaktor, ki svojo toploto in energijo pretvori v električno energijo, ki bi nato napajal električni motor. V obeh primerih bi se raketa zanašala na jedrsko cepitev ali fuzijo, da bi proizvedla pogon, ne pa kemična pogonska goriva, kar je bila doslej osnova NASA in vseh drugih vesoljskih agencij.
V primerjavi s kemičnim pogonom tako NTP kot NEC ponujata številne prednosti. Prva in najbolj očitna je praktično neomejena gostota energije, ki jo ponuja v primerjavi z raketnim gorivom. Poleg tega bi lahko jedrski motor zagotavljal tudi boljši potisk glede na količino uporabljenega pogonskega goriva. S tem bi zmanjšali skupno potrebno količinsko gorivo, s čimer bi zmanjšali težo izstrelitve in stroške posameznih misij.
Čeprav nobeden jedrsko-toplotnih motorjev še ni poletel, je bilo v zadnjih nekaj desetletjih zgrajenih in preizkušenih več oblikovnih konceptov, zato so bili predlagani številni koncepti. Te segajo od tradicionalne trdne jedrnice - kot je jedrski motor za uporabo raketnih vozil (NERVA) - do naprednejših in učinkovitejših konceptov, ki temeljijo na tekočem ali plinskem jedru.
Kljub tem prednostim glede učinkovitosti porabe goriva in specifičnega impulza ima najprefinjenejši koncept NTP največji specifični impulz 5000 sekund (50 kN · s / kg). S pomočjo jedrskih motorjev, ki jih poganja cepitev ali fuzija, znanstveniki NASA ocenjujejo, da bi potrebovali vesoljsko ladjo le 90 dni, da bi prišli do Marsa, ko bi bil planet v "nasprotovanju" - to je približno 55.000.000 km od Zemlje.
A prilagojena za enosmerno potovanje do Proxime Centauri, bo jedrska raketa še vedno trajala stoletja, da bi pospešila do točke, ko je letela delček svetlobne hitrosti. Nato bi potrebovali več desetletij potovalnega časa, čemur bi sledilo še več stoletij zaviranja, preden bi dosegli cilj. Vse povedano, še vedno govorimo 1000 let preden doseže cilj. Dobro za medplanetarne misije, ne tako dobro za medzvezdne.
Teoretične metode:
Z uporabo obstoječe tehnologije bi bil čas, potreben za pošiljanje znanstvenikov in astronavtov na medzvezdarsko misijo, pretirano počasen. Če želimo to pot opraviti v enem samem življenju ali celo generaciji, bo potrebno nekaj bolj radikalnega (aka. Zelo teoretičnega). In čeprav so črvovodne luknje in motorji za skoke na tej točki še vedno čista fikcija, je nekaj let razvitih nekaj precej naprednih idej.
Nuklearni impulzni pogon:
Pogon jedrskega impulza je teoretično možna oblika hitrega vesoljskega potovanja. Koncept je prvotno predlagal leta 1946 Stanislaw Ulam, poljsko-ameriški matematik, ki je sodeloval pri projektu na Manhattnu, predhodna izračuna pa sta nato naredila F. Reines in Ulam leta 1947. Dejanski projekt - znan kot Project Orion - se je začel leta 1958 in je trajal do leta 1963.
Orion, ki sta ga vodila Ted Taylor iz General Atomics in fizik Freeman Dyson z Inštituta za napredne študije v Princetonu, je Orion upal, da bo izkoristil moč impulzivnih jedrskih eksplozij, da bi zagotovil velik potisk z zelo visokim specifičnim impulzom (tj. Količino potiska v primerjavi s težo oz. količina sekunde, ko raketa lahko neprestano strelja).
Na kratko povedano, Orionova zasnova vključuje veliko vesoljsko plovilo z veliko zalogo termonuklearnih bojnih glav, ki doseže pogon tako, da sprosti bombo za seboj in nato sproži detonacijski val s pomočjo zadaj nameščene blazinice, imenovane "potisnik". Po vsaki eksploziji bi eksplozivna sila absorbirala to potisno blazinico, ki nato potisk prevede v zagon.
