- Część 1 -
Jeśli użyjesz istniejącej technologii, wysłanie naukowców i astronautów na misję międzygwiezdną zajmie bardzo, bardzo dużo czasu. Podróż będzie boleśnie długa (nawet jak na kosmiczne standardy). Jeśli chcemy odbyć taką podróż w co najmniej jednym życiu, cóż, lub pokoleniu, potrzebujemy bardziej radykalnych (czytaj: czysto teoretycznych) środków. A jeśli tunele czasoprzestrzenne i silniki podprzestrzenne są w tej chwili absolutnie fantastyczne, przez wiele lat były inne pomysły, w które wierzymy.
Elektrownia jądrowa
Elektrownia jądrowa jest teoretycznie możliwym "silnikiem" do szybkich podróży kosmicznych. Koncepcja została pierwotnie zaproponowana przez Stanisława Ulama w 1946 roku, polsko-amerykańskiego matematyka, który brał udział w Projekcie Manhattan, a wstępne obliczenia dokonali F. Reines i Ulam w 1947 roku. Projekt Orion został zapoczątkowany w 1958 roku i istniał do 1963 roku.
Kierowany przez Teda Taylora z General Atomics i fizyka Freemana Dysona z Institute for Advanced Study w Princeton, Orion wykorzystywał moc pulsujących eksplozji jądrowych do dostarczania ogromnego ciągu o bardzo wysokim impulsie właściwym.
Film promocyjny:
W skrócie, Projekt Orion obejmuje duży statek kosmiczny, który przyspiesza, wspierając głowice termojądrowe, wyrzucając bomby z tyłu i przyspieszając podmuch, który przenosi się do zamontowanego z tyłu pchacza, panelu napędowego. Po każdym pchnięciu, siła eksplozji jest absorbowana przez ten panel i przekształcana w ruch do przodu.
Chociaż ta konstrukcja nie jest elegancka według współczesnych standardów, zaletą tej koncepcji jest to, że zapewnia ona wysoki ciąg właściwy - to znaczy wydobywa maksymalną ilość energii ze źródła paliwa (w tym przypadku bomb atomowych) przy minimalnym koszcie. Ponadto koncepcja ta może teoretycznie przyspieszyć bardzo duże prędkości, według niektórych szacunków, do 5% prędkości światła (5,4 x 107 km / h).
Oczywiście ten projekt ma nieuniknione wady. Z jednej strony statek tej wielkości byłby niezwykle kosztowny w budowie. W 1968 roku Dyson oszacował, że statek kosmiczny Orion, napędzany bombami wodorowymi, waży od 400 000 do 4 000 000 ton metrycznych. A co najmniej trzy czwarte tej wagi będzie pochodzić z bomb atomowych, z których każda waży około jednej tony.
Ostrożne szacunki Dysona wykazały, że całkowity koszt budowy Oriona wyniósłby 367 miliardów dolarów. Po uwzględnieniu inflacji kwota ta wynosi 2,5 biliona dolarów, czyli całkiem sporo. Nawet przy najbardziej ostrożnych szacunkach urządzenie będzie niezwykle drogie w produkcji.
Istnieje również mały problem z promieniowaniem, które będzie emitować, nie wspominając o odpadach jądrowych. Uważa się, że z tego powodu projekt został anulowany na mocy traktatu o częściowym zakazie testów z 1963 r., Kiedy to rządy światowe starały się ograniczyć testy jądrowe i zatrzymać nadmierne uwalnianie opadu radioaktywnego do atmosfery planety.
Rakiety syntezy jądrowej
Inną możliwością wykorzystania energii jądrowej są reakcje termojądrowe do generowania ciągu. Zgodnie z tą koncepcją energia musi być wytwarzana przez inercyjne zamknięcie, zapalając granulki mieszaniny deuteru i helu-3 w komorze reakcyjnej za pomocą wiązek elektronów (podobnie jak w National Ignition Complex w Kalifornii). Taki reaktor termojądrowy zdetonowałby 250 kulek na sekundę, tworząc plazmę o wysokiej energii, która byłaby następnie przekierowywana do dyszy, tworząc ciąg.
