- Część 2 -
W pewnym momencie życia każdy z nas zadał sobie pytanie: jak długo lecieć do gwiazd? Czy można taki lot wykonać w życiu jednego człowieka, czy takie loty mogą stać się normą życia codziennego? Odpowiedzi na to trudne pytanie jest wiele, w zależności od tego, kto pyta. Niektóre są proste, inne trudniejsze. Aby znaleźć ostateczną odpowiedź, należy wziąć pod uwagę zbyt wiele rzeczy.
Niestety nie ma prawdziwych szacunków, które pomogłyby znaleźć taką odpowiedź, a to frustruje futurystów i entuzjastów podróży międzygwiezdnych. Czy nam się to podoba, czy nie, przestrzeń jest bardzo duża (i złożona), a nasza technologia jest nadal ograniczona. Ale jeśli kiedykolwiek zdecydujemy się opuścić nasze „domowe gniazdo”, będziemy mieli kilka sposobów, aby dostać się do najbliższego układu gwiezdnego w naszej galaktyce.
Najbliższą Ziemi gwiazdą jest Słońce, dość „przeciętna” gwiazda według schematu „ciągu głównego” Hertzsprunga-Russella. Oznacza to, że gwiazda jest bardzo stabilna i zapewnia wystarczającą ilość światła słonecznego do rozwoju życia na naszej planecie. Wiemy, że inne planety krążą wokół gwiazd w pobliżu naszego Układu Słonecznego, a wiele z tych gwiazd jest podobnych do naszych.
Możliwe światy nadające się do zamieszkania we Wszechświecie
W przyszłości, jeśli ludzkość zechce opuścić Układ Słoneczny, będziemy mieli ogromny wybór gwiazd, do których moglibyśmy się udać, a wiele z nich może mieć sprzyjające warunki do życia. Ale dokąd zmierzamy i ile czasu zajmie nam dotarcie na miejsce? Należy pamiętać, że to wszystko spekulacje i obecnie nie ma żadnych punktów orientacyjnych dla podróży międzygwiezdnych. Cóż, jak powiedział Gagarin, chodźmy! Film promocyjny:
Sięgnij po gwiazdę
Jak już wspomniano, najbliższą gwiazdą naszego Układu Słonecznego jest Proxima Centauri, dlatego warto rozpocząć z nią planowanie misji międzygwiazdowej. Część układu potrójnego gwiazd Alfa Centauri, Proxima, znajduje się 4,24 lat świetlnych (1,3 parseku) od Ziemi. Alfa Centauri jest w rzeczywistości najjaśniejszą gwiazdą z całej trójki w układzie, częścią bliskiego układu podwójnego znajdującego się 4,37 lat świetlnych od Ziemi - podczas gdy Proxima Centauri (najsłabsza z trzech) jest izolowanym czerwonym karłem oddalonym o 0,13 roku świetlnego. z podwójnego systemu.
I chociaż rozmowy o podróżach międzygwiezdnych sugerują wszelkiego rodzaju podróże szybsze niż światło (FAS), od prędkości warp po tunele czasoprzestrzenne po silniki podprzestrzenne, takie teorie są albo wysoce fikcyjne (jak silnik Alcubierre'a), albo istnieją tylko w science fiction. … Każda misja w kosmos będzie obejmować pokolenia ludzi.
A więc zaczynając od jednej z najwolniejszych form podróży kosmicznych, ile czasu zajmuje dotarcie do Proxima Centauri?
Nowoczesne metody
Kwestia szacowania czasu trwania podróży w kosmos jest znacznie łatwiejsza, jeśli zaangażowane są w to istniejące technologie i ciała w naszym Układzie Słonecznym. Na przykład, korzystając z technologii wykorzystywanej przez misję New Horizons, czyli 16 hydrazynowych silników jednopaliwowych, można dotrzeć na Księżyc w zaledwie 8 godzin i 35 minut.
Istnieje również misja SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej, która została skierowana w kierunku Księżyca za pomocą ciągu jonowego. Dzięki tej rewolucyjnej technologii, której wariant był używany również przez sondę Dawn do dotarcia do Westy, SMART-1 potrzebował roku, miesiąca i dwóch tygodni, aby dotrzeć do Księżyca.
