Wszyscy w pewnym momencie naszego życia zadaliśmy sobie pytanie: ile czasu zajmie podróż do gwiazd? Czy może to być w życiu człowieka i czy tego rodzaju podróże mogą kiedyś stać się normą? Istnieje wiele możliwych odpowiedzi na to pytanie - niektóre bardzo proste, inne w dziedzinie science fiction. Ale znalezienie kompleksowej odpowiedzi oznacza wzięcie pod uwagę wielu rzeczy.
Niestety, każda realistyczna ocena może dostarczyć odpowiedzi, które całkowicie zniechęcałyby futurystów i entuzjastów podróży międzygwiezdnych. Czy nam się to podoba, czy nie, przestrzeń jest bardzo duża, a nasza technologia jest nadal bardzo ograniczona. Ale jeśli kiedykolwiek zastanowimy się nad „opuszczeniem gniazda”, będziemy mieli szereg możliwości dotarcia do najbliższych układów słonecznych w naszej galaktyce.
Najbliższą gwiazdą na Ziemi jest nasze Słońce, które jest dość „przeciętną” gwiazdą w Hertzsprung - „Sekwencja główna” diagramu Russella. Oznacza to, że jest bardzo stabilny, zapewniając Ziemi odpowiedni rodzaj światła słonecznego, aby życie ewoluowało na naszej planecie. Wiemy, że planety krążą wokół innych gwiazd w pobliżu naszego Układu Słonecznego i wiele z tych gwiazd jest podobnych do naszej.
W przyszłości, jeśli ludzkość zechce opuścić Układ Słoneczny, będziemy mieli ogromny wybór gwiazd, do których moglibyśmy podróżować, a wiele z nich mogłoby mieć odpowiednie warunki do życia. Ale gdzie byśmy poszli i ile czasu zajmie nam dotarcie? Pamiętaj tylko, że to wszystko spekuluje i obecnie nie ma żadnych punktów odniesienia dla podróży międzygwiezdnych. To powiedziawszy, zaczynamy!
Najbliższa gwiazda:
Jak już wspomniano, najbliższą gwiazdą naszego Układu Słonecznego jest Proxima Centauri, dlatego najbardziej sensowne jest najpierw zaplanowanie międzygwiezdnej misji do tego układu. Jako część potrójnego układu gwiazd zwanego Alpha Centauri, Proxima znajduje się około 4,24 lat świetlnych (lub 1,3 parseków) od Ziemi. Alpha Centauri jest właściwie najjaśniejszą gwiazdą trójki w układzie - częścią blisko krążącego układu podwójnego 4,37 lat świetlnych od Ziemi - podczas gdy Proxima Centauri (najciemniejsza z trzech) to izolowany czerwony karzeł około 0,13 lat świetlnych od układu podwójnego .
I podczas gdy podróże międzygwiezdne wywołują wszelkiego rodzaju wizje podróży Faster-Than-Light (FTL), od prędkości osnowy i tuneli czasoprzestrzennych po napędy skokowe, teorie te są albo wysoce spekulatywne (takie jak napęd Alcubierre), albo całkowicie prowincją nauki fikcja. Najprawdopodobniej każda misja kosmiczna zajmie jej pokolenie, a nie kilka dni lub błyskawiczny błysk.
A zatem, zaczynając od jednej z najwolniejszych form podróży kosmicznych, ile czasu zajmie dotarcie do Proxima Centauri?
Aktualne metody:
Pytanie, ile czasu zajmie dotarcie w kosmos, jest nieco łatwiejsze, gdy mamy do czynienia z istniejącą technologią i ciałami w naszym Układzie Słonecznym. Na przykład, korzystając z technologii, która napędzała misję Nowe Horyzonty - która składała się z 16 silników odrzutowych napędzanych hydrazynowym monopropelantem - dotarcie na Księżyc zajęłoby zaledwie 8 godzin i 35 minut.
Z drugiej strony, istnieje misja SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), która nie spieszyła się z podróżowaniem na Księżyc metodą napędu jonowego. Dzięki tej rewolucyjnej technologii, której od tej pory statek kosmiczny Dawn dotarł do Westy, misja SMART-1 dotarła na Księżyc rok, miesiąc i dwa tygodnie.
Tak więc, od szybkiego statku kosmicznego z napędem rakietowym do ekonomicznego napędu jonowego, mamy kilka opcji na poruszanie się po lokalnej przestrzeni - a także moglibyśmy użyć Jowisza lub Saturna do potężnej procy grawitacyjnej. Gdybyśmy jednak zastanawiali się nad misjami gdzieś nieco dalej, musielibyśmy rozszerzyć naszą technologię i sprawdzić, co jest naprawdę możliwe.
