- 1. del -
Če uporabljate obstoječo tehnologijo, bo potrebno zelo, zelo dolgo časa, da znanstvenike in astronavte pošljemo na medzvezdno misijo. Potovanje bo boleče dolgo (tudi po kozmičnih merilih). Če želimo takšno pot opraviti vsaj v enem življenju, no, ali generaciji, potrebujemo bolj radikalne (beri: čisto teoretične) ukrepe. In če so črvovodne luknje in motorji podprostranov trenutno popolnoma fantastični, že vrsto let obstajajo druge ideje, v katere verjamemo.
Nuklearna elektrarna
Jedrska elektrarna je teoretično mogoč "motor" za hitro vesoljsko potovanje. Koncept je prvotno predlagal Stanislaw Ulam leta 1946, poljsko-ameriški matematik, ki je sodeloval pri projektu Manhattan, predhodne izračune pa sta leta 1947 naredila F. Reines in Ulam. Projekt Orion se je začel leta 1958 in je obstajal do leta 1963.
Orion pod vodstvom Teda Taylorja iz Splošne atomike in fizika Freemana Dysona z Inštituta za napredne študije na Princetonu bi Orion izkoristil moč impulzivnih jedrskih eksplozij, da bi dosegel ogromen potisk z zelo visokim specifičnim impulzom.
Promocijski video:
Na kratko, Project Orion vključuje veliko vesoljsko plovilo, ki nabira hitrost s podpiranjem termonuklearnih bojnih glav, izstrelitvijo bomb za seboj in pospeševanjem, ko eksplozijski val pobegne v potisni potisni pogon, potisno ploščo. Po vsakem pritisku ta plošča absorbira silo eksplozije in jo pretvori v gibanje naprej.
Čeprav je ta zasnova po sodobnih standardih komajda elegantna, je prednost koncepta ta, da zagotavlja visok specifični potisk - to je, da črpa največjo količino energije iz vira goriva (v tem primeru jedrske bombe) z najnižjimi stroški. Poleg tega lahko ta koncept teoretično pospeši zelo visoke hitrosti, po nekaterih ocenah do 5% hitrosti svetlobe (5,4 x 107 km / h).
Seveda ima ta projekt neizogibne slabosti. Po eni strani bi bila ladja takšne velikosti zelo draga za gradnjo. Leta 1968 je Dyson ocenil, da bo vesoljsko plovilo Orion, ki ga poganja vodikova bomba, tehtalo med 400.000 in 4.000.000 ton. Vsaj tri četrtine te teže bodo izvirale iz jedrskih bomb, od katerih vsaka tehta približno eno tono.
Dysonova konservativna ocena je pokazala, da bi skupni stroški gradnje Oriona znašali 367 milijard dolarjev. Prilagojen za inflacijo ta znesek znaša 2,5 bilijona dolarjev, kar je precej. Tudi z najbolj konservativnimi ocenami bo naprava izjemno draga za izdelavo.
Obstaja tudi majhen problem sevanja, ki ga bo oddajalo, da ne omenjam jedrskih odpadkov. Menijo, da je to razlog, da je bil projekt preklican s pogodbo o delni prepovedi preskusov iz leta 1963, ko so svetovne vlade poskušale omejiti jedrske preskuse in ustaviti prekomerno sproščanje radioaktivnih padavin v atmosfero planeta.
Rakete za jedrsko fuzijo
Druga možnost uporabe jedrske energije so termonuklearne reakcije za ustvarjanje potiska. V tem konceptu mora biti energija ustvarjena z inercialno zaprto vžigalnimi kroglicami mešanice devterija in helija-3 v reakcijski komori z uporabo elektronskih žarkov (podobno kot pri Nacionalnem vžigalnem kompleksu v Kaliforniji). Takšen fuzijski reaktor bi eksplodiral 250 peletov na sekundo in ustvaril visoko energijsko plazmo, ki bi jo nato preusmerili v šobo in ustvarili potisk.
Tako kot raketa, ki temelji na jedrskem reaktorju, ima tudi ta koncept prednosti glede porabe goriva in specifičnega impulza. Ocenjena hitrost naj bi dosegla 10.600 km / h, kar je precej nad omejitvami hitrosti običajnih raket. Poleg tega je bila ta tehnologija v zadnjih nekaj desetletjih temeljito preučena in veliko je bilo predloženih.
Na primer, med letoma 1973 in 1978 je Britansko medplanetarno društvo izvedlo študijo izvedljivosti za projekt Daedalus. Na podlagi sodobnega znanja in tehnologije termonuklearne fuzije so znanstveniki pozvali k gradnji dvostopenjske brezpilotne znanstvene sonde, ki bi lahko v času človekovega življenja dosegla Barnardovo zvezdo (5,9 svetlobnih let od Zemlje).