Prednost zasnove je, čeprav po sodobnih standardih težko elegantna, v tem, da doseže visok specifični impulz - kar pomeni, da z najmanjšimi stroški črpa največjo količino energije iz svojega vira goriva (v tem primeru jedrske bombe). Poleg tega bi lahko koncept teoretično dosegel zelo visoke hitrosti, nekatere ocene pa kažejo, da je številka kroglice visoka do 5% hitrosti svetlobe (ali 5,4 × 107 km / uro).
Ampak seveda, neizogibne slabosti v zasnovi. Za eno bi bila ladja takšne velikosti zgraditi neverjetno drago. Po ocenah, ki jih je leta 1968 izdelal Dyson, bi vesoljsko plovilo Orion, ki je uporabljalo vodikove bombe za proizvodnjo pogona, tehtalo od 400.000 do 4.000.000 ton. Vsaj tri četrtine te teže sestavljajo jedrske bombe, kjer vsaka bojna glava tehta približno 1 metrsko tono.
Povedano je, da so najbolj konservativne ocene družbe Dysona določile, da so skupni stroški za gradnjo plovila Orion znašali 367 milijard dolarjev. Prilagojena glede na inflacijo, to znaša približno 2,5 trilijona dolarjev - kar predstavlja več kot dve tretjini trenutnih letnih prihodkov vlade ZDA. Zato bi bilo plovilo izredno drago za izdelavo.
Obstaja tudi rahla težava vsega sevanja, ki ga proizvaja, da ne omenjam jedrskih odpadkov. Pravzaprav je verjetnost, da je bil projekt končan zaradi sprejetja Pogodbe o delni prepovedi testiranja iz leta 1963, s katero so želeli omejiti jedrske preskuse in ustaviti pretirano sproščanje jedrskega pada v atmosfero planeta.
Fusion rakete:
Druga možnost znotraj območja izkoriščene jedrske energije vključuje rakete, ki za ustvarjanje potiska zanašajo termonuklearne reakcije. Za ta koncept se ustvarja energija, ko se pelete mešanice devterij / helij-3 vžgejo v reakcijski komori z inercialnim zapiranjem z uporabo elektronskih žarkov (podobno kot pri Nacionalnem zažigalnem centru v Kaliforniji). Ta fuzijski reaktor bi detoniral 250 peletov na sekundo, da bi ustvaril visoko energijsko plazmo, ki bi jo nato usmerjala magnetna šoba za ustvarjanje potiska.
Tako kot raketa, ki se naslanja na jedrski reaktor, tudi ta koncept ponuja prednosti glede porabe goriva in specifičnega impulza. Ocenjujejo se hitrosti izpušnih plinov do 10.600 km / s, kar je daleč nad hitrostjo običajnih raket. Še več, tehnologijo smo v zadnjih nekaj desetletjih temeljito preučili in veliko predlogov je bilo.
Na primer, med letoma 1973 in 1978 je Britansko medplanetarno društvo izvedlo študijo izvedljivosti, znano kot Projekt Daedalus. Glede na trenutno znanje fuzijske tehnologije in obstoječih metod je študija pozvala k oblikovanju dvostopenjske brezpilotne znanstvene sonde, ki se je v enem samem življenju odpravila na Barnardovo zvezdo (5,9 svetlobnih let od Zemlje).
Prva stopnja, večja od obeh, bi delovala 2,05 leta in pospešila vesoljsko plovilo do 7,1% hitrosti svetlobe (o.071 c). Ta stopnja bi bila nato izpuščena, nato pa bi druga stopnja vžgala svoj motor in pospešila vesoljsko plovilo do približno 12% svetlobne hitrosti (0,12 c) v obdobju 1,8 let. Motor druge stopnje bi nato ugasnil in ladja bi začela 46-letno križarjenje.
Po ocenah projekta bi za dosego Barnardove zvezde potrebovali 50 let. Prilagojena za Proxima Centauri bi lahko izlet dosegla z isto plovilo 36 let. Seveda pa so v projektu opredelili tudi številne spoticanje, zaradi česar je bilo nemogoče uporabiti takratno trenutno tehnologijo - večina je še vedno nerešenih.