Kiedy mówimy o możliwych metodach, mówimy o tych, które obejmują istniejącą technologię lub o tych, które jeszcze nie istnieją, ale są technicznie wykonalne. Niektóre, jak zobaczycie, są uświęcone i sprawdzone, podczas gdy inne pojawiają się lub wciąż są na planszy. Niemal we wszystkich przypadkach przedstawiają możliwy (ale niezwykle czasochłonny lub drogi) scenariusz dotarcia nawet do najbliższych gwiazd…
Napęd jonowy:
Obecnie najwolniejszą formą napędu i najbardziej wydajnym paliwowo jest silnik jonowy. Kilka dekad temu napęd jonowy był uważany za przedmiot science fiction. Jednak w ostatnich latach technologia wspierania silników jonowych przeszła od teorii do praktyki na wielką skalę. Na przykład misja SMART-1 ESA pomyślnie zakończyła misję na Księżyc po przejściu 13-miesięcznej spiralnej ścieżki z Ziemi.
SMART-1 wykorzystał napędzane energią słoneczną pędniki jonowe, w których energię elektryczną zebrano z paneli słonecznych i wykorzystano do zasilania silników pędnych z efektem Halla. Tylko 82 kg paliwa ksenonowego użyto do napędzenia SMART-1 na Księżyc. 1 kg paliwa ksenonowego zapewnia delta-v wynoszącą 45 m / s. Jest to bardzo skuteczna forma napędu, ale w żadnym wypadku nie jest szybka.
Jedną z pierwszych misji wykorzystujących technologię napędu jonowego była Deep Space 1 misja do komety Borrelly, która miała miejsce w 1998 r. DS1 wykorzystał także napęd jonowy zasilany ksenonem, zużywając 81,5 kg paliwa. W ciągu 20 miesięcy pchania DS1 udało się osiągnąć prędkość 56 000 km / h (35 000 mil / h) podczas przelotu nad kometą.
Pędniki jonowe są zatem bardziej ekonomiczne niż technologia rakietowa, ponieważ ciąg na masę jednostkową paliwa (tzw. Impuls właściwy) jest znacznie wyższy. Ale pędniki jonowe przyspieszają z dużą prędkością do statku kosmicznego, a maksymalna prędkość, jaką może osiągnąć, zależy od jego zaopatrzenia w paliwo i ilości energii elektrycznej, jaką może wytworzyć.
Gdyby więc do misji w Proximie Centauri zastosować napęd jonowy, pędniki potrzebowałyby ogromnego źródła produkcji energii (tj. Energii jądrowej) i dużej ilości paliwa (choć wciąż mniej niż konwencjonalne rakiety). Ale przy założeniu, że zapas 81,5 kg paliwa ksenonowego przekłada się na maksymalną prędkość 56 000 km / h (i że nie ma innych dostępnych form napędu, takich jak proca grawitacyjna w celu dalszego przyspieszenia), niektóre obliczenia mogą być zrobionym.
Krótko mówiąc, przy maksymalnej prędkości 56 000 km / h Deep Space 1 przejmie 81 000 lat przemierzać 4,24 lat świetlnych między Ziemią a Proximą Centauri. Aby spojrzeć na tę skalę czasową, byłoby to ponad 2700 pokoleń ludzkich. Można więc śmiało powiedzieć, że misja międzyplanetarnego silnika jonowego byłaby o wiele za wolna, aby rozważyć ją w przypadku załogowej misji międzygwiezdnej.
Gdyby jednak pędniki jonowe stały się większe i mocniejsze (tj. Prędkość wydmuchu jonów musiałaby być znacznie wyższa), i można by wyciągnąć wystarczającą ilość paliwa, aby utrzymać lot statku kosmicznego podczas całej podróży trwającej 4,243 lata, czas podróży mógłby być znacznie większy zredukowany. Wciąż za mało, by wydarzyć się w życiu kogoś.
Metoda wspomagania grawitacyjnego:
Najszybszy istniejący środek podróży kosmicznej znany jest jako metoda Gravity Assist, polegająca na wykorzystaniu statku kosmicznego przy użyciu względnego ruchu (tj. Orbity), a grawitacja planety do zmiany jest drogą i prędkością. Wspomaganie grawitacyjne jest bardzo przydatną techniką lotów kosmicznych, szczególnie gdy używa się Ziemi lub innej masywnej planety (np. Gazowego giganta) do zwiększenia prędkości.
The Mariner 10 sonda kosmiczna jako pierwsza zastosowała tę metodę, wykorzystując siłę grawitacji Wenus, aby zrzucić ją w kierunku Merkurego w lutym 1974 roku. Voyager 1 sonda wykorzystała Saturna i Jowisza do procentów grawitacyjnych, aby osiągnąć swoją aktualną prędkość 60 000 km / h (38 000 mil / h) i wprowadzić ją w przestrzeń międzygwiezdną.