Podobnie jak rakieta, która opiera się na reaktorze jądrowym, koncepcja ta ma zalety pod względem wydajności paliwa i określonego impulsu. Szacunkowa prędkość powinna osiągnąć 10600 km / h, znacznie powyżej ograniczeń prędkości konwencjonalnych rakiet. Ponadto technologia ta była intensywnie badana w ciągu ostatnich kilku dekad i złożono wiele propozycji.
Na przykład w latach 1973-1978 Brytyjskie Towarzystwo Międzyplanetarne przeprowadziło studium wykonalności Projektu Daedalus. Opierając się na nowoczesnej wiedzy i technologii syntezy termojądrowej, naukowcy wezwali do budowy dwustopniowej bezzałogowej sondy naukowej, która mogłaby dotrzeć do Gwiazdy Barnarda (5,9 lat świetlnych od Ziemi) w ciągu całego życia człowieka.
Pierwszy etap, największy z dwóch, miałby trwać 2,05 roku i przyspieszyć statek do 7,1% prędkości światła. Następnie ten etap jest odrzucany, drugi jest zapalany, a aparat przyspiesza do 12% prędkości światła w 1,8 roku. Następnie wyłącza się silnik drugiego stopnia, a statek leci 46 lat.
Projekt Daedalus szacuje, że dotarcie do Gwiazdy Barnarda zajmie misji 50 lat. Jeśli do Proximy Centauri, ten sam statek dotrze za 36 lat. Ale oczywiście w projekcie jest wiele nierozwiązanych kwestii, w szczególności nierozwiązywalnych z wykorzystaniem nowoczesnych technologii - a większość z nich nie została jeszcze rozwiązana.
Na przykład na Ziemi praktycznie nie ma helu-3, co oznacza, że będzie musiał być wydobywany gdzie indziej (najprawdopodobniej na Księżycu). Po drugie, reakcja napędzająca statek wymaga, aby emitowana energia była znacznie większa niż energia wydatkowana na wywołanie reakcji. I chociaż eksperymenty na Ziemi już przekroczyły „próg rentowności”, nadal jesteśmy daleko od ilości energii, która może zasilić pojazd międzygwiezdny.
Po trzecie, pozostaje kwestia kosztu takiego statku. Nawet przy skromnych standardach bezzałogowego pojazdu Projektu Daedalus, w pełni wyposażony pojazd ważyłby 60 000 ton. Tak dla Twojej wiadomości, waga brutto NASA SLS wynosi nieco ponad 30 ton, a samo uruchomienie będzie kosztować 5 miliardów dolarów (szacunki z 2013 roku).
Krótko mówiąc, budowa rakiety termojądrowej będzie nie tylko zbyt droga w budowie, ale także będzie wymagać poziomu reaktora termojądrowego znacznie przekraczającego nasze możliwości. Icarus Interstellar, międzynarodowa organizacja cywilnych naukowców (niektórzy z nich pracowali dla NASA lub ESA), próbuje ożywić tę koncepcję za pomocą Projektu Icarus. Grupa zebrana w 2009 roku ma nadzieję, że ruch fuzji (i nie tylko) będzie możliwy w dającej się przewidzieć przyszłości.
Termojądrowy silnik strumieniowy
Znany również jako silnik odrzutowy Bussarda, silnik został po raz pierwszy zaproponowany przez fizyka Roberta Bussarda w 1960 roku. W istocie jest ulepszeniem standardowej rakiety termojądrowej, która wykorzystuje pola magnetyczne do sprężania paliwa wodorowego do punktu fuzji. Ale w przypadku silnika strumieniowego ogromny lejek elektromagnetyczny zasysa wodór z ośrodka międzygwiazdowego i wlewa go do reaktora jako paliwo.
Gdy pojazd nabiera prędkości, masa reaktywna wchodzi w ograniczające pole magnetyczne, które ściska je przed rozpoczęciem fuzji. Następnie pole magnetyczne kieruje energię do dyszy rakiety, przyspieszając statek. Ponieważ żaden zbiornik paliwa go nie spowolni, termojądrowy odrzutowiec może osiągnąć prędkość rzędu 4% światła i dotrzeć w dowolne miejsce galaktyki.