Na primer, obstaja dejstvo, da je helij-3 na Zemlji malo, kar pomeni, da bi ga morali ruditi drugje (najverjetneje na Luni). Drugič, reakcija, ki poganja vesoljsko plovilo, zahteva, da sproščena energija močno presega energijo, porabljeno za sprožitev reakcije. In čeprav so poskusi tukaj na Zemlji presegli "cilj brez prekinitve", smo še vedno daleč od vrst energije, potrebne za napajanje medzvezdne vesoljske ladje.
Tretjič, dejavnik stroškov za gradnjo takšne ladje. Tudi po skromnih standardih brezpilotnih plovil Project Daedalus bi plovilo s polnim pogonom tehtalo kar 60.000 Mt. V perspektivi je bruto teža NASA-jevega SLS nekaj več kot 30 milijonov ton, en sam začetek pa znaša 5 milijard dolarjev (na podlagi ocen, narejenih leta 2013).
Skratka, fuzijska raketa ne bi bila samo draga za gradnjo; Zahtevala bi tudi raven tehnologije fuzijskih reaktorjev, ki je trenutno zunaj naših možnosti. Icarus Interstellar, mednarodna organizacija znanstvenikov za prostovoljne državljane (nekateri izmed njih so delali za NASA ali ESA), je poskušala koncept oživiti s projektom Icarus. Skupina je bila ustanovljena leta 2009 in upa, da bo v bližnji prihodnosti med drugim možna fuzijska pogona.
Fusion Ramjet:
Poznano tudi kot Bussard Ramjet, je to teoretično obliko pogona prvič predlagal fizik Robert W. Bussard leta 1960. V bistvu gre za izboljšavo v primerjavi s standardno jedrsko fuzijsko raketo, ki uporablja magnetna polja za stiskanje vodikovega goriva do te mere, da se zliva. nastopi. Toda v primeru Ramjet, ogromen elektromagnetni lijak "odtrga" vodik iz medzvezdnega medija in ga vrže v reaktor kot gorivo.
Ko ladja pobira hitrost, se reaktivna masa sili v postopno zoženo magnetno polje in jo stisne, dokler ne pride do termonuklearne fuzije. Magnetno polje nato usmeri energijo kot raketni izpuh skozi šobo motorja in s tem posodo pospeši. Brez rezervoarjev za gorivo bi lahko fuzijski ramjet dosegel hitrost, ki bi se približala 4% hitrosti svetlobe, in potoval kamor koli v galaksiji.
Vendar pa so potencialne pomanjkljivosti te zasnove številne. Na primer, obstaja težava vlečenja. Ladja se zanaša na povečano hitrost kopičenja goriva, a ko trči z vse več medzvezdnim vodikom, lahko izgubi tudi hitrost - zlasti v gostejših regijah galaksije. Drugič, devterij in tritij (ki se uporabljata v fuzijskih reaktorjih tukaj na Zemlji) sta v vesolju redka, medtem ko sta z rednim spajanjem vodika (ki ga je veliko v vesolju) zunaj naših trenutnih metod.
Ta koncept je bil zelo populariziran v znanstveni fantastiki. Morda je najbolj znan primer tega v franšizi Zvezdne steze, kjer so "Bussard kolektorji" žareče nacelle na osnovah motorjev. V resnici pa mora naše znanje o fuzijskih reakcijah precej napredovati, preden je ramjet mogoč. Ugotoviti bi morali tudi tisto težavno težavo, preden smo začeli razmišljati o gradnji takšne ladje!
Lasersko jadro:
Sončna jadra že dolgo veljajo za stroškovno učinkovit način raziskovanja osončja. Poleg tega, da je izredno enostaven in poceni za izdelavo, je tu dodatni bonus sončnih jader, ki ne zahtevajo goriva. Namesto da bi uporabili rakete, ki potrebujejo pogonsko gorivo, jadro uporablja pritisk sevanja zvezd, da bi velika ultra tanka ogledala potisnila na visoke hitrosti.
Vendar pa bi zaradi medzvezdnega leta takšno jadro morali poganjati usmerjeni energijski žarki (tj. Laserji ali mikrovalovne pečice), da bi ga potisnili do hitrosti, ki se približuje hitrosti svetlobe. Koncept je prvotno predlagal Robert Forward leta 1984, ki je bil takrat fizik v raziskovalnih laboratorijih Hughes Aircraft.