Jednak to był Helios 2 misja - która została uruchomiona w 1976 roku w celu zbadania ośrodka międzyplanetarnego od 0,3 AU do 1 AU do Słońca - który jest rekordem dla najwyższej prędkości osiągniętej dzięki pomocy grawitacyjnej. Wtedy, Helios 1 (który został wydany w 1974 roku) i Helios 2 pobił rekord najbliższego podejścia do Słońca. Helios 2 został wystrzelony przez konwencjonalny pojazd startowy NASA Titan / Centaur i umieszczony na wysoce eliptycznej orbicie.
Z powodu dużej mimośrodowości (0,54) sondy orbity słonecznej (190 dni) w peryhelium, Helios 2 był w stanie osiągnąć maksymalną prędkość ponad 240 000 km / h (150 000 mil / h). Ta prędkość orbitalna została osiągnięta jedynie przez przyciąganie grawitacyjne Słońca. Technicznie, Helios 2 prędkość peryhelium nie była procesem grawitacyjnym, była maksymalną prędkością orbitalną, ale mimo to jest rekordem najszybszego obiektu stworzonego przez człowieka.
Więc jeśli Voyager 1 podróżował w kierunku czerwonego karła Proxima Centauri ze stałą prędkością 60 000 km / h, pokonanie tej odległości zajęłoby 76 000 lat (lub ponad 2500 pokoleń). Ale gdyby udało mu się osiągnąć rekordową prędkość Helios 2Bliskie podejście Słońca - stała prędkość 240 000 km / h - zajmie 19 000 lat (lub ponad 600 pokoleń) do podróży 4.243 lat świetlnych. Znacząco lepiej, ale wciąż nie w dziedzinie praktyczności.
Napęd elektromagnetyczny (EM):
Inna proponowana metoda podróży międzygwiezdnych ma postać pędnika rezonansowego o częstotliwości radiowej (RF), znanego również jako napęd EM. Napęd ten, pierwotnie zaproponowany w 2001 roku przez Rogera K. Shawyera, brytyjskiego naukowca, który założył firmę Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), jest oparty na idei, że elektromagnetyczne wnęki mikrofalowe mogą umożliwiać bezpośrednią konwersję energii elektrycznej na ciąg .
Podczas gdy konwencjonalne pędniki elektromagnetyczne są zaprojektowane do napędzania określonego rodzaju masy (takiej jak cząstki zjonizowane), ten szczególny układ napędowy nie opiera się na masie reakcyjnej i nie emituje promieniowania kierunkowego. Taka propozycja spotkała się z dużym sceptycyzmem, głównie dlatego, że narusza prawo zachowania pędu - które stwierdza, że w systemie ilość pędu pozostaje stała i nie jest ani tworzona, ani niszczona, lecz zmienia się jedynie poprzez działanie siły.
Jednak ostatnie eksperymenty z tym projektem najwyraźniej dały pozytywne wyniki. W lipcu 2014 r. Na 50. Konferencji Wspólnego Napędu AIAA / ASME / SAE / ASEE w Cleveland w stanie Ohio naukowcy z zaawansowanych badań napędu NASA twierdzili, że z powodzeniem przetestowali nowy projekt napędu elektromagnetycznego.
Następnie w kwietniu 2015 r. Badacze z NASA Eagleworks (część Johnson Space Center) twierdzili, że pomyślnie przetestowali napęd w próżni, co wskazuje, że może on faktycznie działać w przestrzeni kosmicznej. W lipcu tego samego roku zespół badawczy z Wydziału Systemu Kosmicznego Uniwersytetu w Dreźnie zbudował własną wersję silnika i zaobserwował wykrywalny ciąg.
W 2010 r. Prof. Juan Yang z Northwestern Polytechnical University w Xi'an w Chinach zaczął publikować serię artykułów na temat swoich badań nad technologią EM Drive. Kulminacją tego był jej artykuł z 2012 r., W którym zgłosiła wyższą moc wejściową (2,5 kW) i przetestowała poziomy ciągu (720 mN). W 2014 r. Poinformowała ponadto o szeroko zakrojonych testach obejmujących pomiary temperatury wewnętrznej za pomocą wbudowanych termopar, co zdawało się potwierdzać, że system działał.
Zgodnie z obliczeniami opartymi na prototypie NASA (który dał oszacowaną moc 0,4 N / kilowat), statek kosmiczny wyposażony w napęd elektromagnetyczny może odbyć podróż do Plutona w mniej niż 18 miesięcy. To jedna szósta czasu, gdy dotarła tam sonda New Horizons, która podróżowała z prędkością blisko 58 000 km / h (36 000 mil / h).