Niemniej jednak misja ta ma wiele możliwych wad. Na przykład problem tarcia. Statek kosmiczny wykorzystuje wysokie wskaźniki zbierania paliwa, ale zderzy się również z dużymi ilościami wodoru międzygwiazdowego i straci prędkość - szczególnie w gęstych regionach galaktyki. Po drugie, w kosmosie jest niewiele deuteru i trytu (które są wykorzystywane w reaktorach na Ziemi), a synteza zwykłego wodoru, którego jest dużo w kosmosie, jest nadal poza naszą kontrolą.
Jednak science fiction pokochało tę koncepcję. Najbardziej znanym przykładem jest być może seria Star Trek, która wykorzystuje Bussard Collectors. W rzeczywistości nasze zrozumienie reaktorów termojądrowych nie jest nawet tak doskonałe, jak byśmy chcieli.
Żagiel laserowy
Żagle słoneczne od dawna uważane są za skuteczny sposób na podbój Układu Słonecznego. Oprócz tego, że są stosunkowo proste i tanie w produkcji, mają duży plus: nie potrzebują paliwa. Zamiast rakiet, które wymagają paliwa, żagiel wykorzystuje ciśnienie promieniowania z gwiazd do napędzania ultracienkich luster do dużych prędkości.
Jednak w przypadku lotu międzygwiazdowego taki żagiel musiałby być napędzany skupionymi wiązkami energii (laserem lub mikrofalami), aby przyspieszyć do prędkości bliskiej światła. Koncepcja została po raz pierwszy zaproponowana przez Roberta Forwarda w 1984 roku, fizyka z Laboratorium Samolotów Hughes.
Jego pomysł zachowuje zalety żagla słonecznego, ponieważ nie wymaga paliwa na pokładzie, a także, że energia lasera nie jest rozpraszana na odległość w taki sam sposób, jak promieniowanie słoneczne. Tak więc, podczas gdy żagiel laserowy potrzebuje trochę czasu, aby przyspieszyć do prędkości bliskiej światła, będzie on następnie ograniczony tylko przez samą prędkość światła.
Według badań przeprowadzonych w 2000 roku przez Roberta Frisbee, dyrektora zaawansowanych badań nad napędem w Jet Propulsion Laboratory NASA, żagiel laserowy osiągnąłby połowę prędkości światła w mniej niż dziesięć lat. Obliczył również, że żagiel o średnicy 320 kilometrów może dotrzeć do Proxima Centauri w 12 lat. Tymczasem żagiel o średnicy 965 kilometrów przybędzie za zaledwie 9 lat.
Jednak taki żagiel będzie musiał być zbudowany z zaawansowanych materiałów kompozytowych, aby uniknąć stopienia. Co będzie szczególnie trudne, biorąc pod uwagę rozmiar żagla. Koszt jest jeszcze gorszy. Według Frisbee, lasery będą potrzebowały stałego strumienia 17 000 terawatów energii - czyli mniej więcej tyle, ile zużywa cały świat w ciągu jednego dnia.
Silnik na antymaterię
Miłośnicy science fiction doskonale wiedzą, czym jest antymateria. Ale jeśli zapomniałeś, antymateria to substancja złożona z cząstek o tej samej masie co zwykłe cząstki, ale o przeciwnym ładunku. Silnik na antymaterię to hipotetyczny silnik, który polega na interakcjach między materią i antymaterią w celu wytworzenia energii lub siły ciągu.
Krótko mówiąc, silnik na antymaterię wykorzystuje zderzające się ze sobą cząsteczki wodoru i przeciwwodoru. Energia uwolniona w procesie anihilacji jest porównywalna pod względem objętości do energii wybuchu bomby termojądrowej, któremu towarzyszy strumień cząstek subatomowych - pionów i mionów. Te cząstki, które poruszają się z prędkością jednej trzeciej prędkości światła, są przekierowywane do dyszy magnetycznej i wytwarzają ciąg.