Od szybkiej rakiety kosmicznej po ekonomiczny napęd jonowy, mamy kilka opcji poruszania się po lokalnej przestrzeni - a ponadto możesz użyć Jowisza lub Saturna jako gigantycznej procy grawitacyjnej. Niemniej jednak, jeśli planujemy pójść trochę dalej, będziemy musieli rozwinąć potęgę technologii i zbadać nowe możliwości.
Kiedy mówimy o możliwych metodach, mówimy o tych, które obejmują istniejące technologie lub te, które jeszcze nie istnieją, ale są technicznie wykonalne. Niektóre z nich, jak zobaczysz, są sprawdzone w czasie i potwierdzone, podczas gdy inne są nadal kwestionowane. Krótko mówiąc, przedstawiają możliwy, ale bardzo czasochłonny i kosztowny scenariusz podróży nawet do najbliższej gwiazdy.
Ruch jonowy
Obecnie najwolniejszą i najbardziej ekonomiczną formą silnika jest silnik jonowy. Kilkadziesiąt lat temu napęd jonowy był przedmiotem science fiction. Jednak w ostatnich latach technologie wspomagania napędu jonowego przeszły od teorii do praktyki i z wielkim sukcesem. Misja SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej jest przykładem udanej misji na Księżyc w ciągu 13 miesięcy ruchu spiralnego z Ziemi.
SMART-1 wykorzystywał silniki z jonami słonecznymi, w których energia elektryczna była zbierana przez panele słoneczne i używana do zasilania silników z efektem Halla. Wystarczyło 82 kilogramy paliwa ksenonowego, aby SMART-1 znalazł się na Księżycu. 1 kilogram paliwa ksenonowego zapewnia delta-V 45 m / s. To niezwykle skuteczna forma ruchu, ale daleka od najszybszej.
Jedną z pierwszych misji wykorzystujących technologię napędu jonowego była misja Deep Space 1 na kometę Borrelli w 1998 roku. DS1 wykorzystywał również silnik z jonami ksenonowymi i zużywał 81,5 kg paliwa. Przez 20 miesięcy ciągu DS1 rozwijał prędkość 56 000 km / h w momencie przelotu komety.
Silniki jonowe są bardziej ekonomiczne niż technologie rakietowe, ponieważ ich ciąg na jednostkę masy paliwa rakietowego (impuls właściwy) jest znacznie wyższy. Jednak silniki jonowe potrzebują dużo czasu, aby przyspieszyć statek kosmiczny do znacznych prędkości, a prędkość maksymalna zależy od paliwa i wytwarzania energii.
Dlatego jeśli w misji na Proxima Centauri używany jest napęd jonowy, silniki muszą mieć potężne źródło energii (energia jądrowa) i duże rezerwy paliwa (choć mniejsze niż konwencjonalne rakiety). Ale jeśli zaczniesz od założenia, że 81,5 kg paliwa ksenonowego przekłada się na 56 000 km / h (a innych form ruchu nie będzie), możesz dokonać obliczeń.
Przy maksymalnej prędkości 56 000 km / h, Deep Space 1 potrzebowałby 81 000 lat na przebycie 4,24 lat świetlnych między Ziemią a Proxima Centauri. Z czasem jest to około 2700 pokoleń ludzi. Można śmiało powiedzieć, że międzyplanetarny napęd jonowy będzie zbyt wolny dla załogowej misji międzygwiezdnej.
Ale jeśli silniki jonowe są większe i mocniejsze (to znaczy szybkość wychodzenia jonów jest znacznie wyższa), jeśli jest wystarczająco dużo paliwa rakietowego, które wystarcza na całe 4,24 lat świetlnych, czas podróży znacznie się skróci. Ale mimo to będzie znacznie dłuższy niż okres życia ludzkiego.