Brzmi imponująco. Ale nawet w takim tempie zajęłoby statek wyposażony w silniki EM 13 000 lat aby statek dotarł do Proxima Centauri. Zbliżamy się, ale nie dość szybko! i do czasu, aż ostatecznie można udowodnić, że technologia działa, nie ma sensu umieszczanie naszych jaj w tym koszyku.
Nuclear Thermal / Nuclear Electric Propulsion (NTP / NEP):
Inną możliwością lotu międzygwiezdnego jest użycie statku kosmicznego wyposażonego w silniki jądrowe, które NASA rozwija od dziesięcioleci. W rakiecie Nuclear Thermal Propulsion (NTP) reakcje uranu lub deuteru są wykorzystywane do podgrzewania ciekłego wodoru wewnątrz reaktora, zamieniając go w zjonizowany gazowy wodór (plazmę), który jest następnie kierowany przez dyszę rakietową w celu wytworzenia ciągu.
Rakieta z napędem elektrycznym jądrowym (NEP) obejmuje ten sam podstawowy reaktor przekształcający swoje ciepło i energię w energię elektryczną, która następnie zasilałaby silnik elektryczny. W obu przypadkach rakieta opierałaby się na rozszczepieniu jądrowym lub syntezie jądrowej, aby generować napęd, a nie chemiczne, które były dotychczas podstawą NASA i wszystkich innych agencji kosmicznych.
W porównaniu z napędem chemicznym zarówno NTP, jak i NEC mają wiele zalet. Pierwszą i najbardziej oczywistą jest praktycznie nieograniczona gęstość energii, jaką oferuje w porównaniu do paliwa rakietowego. Ponadto silnik napędzany energią jądrową może również zapewnić lepszy ciąg w stosunku do ilości zastosowanego paliwa. Obniżyłoby to całkowitą ilość potrzebnego paliwa, a tym samym obniżyłoby wagę startową i koszt poszczególnych misji.
Chociaż nigdy nie latały żadne silniki jądrowo-termiczne, w ciągu ostatnich kilku dekad zbudowano i przetestowano kilka koncepcji projektowych oraz zaproponowano wiele koncepcji. Od tradycyjnej konstrukcji z rdzeniem stałym - takiej jak silnik nuklearny do zastosowania w pojazdach rakietowych (NERVA) - po bardziej zaawansowane i wydajne koncepcje oparte na rdzeniu ciekłym lub gazowym.
Jednak pomimo tych zalet w zakresie oszczędności paliwa i impulsu właściwego, najbardziej wyrafinowana koncepcja NTP ma maksymalny impuls właściwy wynoszący 5000 sekund (50 kN · s / kg). Korzystając z silników jądrowych napędzanych rozszczepieniem lub syntezą jądrową, naukowcy z NASA szacują, że dotarcie statku kosmicznego na Marsa zajęłoby tylko 90 dni, gdy planeta znajdowała się w „opozycji” - tj. Zaledwie 55 000 000 km od Ziemi.
Ale przystosowana do podróży w jedną stronę do Proxima Centauri, rakieta nuklearna nadal potrzebowałaby stuleci, aby przyspieszyć do punktu, w którym leciała ułamek prędkości światła. Wymagałoby to kilkudziesięciu lat podróży, a następnie wielu wieków spowolnienia przed dotarciem do celu. Podsumowując, wciąż o tym rozmawiamy 1000 lat zanim dotrze do celu. Dobry do misji międzyplanetarnych, niezbyt dobry do misji międzygwiezdnych.
Metody teoretyczne:
Przy użyciu istniejącej technologii czas wysłania naukowców i astronautów na misję międzygwiezdną byłby zbyt wolny. Jeśli chcemy odbyć tę podróż w ciągu jednego życia, a nawet pokolenia, potrzebne będzie coś bardziej radykalnego (aka. Wysoce teoretycznego). I choć tunele czasoprzestrzenne i silniki skokowe mogą być w tym momencie czystą fikcją, istnieją pewne dość zaawansowane pomysły, które były rozważane przez lata.
Pulsacyjny napęd jądrowy:
Napęd impulsu jądrowego jest teoretycznie możliwą formą szybkiej podróży kosmicznej. Koncepcję tę pierwotnie zaproponował w 1946 r. Stanisław Ulam, polsko-amerykański matematyk, który brał udział w Projekcie Manhattan, a wstępne obliczenia dokonali F. Reines i Ulam w 1947 r. Właściwy projekt - znany jako Projekt Orion - został zainicjowany w 1958 i trwał do 1963 roku.