Zaletą rakiet tej klasy jest to, że większość masy mieszaniny materii / antymaterii można przekształcić w energię, co zapewnia wysoką gęstość energii i impuls właściwy, który przewyższa każdą inną rakietę. Co więcej, reakcja anihilacji może przyspieszyć rakietę do połowy prędkości światła.
Pociski tej klasy będą możliwie najszybsze i najbardziej energooszczędne (lub niemożliwe, ale proponowane). Jeśli konwencjonalne rakiety chemiczne wymagają ton paliwa do napędzania statku kosmicznego do celu, silnik na antymaterię wykona tę samą pracę, używając kilku miligramów paliwa. Wzajemne niszczenie pół kilograma cząsteczek wodoru i przeciwwodoru wyzwala więcej energii niż 10-megatonowa bomba wodorowa.
Z tego powodu Advanced Concepts Institute NASA bada tę technologię na potrzeby przyszłych misji na Marsa. Niestety, patrząc na misje do pobliskich układów gwiezdnych, ilość potrzebnego paliwa rośnie wykładniczo, a koszty stają się astronomiczne (i to nie jest gra słów).
Według raportu przygotowanego na 39. Konferencję i Wystawę dotyczącą napędu AIAA / ASME / SAE / ASEE, dwustopniowa rakieta na antymaterię będzie wymagała ponad 815 000 ton metrycznych paliwa, aby dotrzeć do Proxima Centauri w ciągu 40 lat. Jest stosunkowo szybki. Ale cena …
Chociaż jeden gram antymaterii wytwarza niesamowitą ilość energii, wyprodukowanie jednego grama wymagałoby 25 milionów miliardów kilowatogodzin energii i kosztowałoby bilion dolarów. Obecnie całkowita ilość antymaterii, która została stworzona przez ludzi, wynosi mniej niż 20 nanogramów.
Nawet gdybyśmy mogli tanio produkować antymaterię, potrzebowalibyśmy ogromnego statku, który mógłby pomieścić wymaganą ilość paliwa. Według raportu dr Darrella Smitha i Jonathana Webby'ego z Embry-Riddle Aviation University w Arizonie, międzygwiezdny statek napędzany antymaterią może osiągnąć prędkość 0,5 światła i dotrzeć do Proximy Centauri w nieco ponad 8 lat. Jednak sam statek ważyłby 400 ton i wymagałby 170 ton paliwa antymaterii.
Możliwym sposobem obejścia tego jest stworzenie statku, który wytworzy antymaterię, a następnie użyje jej jako paliwa. Koncepcja ta, znana jako międzygwiezdny system eksploracji rakiet próżniowych na antymaterię (VARIES), została zaproponowana przez Richarda Obausiego z Icarus Interstellar. Opierając się na idei ponownego przetwarzania na miejscu, VARIES używałby dużych laserów (zasilanych przez ogromne panele słoneczne) do tworzenia cząstek antymaterii po wystrzeleniu w pustą przestrzeń.
Podobnie do koncepcji z termojądrowym silnikiem strumieniowym, propozycja ta rozwiązuje problem transportu paliwa poprzez wydobywanie go bezpośrednio z kosmosu. Ale znowu, koszt takiego statku będzie niezwykle wysoki, jeśli zostanie zbudowany naszymi nowoczesnymi metodami. Po prostu nie możemy stworzyć antymaterii na masową skalę. Należy również zająć się problemem promieniowania, ponieważ anihilacja materii i antymaterii powoduje wybuchy wysokoenergetycznych promieni gamma.
Stanowią zagrożenie nie tylko dla załogi, ale także dla silnika, aby nie rozpadły się na cząstki subatomowe pod wpływem całego tego promieniowania. Krótko mówiąc, silnik na antymaterię jest całkowicie niepraktyczny w naszej obecnej technologii.