Prva etapa, največja od obeh, bi trajala 2,05 leta in plovilo pospešila na 7,1% hitrosti svetlobe. Potem se ta stopnja zavrže, druga se vžge, aparat pa v 1,8 letih pospeši na 12% svetlobne hitrosti. Nato se motor druge stopnje ugasne in ladja leti že 46 let.
Projekt Daedalus ocenjuje, da bi potrebovali 50 let, da dosežejo Barnardovo zvezdo. Če do Proxime Centauri, bo ista ladja prišla čez 36 let. Seveda pa projekt vključuje veliko nerešenih vprašanj, zlasti nerešljivih z uporabo sodobnih tehnologij - in večina jih še ni bila rešena.
Na primer, na Zemlji praktično ni helija-3, kar pomeni, da ga bo treba izkopavati drugje (najverjetneje na Luni). Drugič, reakcija, ki poganja plovilo, zahteva, da je oddana energija veliko večja od energije, porabljene za sprožitev reakcije. In čeprav so poskusi na Zemlji že presegli "točko preboja", smo še vedno daleč od količine energije, ki lahko napaja medzvezdarsko vozilo.
Tretjič, ostaja vprašanje stroškov takega plovila. Tudi po skromnih standardih brezpilotnega vozila Project Daedalus bi popolnoma opremljeno vozilo tehtalo 60.000 ton. Samo tako, da veste, znaša bruto teža NASA SLS nekaj več kot 30 metrskih ton, samo izstrelitev pa bo stala 5 milijard dolarjev (ocene 2013).
Skratka, fuzijska raketa ne bo samo predraga za izdelavo, ampak bo zahtevala tudi raven fuzijskega reaktorja, ki je daleč preko naših zmogljivosti. Icarus Interstellar, mednarodna organizacija civilnih znanstvenikov (nekateri izmed njih so delali za NASA ali ESA), poskuša koncept oživiti s projektom Icarus. Skupina, sestavljena leta 2009, upa, da bo omogočila gibanje fuzije (in druge) v dogledni prihodnosti.
Termonuklearni ramjet
Motor znan tudi kot Bussard ramjet, motor je leta 1960 prvi predlagal fizik Robert Bussard. V njenem jedru gre za izboljšanje standardne termonuklearne rakete, ki uporablja magnetna polja za stiskanje vodikovega goriva do točke zlitja. Toda v primeru ramjetnega motorja ogromen elektromagnetni lijak sesa vodik iz medzvezdnega medija in ga vliva v reaktor kot gorivo.
Ko vozilo pobira hitrost, reaktivna masa vstopi v omejevalno magnetno polje, ki ga stisne, preden se začne fuzija. Magnetno polje nato usmeri energijo v šobo rakete in pospeši ladjo. Ker ga noben rezervoar za gorivo ne bo upočasnil, lahko termonuklearni ramjet doseže hitrosti 4% svetlobe in se odpravi kamor koli v galaksiji.
Kljub temu ima to poslanstvo veliko možnih pomanjkljivosti. Na primer problem trenja. Vesoljsko plovilo se zanaša na visoke stopnje zbiranja goriva, vendar bo trčilo tudi pri velikih količinah medzvezdnega vodika in izgubilo hitrost - zlasti v gostih območjih galaksije. Drugič, v vesolju ni veliko devterija in tricija (ki se uporabljata v reaktorjih na Zemlji) in sinteza navadnega vodika, ki ga je v izobilju vesolje, je še vedno zunaj našega nadzora.
Vendar je znanstvena fantastika vzljubila ta koncept. Najbolj znan primer je morda franšize Star Trek, ki uporablja Bussard Collectors. V resnici naše razumevanje fuzijskih reaktorjev ni niti približno tako popolno, kot bi želeli.
Lasersko jadro
Sončna jadra že dolgo veljajo za učinkovit način osvajanja sončnega sistema. Poleg tega, da so relativno preprosti in poceni izdelati, imajo velik plus: ne potrebujejo goriva. Namesto da bi uporabili rakete, ki potrebujejo gorivo, jadro uporablja pritisk sevanja zvezd, da poganja ultra tanka ogledala do velikih hitrosti.
V primeru medzvezdnega leta bi moralo takšno jadro poganjati osredotočeni žarki energije (laser ali mikrovalovni pečici), da bi pospešili do hitrosti blizu svetlobe. Koncept je prvi predlagal Robert Forward leta 1984, fizik v laboratoriju za zrakoplove Hughes.