Kierowany przez Teda Taylora z General Atomics i fizyka Freemana Dysona z Institute for Advanced Study w Princeton, Orion miał nadzieję wykorzystać moc pulsacyjnych wybuchów jądrowych, aby zapewnić ogromny ciąg o bardzo wysokim impulsie właściwym (tj. Wielkość ciągu w porównaniu do masy lub ilość sekund, przez które rakieta może bez przerwy strzelać).
W skrócie, konstrukcja Oriona obejmuje duży statek kosmiczny z dużym zapasem głowic termojądrowych, które osiągają napęd poprzez zwolnienie bomby za nią, a następnie jazdę na fali detonacyjnej za pomocą zamontowanego z tyłu padu zwanego „popychaczem”. Po każdym wybuchu siła wybuchowa byłaby absorbowana przez tę podkładkę popychacza, która następnie przekształca ciąg w pęd.
Choć nie jest to eleganckie jak na współczesne standardy, zaletą tego projektu jest to, że osiąga wysoki impuls właściwy - co oznacza, że pobiera maksymalną ilość energii ze źródła paliwa (w tym przypadku bomb nuklearnych) przy minimalnym koszcie. Ponadto koncepcja mogłaby teoretycznie osiągnąć bardzo duże prędkości, a niektóre szacunki sugerują, że wartość pola do piłki wynosi nawet 5% prędkości światła (lub 5,4 × 107 km / h).
Ale oczywiście są nieuniknione wady projektu. Po pierwsze, zbudowanie tego statku byłoby niezwykle drogie. Według szacunków opracowanych przez Dyson w 1968 roku, statek kosmiczny Orion, który używał bomb wodorowych do generowania napędu, ważyłby 400 000 do 4 000 000 ton metrycznych. Co najmniej trzy czwarte tej masy składa się z bomb nuklearnych, w których każda głowica waży około 1 tony metrycznej.
Podsumowując, najbardziej konserwatywne szacunki Dysona podały całkowity koszt budowy jednostki Oriona na 367 miliardów dolarów. Po skorygowaniu o inflację, osiąga około 2,5 biliona dolarów - co stanowi ponad dwie trzecie bieżących rocznych dochodów rządu USA. Dlatego nawet w najlżejszym stanie produkcja statku byłaby niezwykle droga.
Istnieje również niewielki problem z całym wytwarzanym przez nie promieniowaniem, nie mówiąc już o odpadach nuklearnych. W rzeczywistości z tego powodu uważa się, że projekt został zakończony z powodu uchwalenia traktatu o częściowym zakazie prób z 1963 r., Który miał na celu ograniczenie badań jądrowych i powstrzymanie nadmiernego uwalniania opadu jądrowego do atmosfery planety.
Rakiety Fusion:
Inna możliwość w dziedzinie zaprzęgniętej energii jądrowej obejmuje rakiety, które do generowania ciągu wykorzystują reakcje termojądrowe. W przypadku tej koncepcji energia powstaje, gdy peletki mieszanki deuteru / helu-3 są zapalane w komorze reakcyjnej przez bezwładne zamknięcie za pomocą wiązek elektronów (podobnie jak w National Ignition Facility w Kalifornii). Ten reaktor termojądrowy detonowałby 250 granulek na sekundę w celu wytworzenia wysokoenergetycznej plazmy, która byłaby następnie kierowana przez dyszę magnetyczną w celu wytworzenia ciągu.
Podobnie jak rakieta oparta na reaktorze jądrowym, koncepcja ta oferuje korzyści w zakresie oszczędności paliwa i konkretnego impulsu. Szacuje się prędkości spalin do 10 600 km / s, co znacznie przewyższa prędkość konwencjonalnych rakiet. Co więcej, technologia była intensywnie badana w ciągu ostatnich kilku dekad i zgłoszono wiele propozycji.
Na przykład w latach 1973–1978 Brytyjskie Towarzystwo Międzyplanetarne przeprowadziło studium wykonalności znane jako Projekt Daedalus. Opierając się na aktualnej wiedzy na temat technologii syntezy jądrowej i istniejących metod, badanie wezwało do stworzenia dwustopniowego bezzałogowego sondowania naukowego odbywającego podróż do Gwiazdy Barnarda (5,9 lat świetlnych od Ziemi) w ciągu jednego życia.
Pierwszy etap, większy z nich, działałby przez 2,05 roku i przyspieszyłby statek kosmiczny do 7,1% prędkości światła (o 0,71 do). Etap ten zostałby następnie odrzucony, w którym to momencie drugi etap zapaliłby silnik i przyspieszył statek kosmiczny do około 12% prędkości światła (0,12 do) w ciągu 1,8 roku. Silnik drugiego etapu zostałby wtedy wyłączony, a statek wszedłby w 46-letni okres rejsu.