Koncept ohranja prednosti sončnega jadra v tem, da ne potrebuje goriva na krovu, ampak tudi zaradi dejstva, da laserska energija ne razsipa z razdaljo skoraj toliko kot sončno sevanje. Čeprav bi jadro, ki ga poganja laser, potreboval nekaj časa, da bi pospešil do skoraj svetlečih hitrosti, bi bil omejen le na hitrost svetlobe.
Glede na raziskavo iz leta 2000, ki jo je izdelal Robert Frisbee, direktor naprednih študij koncepta pogona v Nasinovem laboratoriju za reaktivni pogon, bi lahko lasersko jadro v manj kot desetletju pospešili do polovice hitrosti svetlobe. Izračunal je tudi, da lahko jadro, ki meri približno 320 km (200 milj), doseže Proximo Centauri v malo večjem številu 12 let. Medtem bi v malo manj kot jamo prispelo jadro s premerom približno 965 km 9 let.
Vendar bi moralo biti takšno jadro zgrajeno iz naprednih kompozitov, da se ne bi stopilo. V kombinaciji s svojo velikostjo bi to prispevalo k lepemu peniju! Še slabši so stroški, ki nastanejo pri gradnji laserja, dovolj velikega in zmogljivega, da pripelje jadro do polovice hitrosti svetlobe. Glede na lastno študijo Frisbeeja, bi laserji potrebovali enakomeren pretok 17.000 teravatov moči - kar je skoraj toliko, kot porabi ves svet v enem dnevu.
Protimični motor:
Ljubitelji znanstvene fantastike so zagotovo že slišali za antimaterijo. V primeru, da še niste, je antimaterija v bistvu material sestavljen iz delcev, ki imajo enako maso, vendar nasproten naboj kot običajni delci. Medtem je protimikatorski motor oblika pogona, ki uporablja interakcije med snovjo in antimaterijo za ustvarjanje moči ali ustvarjanje potiska.
Skratka, antimaterijski motor vključuje delce vodika in antihidrona. Ta reakcija sprosti toliko energije kot termonuklearna bomba, skupaj s prho subatomskih delcev, imenovanih pioni in muoni. Te delce, ki bi potovali s tretjino hitrosti svetlobe, nato usmerja magnetna šoba, da ustvari potisk.
Prednost tega razreda raket je, da se lahko velik del preostale mase mešanice snovi / antimaterije pretvori v energijo, kar omogoča, da imajo rakete proti krčmi veliko višjo energijsko gostoto in specifičen impulz kot kateri koli drug predlagani razred raket. Še več, nadzor nad takšno reakcijo bi lahko raketo potisnil do polovice hitrosti svetlobe.
Ta kilogram ladje bi bil najhitrejši in najbolj varčen na svetu. Medtem ko običajne rakete potrebujejo tone kemičnega goriva, da peljejo vesoljsko ladjo do svojega cilja, bi lahko antimaterijski motor naredil enako delo z le nekaj miligrami goriva. Pravzaprav bi medsebojno uničevanje pol kilogramov vodikovih in antihidrogenskih delcev sprostilo več energije kot 10-megatonska vodikova bomba.
Prav iz tega razloga Nasine Inštitut za napredne koncepte (NIAC) je raziskal tehnologijo kot možno sredstvo za prihodnje misije na Marsu. Na žalost se pri razmišljanju o misijah v bližnje zvezdne sisteme količina goriva, ki je potrebna za izvedbo potovanja, pomnoži eksponentno, stroški, ki bi jih povzročili, pa bi bili astronomski (no pun!).
Glede na poročilo, pripravljeno za 39. skupno pogonsko konferenco in razstavo AIAA / ASME / SAE / ASEE (tudi Robert Frisbee), bi dvostopenjska raketa protitatronarja potrebovala več kot 815.000 metrskih ton (900.000 ameriških ton) goriva, da bi lahko potovala do Proxime Centauri v približno 40 letih. Kar zadeva časovne roke, to ni slabo. Ampak spet stroški ...
Medtem ko bi en gram antimaterije proizvedel neverjetno količino energije, se ocenjuje, da bi za samo en gram potrebovali približno 25 milijonov milijard kilovatnih ur energije in stalo več kot trilijon dolarjev. Trenutno je skupna količina antimaterije, ki jo je ustvaril človek, manjša od 20 nanogramov.