Njegove ideje ohranjajo prednosti sončnega jadra v tem, da na krovu ne potrebuje goriva, prav tako pa tudi, da se laserska energija ne razprši na razdaljo enako kot sončno sevanje. Medtem ko bo lasersko jadro potrebovalo nekaj časa, da pospeši do skoraj svetlobne hitrosti, bo posledično omejeno le s hitrostjo same svetlobe.
Glede na študijo iz leta 2000 Roberta Frisbeeja, direktorja naprednih pogonskih raziskav v Nasinem laboratoriju za reaktivni pogon, bi lasersko jadro v manj kot desetih letih doseglo polovico svetlobne hitrosti. Izračunal je tudi, da lahko jadro s premerom 320 kilometrov v 12 letih doseže Proxima Centauri. Medtem bo jadranje s premerom 965 kilometrov prispelo v samo 9 letih.
Toda takšno jadro bo treba zgraditi iz naprednih kompozitnih materialov, da se izognemo taljenju. Kar bo še posebej težko glede na velikost jadra. Stroški so še slabši. Po Frisbeejevem mnenju bodo laserji potrebovali enakomeren tok 17.000 teravatov energije - približno toliko, kot porabi ves svet v enem dnevu.
Antimaterijski motor
Ljubitelji znanstvene fantastike dobro vedo, kaj je antimaterija. Če pa ste pozabili, je antimaterija snov, sestavljena iz delcev, ki imajo enako maso kot navadni delci, vendar z nasprotnim nabojem. Antimaterijski motor je hipotetični motor, ki se pri ustvarjanju energije ali ustvarjanju potiska zanaša na interakcije med snovjo in antimaterijo.
Skratka, antimaterijski motor uporablja med seboj delce vodika in antihidrogena. Energija, sproščena v procesu uničevanja, je po volumnu primerljiva z energijo eksplozije termonuklearne bombe, ki jo spremlja tok subatomskih delcev - pionov in mionov. Ti delci, ki potujejo s tretjino hitrosti svetlobe, se preusmerijo v magnetno šobo in ustvarijo potisk.
Prednost tega razreda raket je, da se večina mase mešanice snovi / antimaterije lahko pretvori v energijo, kar zagotavlja visoko energijsko gostoto in specifičen impulz, ki je boljši od katere koli druge rakete. Poleg tega lahko reakcija uničevanja raketo pospeši do polovice hitrosti svetlobe.
Ta razred raket bo najhitrejši in najbolj energetsko učinkovit (ali nemogoč, vendar predlagan). Če običajne kemične rakete potrebujejo tone goriva za pogon vesoljskega plovila do cilja, bo antimaterijski motor opravil enako delo z nekaj miligrami goriva. Medsebojno uničenje pol kilograma vodikovih in antihidrogenskih delcev sprosti več energije kot 10-megatonska vodikova bomba.
Zato NASA-in inštitut za napredne koncepte raziskuje to tehnologijo, kot je mogoče za prihodnje misije na Mars. Žal se ob pogledu na misije bližnjih zvezdnih sistemov količina potrebnega goriva poveča eksponentno, stroški pa postanejo astronomski (in to ni kazen).
Glede na poročilo, pripravljeno za 39. skupno pogonsko konferenco in razstavo AIAA / ASME / SAE / ASEE, bo dvostopenjska raketa protitatrosa potrebovala več kot 815.000 metrskih ton goriva, da bi v 40 letih dosegli Proxima Centauri. Sorazmerno hitro. Toda cena …
Čeprav en gram antimaterije proizvede neverjetno količino energije, bi za samo en gram potrebovali 25 milijonov milijard kilovatnih ur energije in bi znašal trilijon dolarjev. Trenutno je skupna količina antimaterije, ki jo je ustvaril človek, nižja od 20 nanogramov.
In četudi bi lahko antimaterijo proizvedli poceni, bi potrebovali ogromno ladjo, ki bi lahko hranila potrebno količino goriva. Glede na poročilo dr. Darrela Smitha in Jonathana Webbyja z letalske univerze Embry-Riddle v Arizoni, bi lahko medzvezdna ladja, ki deluje na protitatro, pobrala 0,5 svetlobne hitrosti in v nekaj več kot 8 letih dosegla Proximo Centauri. Kljub temu bi ladja tehtala 400 ton in bi potrebovala 170 ton antimaterijskih goriv.
Možen način tega je ustvariti plovilo, ki bo ustvarilo antimaterijo in ga nato uporabilo kot gorivo. Ta koncept, znan kot sistem za medsebojno raziskovanje raket vakuuma proti antimatriki (VARIES), je predlagal Richard Obausi iz podjetja Icarus Interstellar. Na podlagi ideje o predelavi na kraju samem bi ladja VARIES uporabljala velike laserje (ki jih poganjajo ogromni sončni paneli), ki ustvarjajo delce antimaterije, ko jih sprožijo v prazen prostor.