Według szacunków projektu dotarcie do Gwiazdy Barnarda zajmie 50 lat. Dostosowane do Proxima Centauri, ta sama jednostka może odbyć podróż 36 lat. Ale oczywiście w ramach projektu zidentyfikowano również wiele przeszkód, które sprawiły, że stało się to niewykonalne przy użyciu ówczesnej technologii - z których większość wciąż pozostaje nierozwiązana.
Na przykład, jest fakt, że hel-3 jest rzadki na Ziemi, co oznacza, że musiałby być wydobywany gdzie indziej (najprawdopodobniej na Księżycu). Po drugie, reakcja, która napędza statek kosmiczny, wymaga, aby uwolniona energia znacznie przekraczała energię użytą do wywołania reakcji. I chociaż eksperymenty tutaj na Ziemi przekroczyły „próg rentowności”, wciąż jesteśmy daleko od rodzajów energii potrzebnej do zasilania statku kosmicznego międzygwiezdnego.
Po trzecie, istnieje czynnik kosztowy budowy takiego statku. Nawet według skromnego standardu bezzałogowego statku Project Daedalus, w pełni napędzany pojazd ważyłby aż 60 000 Mt. Mówiąc z perspektywy czasu, waga brutto SLA NASA wynosi nieco ponad 30 Mt, a pojedyncza premiera kosztuje 5 miliardów dolarów (na podstawie szacunków z 2013 roku).
Krótko mówiąc, rakieta fuzyjna byłaby nie tylko zbyt kosztowna w budowie; wymagałoby to również poziomu technologii reaktora termojądrowego, który obecnie jest poza naszymi możliwościami. Icarus Interstellar, międzynarodowa organizacja zrzeszająca naukowców-wolontariuszy (z których niektórzy pracowali dla NASA lub ESA) od tego czasu próbowała ożywić koncepcję w ramach projektu Icarus. Założona w 2009 roku grupa ma nadzieję, że napęd syntezy jądrowej (między innymi) będzie możliwy do zrealizowania w najbliższej przyszłości.
Fusion Ramjet:
Teoretyczna forma napędu, znana również jako Bussard Ramjet, została po raz pierwszy zaproponowana przez fizyka Roberta W. Bussarda w 1960 roku. Zasadniczo jest to ulepszenie w stosunku do standardowej rakiety syntezy jądrowej, która wykorzystuje pola magnetyczne do sprężania paliwa wodorowego do tego stopnia, że fuzja występuje. Ale w przypadku Ramjet ogromny lej elektromagnetyczny „czerpie” wodór z ośrodka międzygwiezdnego i zrzuca go do reaktora jako paliwo.
Gdy statek nabiera prędkości, masa reaktywna jest wpychana w stopniowo zwężane pole magnetyczne, ściskając je aż do wystąpienia fuzji termojądrowej. Pole magnetyczne kieruje następnie energię jako spaliny rakietowe przez dyszę silnika, przyspieszając w ten sposób statek. Bez żadnych zbiorników paliwa, które mogłyby go obciążyć, strumień strumieniowy syntezy jądrowej mógłby osiągnąć prędkości zbliżone do 4% prędkości światła i podróżować w dowolne miejsce w galaktyce.
Jednak potencjalne wady tego projektu są liczne. Na przykład istnieje problem przeciągania. Statek polega na zwiększonej prędkości gromadzenia paliwa, ale ponieważ zderza się z coraz większą ilością wodoru międzygwiezdnego, może również tracić prędkość - szczególnie w gęstszych regionach galaktyki. Po drugie, deuter i tryt (stosowane w reaktorach termojądrowych tutaj na Ziemi) są rzadkie w kosmosie, podczas gdy stopienie zwykłego wodoru (który jest obfity w kosmosie) wykracza poza nasze obecne metody.
Ta koncepcja została szeroko spopularyzowana w science fiction. Być może najbardziej znanym przykładem tego jest seria Star Trek, gdzie „kolektory Bussarda” to świecące gondole w silnikach osnowy. Ale w rzeczywistości nasza wiedza na temat reakcji syntezy jądrowej musi znacznie wzrosnąć, zanim możliwy będzie strumień strumieniowy. Musielibyśmy również odkryć ten problem z zaciąganiem się, zanim zaczęliśmy rozważać budowę takiego statku!
Laser Sail:
Żagle słoneczne od dawna są uważane za opłacalny sposób odkrywania Układu Słonecznego. Oprócz tego, że jest stosunkowo łatwy i tani w produkcji, istnieje dodatkowy bonus żagli słonecznych nie wymagających paliwa. Zamiast używać rakiet, które wymagają paliwa, żagiel wykorzystuje ciśnienie promieniowania gwiazd do wypychania dużych, ultracienkich luster do dużych prędkości.