Manewr grawitacyjny
Najszybszym sposobem podróżowania w kosmosie jest użycie wspomagania grawitacyjnego. Ta metoda polega na wykorzystaniu przez statek kosmiczny względnego ruchu (tj. Orbity) i grawitacji planety, aby zmienić swoją ścieżkę i prędkość. Manewry grawitacyjne są niezwykle przydatną techniką podczas lotów kosmicznych, zwłaszcza gdy do przyspieszania wykorzystuje się Ziemię lub inną masywną planetę (np. Gazowego olbrzyma).
Sonda kosmiczna Mariner 10 jako pierwsza zastosowała tę metodę, wykorzystując przyciąganie grawitacyjne Wenus do przyspieszenia w kierunku Merkurego w lutym 1974 roku. W latach 80-tych sonda Voyager 1 wykorzystała Saturna i Jowisza do manewrów grawitacyjnych i przyspieszenia do 60 000 km / h, po czym nastąpiło wyjście w przestrzeń międzygwiazdową.
Misja Helios 2, która rozpoczęła się w 1976 roku i miała zbadać środowisko międzyplanetarne pomiędzy 0,3 AU. e. i 1 a. Oznacza to, że od Słońca utrzymuje się rekord największej prędkości uzyskanej za pomocą manewru grawitacyjnego. W tym czasie Helios 1 (zwodowany w 1974 r.) I Helios 2 były rekordzistami pod względem najbliższego podejścia do Słońca. Helios 2 został wystrzelony przez konwencjonalną rakietę i umieszczony na bardzo wydłużonej orbicie.
Ze względu na dużą ekscentryczność (0,54) 190-dniowej orbity słonecznej, na peryhelium Helios 2 zdołał osiągnąć maksymalną prędkość ponad 240 000 km / h. Ta prędkość orbitalna została rozwinięta jedynie przez grawitacyjne przyciąganie Słońca. Technicznie rzecz biorąc, prędkość peryhelium Heliosa 2 nie była wynikiem manewru grawitacyjnego, ale maksymalnej prędkości orbitalnej, ale urządzenie nadal posiada rekord najszybszego sztucznego obiektu.
Gdyby Voyager 1 poruszał się w kierunku czerwonego karła Proxima Centauri ze stałą prędkością 60 000 km / h, pokonanie tej odległości zajęłoby 76 000 lat (lub ponad 2500 pokoleń). Gdyby jednak sonda miała osiągnąć rekordową prędkość Heliosa 2 - stałą prędkość 240 000 km / h - przebycie 4 243 lat świetlnych zajęłoby 19 000 lat (lub ponad 600 pokoleń). Znacznie lepiej, choć nie praktycznie.
Silnik elektromagnetyczny EM Drive
Inną proponowaną metodą podróży międzygwiazdowych jest rezonansowy silnik wnękowy o częstotliwości radiowej, znany również jako EM Drive. Zaproponowany w 2001 roku przez Rogera Scheuera, brytyjskiego naukowca, który stworzył Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) w celu realizacji projektu, silnik opiera się na pomyśle, że elektromagnetyczne wnęki mikrofalowe mogą bezpośrednio przekształcać energię elektryczną w ciąg.
Podczas gdy tradycyjne silniki elektromagnetyczne są zaprojektowane do napędzania określonej masy (takiej jak zjonizowane cząsteczki), ten konkretny układ napędowy nie jest zależny od reakcji masy i nie emituje promieniowania kierunkowego. Generalnie silnik ten został przyjęty ze sporym sceptycyzmem, głównie dlatego, że narusza prawo zachowania pędu, zgodnie z którym pęd układu pozostaje stały i nie można go stworzyć ani zniszczyć, a jedynie zmienić pod działaniem siły.
Niemniej jednak ostatnie eksperymenty z tą technologią wyraźnie przyniosły pozytywne rezultaty. W lipcu 2014 r. Na 50. konferencji AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference w Cleveland, Ohio, zaawansowani naukowcy NASA ogłosili, że pomyślnie przetestowali nowy projekt silnika elektromagnetycznego.
