W ciągu ostatniej dekady tysiące planet odkryto poza naszym Układem Słonecznym. Spowodowało to odnowienie zainteresowania eksploracją kosmosu, co obejmuje możliwość wysłania statku kosmicznego w celu zbadania egzoplanet. Biorąc pod uwagę związane z tym wyzwania, obecnie badanych jest wiele zaawansowanych koncepcji, takich jak uświęcona w czasie koncepcja lekkiego żagla (czego przykładem jest Przełom Starshot i podobne propozycje).
Jednak w ostatnich latach naukowcy zaproponowali potencjalnie bardziej skuteczną koncepcję znaną jako żagiel elektryczny, w którym żagiel złożony z siatki drucianej generuje ładunki elektryczne, aby odchylać cząstki wiatru słonecznego, generując w ten sposób pęd. W ostatnich badaniach dwóch naukowców z Harvardu porównało i przeciwstawiło te metody, aby ustalić, które z nich byłyby bardziej korzystne dla różnych rodzajów misji.
Badanie, które niedawno pojawiło się w Internecie i jest recenzowane do publikacji przez Acta Astronautica, prowadzili Manasavi Lingam i Abraham Loeb - adiunkt w Florida Institute of Technology (FIT) oraz Frank B. Baird Jr. profesor nauki na Harvard University oraz dyrektor Institute for Theory and Computation (ITC), odpowiednio.
Koncepcja lekkiego żagla jest uhonorowana w czasie, gdy statek kosmiczny wyposażony w duży arkusz materiału odblaskowego wykorzystuje ciśnienie promieniowania gwiazdy (inaczej wiatr słoneczny) do przyspieszenia w czasie. Główną zaletą tej technologii jest to, że statek kosmiczny nie potrzebuje transportu własnego paliwa, które zwykle stanowi większość masy statku kosmicznego.
Jest to szczególnie ważne w przypadku podróży międzygwiezdnej, ponieważ ilość masy reakcyjnej potrzebnej do osiągnięcia nawet ułamka prędkości światła (do) byłoby ogromne. I w przeciwieństwie do koncepcji takich jak napęd antymaterii lub koncepcji opartych na fizyce, które są jeszcze nie przetestowane (lub nawet hipotetyczne), żagle słoneczne / lekkie wykorzystują technologię i fizykę, które są w tym momencie całkowicie sprawdzone.
Kolejną zaletą jest fakt, że lekki żagiel można przyspieszyć za pomocą środków innych niż promieniowanie słoneczne. Jak Lingam wyjaśnił Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Lekkie żagle można„ przepychać ”za pomocą układów laserowych lub promieniowania słonecznego / gwiazdowego. W obu przypadkach główną zaletą lekkich żagli jest to, że nie trzeba przewozić paliwa na pokładzie w przeciwieństwie do rakiet chemicznych. To znacznie zmniejsza masę statku kosmicznego, ponieważ większość masy w rakietach chemicznych wynika z paliwa. Ta sama zaleta dotyczy także żagli elektrycznych. ”
Jednak w ostatnich latach opracowano różne warianty tej koncepcji, takie jak żagiel magnetyczny (alias „magsails”) zaproponowany przez Roberta Zubrina i Dana Andrews w 1988 r. Oraz żagiel elektryczny zaproponowany przez Pekka Janhunen w 2006 r. W przypadku pierwsza z nich, pętla nadprzewodząca wytworzyłaby pole elektryczne, podczas gdy druga wytworzyłaby pole magnetyczne za pośrednictwem żagla z małych drutów - które odpychałyby wiatr słoneczny.
Te koncepcje różnią się od konwencjonalnych żagli słonecznych lub lekkich. Jak wyjaśnił Lingam:
„Żagle elektryczne polegają na przenoszeniu pędu z naładowanych cząstek wiatru słonecznego / gwiezdnego wiatru (protony w naszym przykładzie) poprzez ich odchylanie przez pola elektryczne, podczas gdy żagle lekkie polegają na przenoszeniu pędu z fotonów emitowanych przez gwiazdę. Tak więc wiatr gwiazdy napędza żagle elektryczne, podczas gdy promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez gwiazdę napędza lekkie żagle. ”
Co ciekawe, niektórzy badacze uważają żagle magnetyczne za możliwy sposób spowolnienia lekkiego żagla, gdy zbliża się on do celu. Jedną z takich osób jest prof. Claudius Gros z Institute for Theoretical Physics Goethe University Frankfurt oraz Andreas Hein i Kelvin F. Long - główni badacze projektu Dragonfly (koncepcja podobna do Przełom Starshot).
Wszystkie trzy koncepcje są w stanie przekształcić promieniowanie emitowane przez gwiazdy w pęd, ale mają także swoje wady. Po pierwsze, żagle elektryczne są bardzo zależne od właściwości gwiazd macierzystych. Z drugiej strony lekkie żagle są w dużej mierze nieskuteczne, jeśli chodzi o gwiazdy typu M (czerwony karzeł), ponieważ ciśnienie promieniowania nie jest wystarczająco wysokie, aby wygenerować wystarczającą prędkość, aby uciec z układu gwiazd.
Jest to dość ograniczający problem, biorąc pod uwagę, że krasnoludy o małej masie i ultrakłaskie typu M stanowią ogromną większość gwiazd we Wszechświecie - stanowiąc 75% gwiazd Drogi Mlecznej. Czerwone karły są również niezwykle długowieczne w porównaniu z innymi klasami gwiazd i mogą pozostać w swojej głównej sekwencji przez okres do 10 bilionów lat. Dlatego układ napędowy, który może wykorzystywać układy czerwonych karłów, byłby preferowany w dłuższych okresach czasu.