Jednak ze względu na lot międzygwiezdny taki żagiel musiałby być napędzany przez skupione wiązki energii (tj. Lasery lub mikrofale), aby popchnąć go do prędkości zbliżonej do prędkości światła. Koncepcja została pierwotnie zaproponowana przez Roberta Forwarda w 1984 roku, który był wówczas fizykiem w laboratoriach badawczych Hughes Aircraft.
Koncepcja zachowuje zalety żagla słonecznego, ponieważ nie wymaga paliwa na pokładzie, ale także z faktu, że energia lasera nie rozprasza się z odległości prawie tak samo, jak promieniowanie słoneczne. Podczas gdy żagiel napędzany laserem potrzebowałby trochę czasu, aby przyspieszyć do prędkości prawie świetlnych, byłby ograniczony tylko do prędkości samego światła.
Według badań przeprowadzonych w 2000 r. Przez Roberta Frisbee, kierownika badań nad koncepcją zaawansowanego napędu w Jet Propulsion Laboratory NASA, żagiel laserowy można przyspieszyć do połowy prędkości światła w mniej niż dekadę. Obliczył również, że żagiel o średnicy około 320 km (200 mil) może dosięgnąć Proxima Centauri tuż za nim 12 lat. Tymczasem żagiel o średnicy około 965 km (600 mil) przypłynie tuż pod ziemią 9 lat.
Jednak taki żagiel musiałby być zbudowany z zaawansowanych kompozytów, aby uniknąć stopienia. W połączeniu z jego wielkością stanowi to ładny grosz! Jeszcze gorsze są same wydatki poniesione na zbudowanie lasera dużego i wystarczająco mocnego, aby poprowadzić żagiel do połowy prędkości światła. Według własnych badań Frisbee lasery wymagałyby stałego przepływu 17 000 terawatów mocy - blisko tego, co cały świat zużywa w ciągu jednego dnia.
Silnik antymaterii:
Fani science fiction z pewnością słyszeli o antymaterii. Ale jeśli tego nie zrobisz, antymateria jest zasadniczo materiałem złożonym z antycząstek, które mają tę samą masę, ale przeciwny ładunek niż zwykłe cząstki. Tymczasem silnik antymaterii jest formą napędu, która wykorzystuje interakcje między materią a antymaterią w celu wytworzenia mocy lub wytworzenia ciągu.
Krótko mówiąc, silnik antymaterii polega na zderzaniu się cząstek wodoru i przeciwwodornika. Ta reakcja uwalnia tyle samo energii co bomba termojądrowa, wraz z deszczem subatomowych cząstek zwanych pionami i mionami. Cząstki te, które poruszałyby się z prędkością 1/3 prędkości światła, są następnie kierowane przez dyszę magnetyczną w celu wytworzenia ciągu.
Zaletą tej klasy rakiet jest to, że duża część masy spoczynkowej mieszaniny materia / antymateria może zostać przekształcona w energię, dzięki czemu rakiety antymaterii mają znacznie wyższą gęstość energii i impuls właściwy niż jakakolwiek inna proponowana klasa rakiet. Co więcej, kontrolowanie tego rodzaju reakcji mogłoby doprowadzić rakietę do połowy prędkości światła.
Funt za funt, ta klasa statków byłaby najszybsza i najbardziej wydajna pod względem zużycia paliwa. Podczas gdy konwencjonalne rakiety wymagają ton paliwa chemicznego do napędzania statku kosmicznego do miejsca przeznaczenia, silnik antymaterii mógłby wykonać tę samą pracę przy zaledwie kilku miligramach paliwa. W rzeczywistości wzajemna anihilacja pół funta wodoru i cząstek przeciwwodnika uwolniłaby więcej energii niż 10-megatonowa bomba wodorowa.
Właśnie z tego właśnie powodu NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) badał technologię jako możliwy środek przyszłych misji Marsa. Niestety, rozważając misje do pobliskich układów gwiezdnych, ilość paliwa potrzebnego do podróży jest mnożona wykładniczo, a koszty związane z jej wytworzeniem byłyby astronomiczne (bez kalambury!).
Według raportu przygotowanego na 39. Konferencję i Wystawę Wspólną Napędu AIAA / ASME / SAE / ASEE (również przez Roberta Frisbee), dwustopniowa rakieta antymaterii potrzebowałaby ponad 815 000 ton metrycznych (900 000 ton amerykańskich) paliwa na podróż do Proxima Centauri za około 40 lat. To nie jest złe, jeśli chodzi o ramy czasowe. Ale znowu koszt…
Podczas gdy jeden gram antymaterii wytworzyłby niesamowitą ilość energii, szacuje się, że wyprodukowanie zaledwie jednego grama wymagałoby około 25 milionów miliardów kilowatogodzin energii i kosztowałoby ponad bilion dolarów. Obecnie całkowita ilość antymaterii stworzonej przez ludzi wynosi mniej niż 20 nanogramów.