Alcubierre Warp Drive
Miłośnicy science fiction bez wątpienia znają koncepcję napędu warp (lub napędu Alcubierre). Pomysł ten, zaproponowany przez meksykańskiego fizyka Miguela Alcubierre w 1994 roku, był próbą wyobrażenia sobie natychmiastowego ruchu w przestrzeni bez naruszania specjalnej teorii względności Einsteina. Krótko mówiąc, koncepcja ta polega na rozciągnięciu struktury czasoprzestrzeni w falę, co teoretycznie spowodowałoby kurczenie się przestrzeni przed obiektem i rozszerzanie się za nim.
Obiekt znajdujący się wewnątrz tej fali (nasz statek) będzie mógł poruszać się na tej fali, będąc w "bąblu warp", z prędkością znacznie większą niż relatywistyczna. Ponieważ statek nie porusza się w samej bańce, ale jest przez nią niesiony, prawa względności i czasoprzestrzeni nie zostaną naruszone. W rzeczywistości metoda ta nie obejmuje ruchu szybszego niż prędkość światła w sensie lokalnym.
Jest „szybszy od światła” tylko w tym sensie, że statek może dotrzeć do celu szybciej niż promień światła podróżujący poza bańkę warp. Zakładając, że statek kosmiczny będzie wyposażony w system Alcubierre, dotrze do Proxima Centauri za niecałe 4 lata. Dlatego jeśli mówimy o teoretycznych międzygwiezdnych podróżach kosmicznych, jest to zdecydowanie najbardziej obiecująca technologia pod względem prędkości.
Oczywiście cała ta koncepcja jest niezwykle kontrowersyjna. Argumenty przeciwko, na przykład, obejmują to, że nie bierze pod uwagę mechaniki kwantowej i może zostać obalona przez teorię wszystkiego (jak pętlowa grawitacja kwantowa). Obliczenia wymaganej ilości energii wykazały również, że napęd warp byłby zbyt żarłoczny. Inne niejasności obejmują bezpieczeństwo takiego systemu, efekty czasoprzestrzenne w miejscu docelowym i naruszenia przyczynowości.
Jednak w 2012 roku naukowiec NASA Harold White powiedział, że on i jego koledzy zaczęli badać możliwość stworzenia silnika Alcubierre. White stwierdził, że zbudowali interferometr, który będzie wychwytywał zniekształcenia przestrzenne spowodowane rozszerzaniem i kurczeniem się czasoprzestrzeni miernika Alcubierre'a.
W 2013 roku Laboratorium Napędów Odrzutowych opublikowało wyniki badań polowych warp, które prowadzono w warunkach próżni. Niestety wyniki uznano za „niejednoznaczne”. Na dłuższą metę może się okazać, że metryka Alcubierre'a narusza jedno lub więcej podstawowych praw natury. I nawet jeśli jego fizyka okaże się poprawna, nie ma gwarancji, że system Alcubierre będzie mógł być używany do lotu.
Ogólnie wszystko jest jak zwykle: urodziłeś się za wcześnie, aby podróżować do najbliższej gwiazdy. Niemniej jednak, jeśli ludzkość poczuje potrzebę zbudowania „międzygwiezdnej arki”, która będzie pomieścić samowystarczalne ludzkie społeczeństwo, dotarcie do Proxima Centauri zajmie sto lat. Jeśli oczywiście chcemy zainwestować w takie wydarzenie.
Pod względem czasu wszystkie dostępne metody wydają się niezwykle ograniczone. A jeśli spędzimy setki tysięcy lat podróżując do najbliższej gwiazdy, możemy być mało zainteresowani, gdy stawką jest nasze własne przetrwanie, ponieważ w miarę postępu technologii kosmicznej metody pozostaną niezwykle niepraktyczne. Zanim nasza arka dotrze do najbliższej gwiazdy, jej technologie staną się przestarzałe, a sama ludzkość może już nie istnieć.
Więc jeśli nie dokonamy wielkiego przełomu w technologii syntezy jądrowej, antymaterii lub technologii laserowej, będziemy zadowoleni z badania naszego własnego Układu Słonecznego.
Na podstawie materiałów z Universe Today
- Część 1 -