In četudi bi lahko proizvedli antimaterijo poceni, bi potrebovali ogromno ladjo, ki bi shranila potrebno količino goriva. Glede na poročilo dr. Darrela Smitha in Jonathana Webbyja z letalske univerze Embry-Riddle v Arizoni, bi lahko medzvezdano plovilo, opremljeno z antimaterijskim motorjem, doseglo 0,5 hitrosti svetlobe in doseglo Proximo Centauri v malo več 8 let. Vendar bi sama ladja tehtala 400 metrskih ton (441 ameriških ton) in za pot bi potrebovala 170 ton (187 ameriških ton) protimovinsko gorivo.
Možen način tega je ustvariti plovilo, ki lahko ustvari antimaterijo, ki bi jo nato lahko shranilo kot gorivo. Ta koncept, znan kot sistem za medsebojno raziskovanje raket vakuuma proti antimeriji (VARIES), je predlagal Richard Obousy iz podjetja Icarus Interstellar. Na podlagi zamisli o ponovnem polnjenju in situ se ladja VARIES opira na velike laserje (ki jih poganjajo ogromni sončni nizi), ki bi ustvarili delce antimaterije, če bi jih sprožili v praznem prostoru.
Tako kot koncept Ramjet tudi ta predlog rešuje problem prenašanja goriva tako, da ga izkoristi iz vesolja. Toda znova bi bili stroški takšne ladje neprimerno dragi z uporabo trenutne tehnologije. Poleg tega sposobnost ustvarjanja antimaterije v večjih količinah ni nekaj, kar imamo trenutno v pristojnosti. Obstaja tudi zadeva sevanja, saj lahko uničevanje snovi proti krčilu povzroči eksplozije visoko energijskih gama žarkov.
To ne predstavlja le nevarnosti za posadko, ki zahteva znatno zaščito pred sevanji, ampak zahteva tudi zaščito motorjev, da se prepreči razpadanje atomov pred vsemi sevanji, ki so jim izpostavljeni. Torej, dno je, da je antimaterijski motor z našo trenutno tehnologijo in trenutnim proračunskim okoljem povsem nepraktičen.
Alcubierre Warp Drive:
Ljubitelji znanstvene fantastike prav tako nedvomno poznajo koncept Alcubierre (ali "Warp") pogona. Leta 1994 je mehiški fizik Miguel Alcubierre predlagal poskus, da bi omogočili potovanje FTL, ne da bi kršil Einsteinovo teorijo posebne relativnosti. Skratka, koncept vključuje raztezanje tkanine prostora-časa v valu, kar bi teoretično povzročilo, da se prostor pred predmetom skrči, prostor za njim pa razširi.
Predmet znotraj tega vala (tj. Vesoljska ladja) bi lahko potem ta val, znan kot "warp mehurček", vozil onkraj relativističnih hitrosti. Ker se ladja ne premika znotraj tega mehurčka, ampak se vozi naprej, ko se premika, bi pravila prostora in časa in relativnosti prenehala veljati. Razlog za to je, da se ta metoda v lokalnem smislu ne zanaša na hitrejše premikanje kot svetloba.
Le "hitreje kot svetloba" je v tem smislu, da lahko ladja doseže svoj cilj hitreje kot snop svetlobe, ki je potoval zunaj osnove mehurčka. Ob predpostavki, da bi bilo lahko vesoljsko plovilo opremljeno s sistemom Alcubierre Drive, bi potovanje v Proxima Centauri lahko izvedli v manj kot 4 leta. Ko gre za teoretična medzvezdna potovanja v vesolje, je to daleč najbolj obetavna tehnologija, vsaj kar zadeva hitrost.
Seveda je koncept z leti dobil svoj delež nasprotnih argumentov. Glavno med njimi je dejstvo, da ne upošteva kvantne mehanike in bi jo lahko razveljavila teorija vsega (kot je kvantna gravitacija zanke). Izračuni količine potrebne energije so prav tako pokazali, da bi za delovanje osnove potrebovali previsoko količino energije. Druge negotovosti vključujejo varnost takega sistema, vplive na prostor-čas na namembnem kraju in kršitve vzročnosti.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