Z tych względów Lingam i Loeb starali się ustalić, która metoda podróży międzygwiezdnych byłaby lepsza (żagle lekkie lub elektroniczne) w stosunku do różnych klas gwiazd - typ F (biały), typ G (żółty), K- typ (pomarańczowy) i gwiazdy typu M. Po uwzględnieniu właściwości promieniowania każdej klasy, uwzględnili prawdopodobną masę statku kosmicznego - na podstawie parametrów ustalonych przez Przełom Starshot.
Odkryli, że statek kosmiczny połączony z elektrycznym żaglem stanowi lepszy środek napędu w pobliżu większości typów gwiazd, a nie tylko dla statku kosmicznego w skali gramowej (co jest wymagane Starshot). Jednak obliczenia Lingama i Loeba wykazały również, że osiągnięcie przez statki elektryczne z żaglem znacznie dłuższych prędkości, które sprawiłyby, że podróż międzygwiezdna byłaby praktyczna.
„Zamiast tego, jeśli weźmie się pod uwagę lekkie żagle zasilane przez układy laserowe (takie jak Breakthrough Starshot), wówczas możliwe jest bezpośrednie osiągnięcie prędkości relatywistycznych (np. 10% prędkości światła) za pomocą lekkich żagli; przeciwnie, żagle elektryczne napędzane wiatrem gwiezdnym osiągają prędkości zaledwie 0,1% prędkości światła ”, powiedział Lingam.
Żagiel elektryczny może osiągnąć 0,1 do w końcu po wielokrotnym zbliżaniu się do gwiazd oszacowali, że zajmie to 10 000 spotkań w ciągu miliona lat. Jak ujął to Lingam:
„Żagle elektryczne stanowią realny sposób na podróż międzygwiezdną. Jednak każdy gatunek technologiczny, który chciałby zastosować tę metodę, musiałby być długowieczny, ponieważ cały ten proces osiągania prędkości relatywistycznych wymagałby około 1 miliona lat. Jeśli takie długowieczne gatunki istnieją, żagle elektryczne stanowią dość wygodny i energooszczędny sposób eksploracji Drogi Mlecznej w długich okresach czasu (miliony lat).
Podczas gdy 1 milion lat to niewiele więcej niż mrugnięcie oka w kategoriach kosmicznych, jest niesamowicie długi pod względem długości życia cywilizacji - przynajmniej nasz standardy. Jako gatunek ludzkość istnieje od około 200 000 lat i zapisuje swoją historię od około 6000 lat. Co więcej, od 60 lat jesteśmy kosmiczną cywilizacją.
Ergo, żagiel, który może być przyspieszany przez lasery, jest najbardziej praktycznym sposobem eksploracji egzoplanet w naszych czasach życia. Inną implikacją dla tego badania jest to, w jaki sposób może on pomóc w poszukiwaniu inteligencji pozaziemskiej (SETI). Poszukując Wszechświata w poszukiwaniu oznak aktywności technologicznej (aka technosignatures), naukowcy zmuszeni są szukać znaków, które rozpoznają.
Biorąc pod uwagę zalety elektrycznego żagla, możliwe jest, że cywilizacja pozaziemska mogłaby faworyzować tę technologię w porównaniu z podobnymi. Jak wyjaśnił prof. Loeb do Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Nasze obliczenia sugerują, że zaawansowane cywilizacje prawdopodobnie preferują użycie żagli elektrycznych zamiast żagli lekkich do napędu opartego na naturalnej mocy gwiazd w postaci wiatru lub promieniowania. Jeśli jednak cywilizacja technologiczna chce osiągnąć prędkości lub wystrzelić duże ładunki, na które nie jest w stanie napędzać moc wytwarzana przez ich gwiazdę macierzystą, to prawdopodobnie faworyzuje lekkie żagle, które są wypychane przez sztucznie wytwarzaną wiązkę światła, na przykład potężny laser. Sytuacja jest podobna do różnicy między żaglówkami, które wykorzystują wiatr zapewniony bezpłatnie przez matkę, w porównaniu z większymi lub szybszymi łodziami napędzanymi sztucznymi środkami, takimi jak silnik. ”
Niestety, jak dodał Loeb, żagle elektryczne nie są łatwo wykrywalne na duże odległości, ponieważ składają się z naelektryzowanych siatek drucianych i nie emitują żadnych oczywistych znaków technicznych. „Dlatego” - konkluduje - „SETI powinien przede wszystkim skupić się na poszukiwaniu żagli, które są widoczne ze względu na wyciek ich wiązek świetlnych poza granice żagla w pobliżu miejsc startu lub ponieważ odbijają światło słoneczne, gdy przechodzą w pobliżu Słońce, podobnie jak asteroidy lub komety o podobnym rozmiarze. ”
Jednak Lingam i Loeb podkreślają również, że żagle elektryczne mogą być atrakcyjną opcją dla cywilizacji pozaziemskiej z dokładnie tego samego powodu. Oprócz tego, że są energooszczędne, żagle elektryczne nie podlegają rozprzestrzenianiu i dlatego mogą podróżować z jednego systemu gwiezdnego do drugiego bez zauważenia. Możliwe rozwiązanie paradoksu Fermiego? Być może!
W każdym razie badanie to wskazuje, że nasze obecne plany eksploracji sąsiednich układów gwiezdnych powinny koncentrować się na koncepcjach, które kładą nacisk na prędkość w stosunku do długowieczności. Oznacza to, że rozmieszczenie żagli elektrycznych lub magnetycznych (które mogłyby kontynuować eksplorację Wszechświata przez eony) jest złym pomysłem, ale misja, która może przybyć do innego układu gwiezdnego w naszych czasach życia, wydaje się na razie najlepszą opcją.