W kwietniu 2015 roku naukowcy z NASA Eagleworks (część Johnson Space Center) powiedzieli, że pomyślnie przetestowali silnik w próżni, co może wskazywać na możliwe zastosowanie w kosmosie. W lipcu tego roku grupa naukowców z wydziału systemów kosmicznych Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie opracowała własną wersję silnika i zaobserwowała namacalny ciąg.
W 2010 roku profesor Zhuang Yang z Northwestern Polytechnic University w Xi'an w Chinach zaczęła publikować serię artykułów na temat swoich badań nad technologią EM Drive. W 2012 roku odnotował wysoką moc wejściową (2,5 kW) i stały ciąg 720 mln. W 2014 roku przeprowadziła również szeroko zakrojone testy, w tym pomiary temperatury wewnętrznej z wbudowanymi termoparami, które wykazały, że układ działa.
Zgodnie z obliczeniami opartymi na prototypie NASA (któremu nadano moc 0,4 N / kilowat), statek kosmiczny o napędzie elektromagnetycznym może odbyć podróż na Plutona w mniej niż 18 miesięcy. To sześć razy mniej niż wymagała sonda New Horizons, która poruszała się z prędkością 58 000 km / h.
Brzmi imponująco. Ale nawet w tym przypadku statek na silnikach elektromagnetycznych będzie latał do Proxima Centauri przez 13 000 lat. Blisko, ale wciąż za mało. Ponadto, dopóki wszystkie kropki nie zostaną kropkowane w tej technologii, jest za wcześnie, aby mówić o jej zastosowaniu.
Jądrowy napęd termiczny i jądrowy napęd elektryczny
Inną możliwością wykonania lotu międzygwiazdowego jest użycie statku kosmicznego wyposażonego w silniki jądrowe. NASA badała takie opcje od dziesięcioleci. Rakieta z termicznym napędem jądrowym mogłaby wykorzystywać reaktory uranowe lub deuterowe do ogrzewania wodoru w reaktorze, przekształcając go w zjonizowany gaz (plazmę wodorową), który następnie byłby kierowany do dyszy rakiety, generując ciąg.
Rakieta o napędzie atomowym zawiera ten sam reaktor, który przekształca ciepło i energię w energię elektryczną, która następnie zasila silnik elektryczny. W obu przypadkach rakieta będzie opierać się na syntezie jądrowej lub rozszczepieniu jądrowym do generowania ciągu, a nie na paliwie chemicznym, na którym działają wszystkie nowoczesne agencje kosmiczne.
W porównaniu z silnikami chemicznymi silniki jądrowe mają niezaprzeczalne zalety. Po pierwsze, jest to praktycznie nieograniczona gęstość energii w porównaniu z paliwem rakietowym. Ponadto silnik jądrowy będzie generował większy ciąg niż ilość zużytego paliwa. Zmniejszy to ilość potrzebnego paliwa, a jednocześnie zmniejszy wagę i koszt konkretnego aparatu.
Chociaż termiczne silniki jądrowe nie weszły jeszcze w kosmos, stworzono i przetestowano ich prototypy, a zaproponowano jeszcze więcej.
A jednak pomimo zalet w zakresie oszczędności paliwa i impulsu właściwego, najlepsza z proponowanych koncepcji termicznego silnika jądrowego ma maksymalny impuls właściwy wynoszący 5000 sekund (50 kNs / kg). Korzystając z silników jądrowych napędzanych rozszczepieniem jądrowym lub syntezą jądrową, naukowcy z NASA mogliby dostarczyć statek kosmiczny na Marsa w zaledwie 90 dni, jeśli Czerwona Planeta znajduje się 55 000 000 kilometrów od Ziemi.
Ale jeśli chodzi o podróż do Proxima Centauri, rakieta jądrowa potrzebuje wieków, aby przyspieszyć do znacznego ułamka prędkości światła. Potem zajmie to kilkadziesiąt lat, a po nich jeszcze wiele stuleci zahamowań na drodze do celu. Nadal jesteśmy 1000 lat od naszego celu. Co jest dobre dla misji międzyplanetarnych, a nie dla misji międzygwiezdnych.
- Część 2 -