Podobno kot koncept s termonuklearnim ramjet motorjem tudi ta predlog rešuje problem transporta goriva tako, da ga črpajo neposredno iz vesolja. Toda spet bodo stroški takšne ladje izjemno visoki, če bodo zgrajeni z našimi sodobnimi metodami. Enostavno ne moremo ustvariti antimaterije v množičnem obsegu. Treba je odpraviti tudi problem sevanja, saj izničenje snovi in antimaterije povzroči razpoke visokoenergijskih gama žarkov.
Ne predstavljajo le nevarnosti za posadko, ampak tudi za motor, da se pod vplivom vsega tega sevanja ne razpadejo na subatomske delce. Skratka, antimaterijski motor je z našo trenutno tehnologijo popolnoma nepraktičen.
Alcubierre Warp Drive
Ljubitelji znanstvene fantastike nedvomno poznajo koncept warp pogona (ali Alcubierre pogona). Ta zamisel je leta 1994 predlagal mehiški fizik Miguel Alcubierre, poskus zamisli trenutnega gibanja v vesolju, ne da bi kršil Einsteinovo posebno teorijo relativnosti. Skratka, ta koncept vključuje raztezanje tkanine vesoljskega časa v val, kar bi teoretično povzročilo, da se prostor pred objektom skrči in za njim razširi.
Predmet znotraj tega vala (naša ladja) bo lahko jahal na tem valu, saj je v "warp mehurčku", s hitrostjo, veliko višjo od relativistične. Ker se ladja sama ne premika po mehurčku, ampak jo nosi, zakoni relativnosti in prostora-časa ne bodo kršeni. Pravzaprav ta metoda ne vključuje gibanja hitreje od svetlobne hitrosti v lokalnem smislu.
"Hitreje kot svetloba" je le v tem smislu, da lahko ladja doseže svoj cilj hitreje kot žarek svetlobe, ki potuje zunaj osnove. Ob predpostavki, da bo vesoljsko plovilo opremljeno s sistemom Alcubierre, bo Proxima Centauri prispelo čez manj kot 4 leta. Če govorimo o teoretičnem medzvezdnem potovanju v vesolje, je to glede na hitrost najbolj obetavna tehnologija.
Seveda je ves ta koncept izjemno sporen. Argumenti, na primer, vključujejo to, da ne upošteva kvantne mehanike in da jo lahko teorija o vsem zavrača (kot kvantna gravitacija zanke). Izračuni potrebne količine energije so prav tako pokazali, da bi bil osnoven pogon pretirano izjemen. Druge negotovosti vključujejo varnost takega sistema, prostorsko-časovne učinke na namembnem kraju in kršitve vzročnosti.
Vendar je leta 2012 znanstvenik NASA Harold White povedal, da sta s sodelavci začela raziskovati možnost nastanka motorja Alcubierre. White je izjavil, da so zgradili interferometer, ki bo zajel prostorska popačenja, ki nastanejo s širitvijo in krčenjem vesoljskega časa metrike Alcubierre.
Leta 2013 je laboratorij Jet Propulsion objavil rezultate preskusov osnove, ki so bili izvedeni pod vakuumskimi pogoji. Na žalost so bili rezultati ocenjeni kot "nesprejemljivi". Dolgoročno lahko ugotovimo, da metrika Alcubierre krši enega ali več temeljnih naravnih zakonov. In četudi se njegova fizika izkaže za pravilno, ni nobenega zagotovila, da bo sistem Alcubierre mogoče uporabiti za let.
Na splošno je vse kot običajno: rojeni ste bili prezgodaj, da bi potovali do najbližje zvezde. Kljub temu, če človeštvo čuti potrebo po izgradnji "medzvezdnega kovčka", ki bo gostil samooskrbno človeško družbo, bo trajalo sto let, da pride do Proxime Centauri. Če seveda želimo investirati v tak dogodek.
Časovno so vse razpoložljive metode videti zelo omejene. In če bomo stotine tisoč let preživeli na potovanju do najbližje zvezde, nas bo morda malo zanimalo, ko je na kocki lastno preživetje, ko se vesoljska tehnologija razvija, bodo metode ostale zelo nepraktične. Ko bo naš ark dosegel najbližjo zvezdo, bodo njegove tehnologije zastarele in človeštvo samo po sebi morda ne bo več.
Torej, če ne bomo naredili večjega preboja fuzije, antimaterije ali laserske tehnologije, bomo zadovoljni z raziskovanjem lastnega osončja.
Na podlagi materialov podjetja Universe Today
- 1. del -