A nawet gdybyśmy mogli taniej wyprodukować antymaterię, potrzebny byłby ogromny statek, aby pomieścić potrzebną ilość paliwa. Według raportu dr Darrela Smitha i Jonathana Webby'ego z Embry-Riddle Aeronautical University w Arizonie, statek międzygwiezdny wyposażony w silnik antymaterii może osiągnąć 0,5 prędkości światła i dotrzeć do Proxima Centauri nieco ponad 8 lat. Jednak sam statek ważyłby 400 ton metrycznych (441 ton amerykańskich) i potrzebowałby 170 ton metrycznych (187 ton amerykańskich) paliwa antymaterii na podróż.
Możliwym sposobem na obejście tego jest stworzenie statku, który może wytworzyć antymaterię, którą mógłby następnie przechowywać jako paliwo. Koncepcję tę, znaną jako System Badawczy Międzygwiezdnej Rakiety Próżni do Antymaterii (VARIES), zaproponował Richard Obousy z Icarus Interstellar. Opierając się na idei tankowania na miejscu, statek VARIES polegałby na dużych laserach (zasilanych ogromnymi układami słonecznymi), które tworzyłyby cząstki antymaterii po wystrzeleniu w pustą przestrzeń.
Podobnie jak koncepcja Ramjet, ta propozycja rozwiązuje problem przenoszenia paliwa poprzez wykorzystanie go z kosmosu. Ale po raz kolejny koszt takiego statku byłby zbyt kosztowny przy użyciu obecnej technologii. Ponadto możliwość tworzenia antymaterii w dużych ilościach nie jest obecnie czymś, co możemy zrobić. Jest także kwestia promieniowania, ponieważ anihilacja materii i antymaterii może wytwarzać podmuchy wysokoenergetycznych promieni gamma.
Stanowi to nie tylko zagrożenie dla załogi, wymagające znacznej osłony przed promieniowaniem, ale także wymaga osłony silników, aby zapewnić, że nie ulegną degradacji atomowej z powodu całego promieniowania, na które są narażeni. Podsumowując, silnik antymaterii jest całkowicie niepraktyczny z naszą obecną technologią i obecnym otoczeniem budżetowym.
Napęd osnowy Alcubierre:
Fani science fiction bez wątpienia znają również koncepcję napędu Alcubierre (lub „Warp”). Zaproponowana przez meksykańskiego fizyka Miguela Alcubierre'a w 1994 r. Ta zaproponowana metoda była próbą umożliwienia podróży FTL bez naruszenia teorii specjalnej teorii względności Einsteina. Krótko mówiąc, koncepcja obejmuje rozciąganie struktury czasoprzestrzeni na fali, co teoretycznie spowodowałoby kurczenie się przestrzeni przed obiektem i rozszerzanie się przestrzeni za nim.
Obiekt wewnątrz tej fali (tj. Statek kosmiczny) byłby wówczas w stanie pokonać tę falę, znany jako „bańka osnowy”, przekraczając prędkości relatywistyczne. Ponieważ statek nie porusza się w obrębie tej bańki, ale jest przenoszony podczas ruchu, zasady czasoprzestrzeni i względności przestałyby obowiązywać. Ponieważ metoda ta nie polega na poruszaniu się szybciej niż światło w sensie lokalnym.
Jest tylko „szybszy od światła” w tym sensie, że statek może dotrzeć do celu szybciej niż promień światła, który płynie poza bańką osnowy. Zakładając, że statek kosmiczny mógłby być wyposażony w system napędu Alcubierre, byłby w stanie odbyć podróż do Proxima Centauri w mniej niż 4 lata. Jeśli chodzi o teoretyczne międzygwiezdne podróże kosmiczne, jest to zdecydowanie najbardziej obiecująca technologia, przynajmniej pod względem prędkości.
Oczywiście koncepcja ta zyskała wiele kontrargumentów na przestrzeni lat. Najważniejszy z nich polega na tym, że nie uwzględnia mechaniki kwantowej i może zostać unieważniony przez Teorię Wszystko (np. Grawitację kwantową w pętli). Obliczenia ilości wymaganej energii wykazały również, że napęd warp wymagałby zaporowej ilości energii do pracy. Inne niepewności obejmują bezpieczeństwo takiego systemu, wpływ na czasoprzestrzeń w miejscu docelowym oraz naruszenia związku przyczynowego.
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!
