Artikelens författare berättar i detalj om fyra lovande tekniker som ger människor möjlighet att nå någon plats i universum under ett mänskligt liv. Som jämförelse: med modern teknik tar vägen till ett annat stjärnsystem cirka 100 tusen år.
Ända sedan människan först tittade in på natthimlen drömmer vi om att besöka andra världar och se universum. Och även om våra kemikalieeldade raketer redan har nått många planeter, månar och andra kroppar i solsystemet, täckte rymdskeppet längst från jorden, Voyager 1, bara 22,3 miljarder kilometer. Detta är bara 0,056% av avståndet till närmaste kända stjärnsystem. Med modern teknik tar vägen till ett annat stjärnsystem cirka 100 tusen år.
Det finns dock inget behov av att agera som vi alltid har gjort. Effektiviteten av att skicka fordon med en stor nyttolast, även med människor ombord, över enastående avstånd i universum kan förbättras kraftigt om rätt teknik används. Mer specifikt finns det fyra lovande tekniker som kan få oss till stjärnorna på mycket kortare tid. Här är de.
1). Kärnteknik. Hittills i mänsklig historia har alla rymdfarkoster som sjösattes ut i rymden en sak gemensamt: en kemisk eldad motor. Ja, raketbränsle är en speciell blandning av kemikalier som är utformade för att ge maximal drivkraft. Uttrycket "kemikalier" är viktigt här. Reaktionerna som ger energi till motorn baseras på omfördelningen av bindningar mellan atomer.
Detta begränsar våra handlingar i grunden! Den överväldigande majoriteten av massan hos en atom faller på dess kärna - 99,95%. När en kemisk reaktion börjar distribueras de elektroner som roterar kring atomerna och släpper vanligtvis som energi cirka 0,0001% av den totala massan av atomerna som deltar i reaktionen, enligt Einsteins berömda ekvation: E = mc2. Detta innebär att för varje kilogram bränsle som laddas in i raketten, under reaktionen, får du energi motsvarande cirka 1 milligram.
Men om kärnkrafts raketer används kommer situationen att vara dramatiskt annorlunda. Istället för att förlita sig på förändringar i konfigurationen av elektroner och hur atomer binds med varandra, kan du släppa ut en relativt stor mängd energi genom att påverka hur atomkärnorna kopplas samman. När du klyver en uranatom genom att bombardera den med neutroner, avger den mycket mer energi än någon kemisk reaktion. 1 kilo uran-235 kan frigöra en mängd energi motsvarande 911 milligram massa, vilket är nästan tusen gånger effektivare än kemiskt bränsle.
Vi skulle kunna göra motorerna ännu effektivare om vi behärskar kärnfusion. Exempelvis ett system med tröghetsstyrd termonukleär fusion, med hjälp av vilket det skulle vara möjligt att syntetisera väte till helium, en sådan kedjereaktion inträffar på solen. Syntesen av 1 kilo vätebränsle till helium omvandlar 7,5 kilo massa till ren energi, vilket är nästan 10 tusen gånger effektivare än kemiskt bränsle.
Tanken är att få samma acceleration för en raket under en mycket längre tid: hundratals eller till och med tusentals gånger längre än nu, vilket skulle göra det möjligt för dem att utveckla hundratals eller tusentals gånger snabbare än konventionella raketer idag. En sådan metod skulle minska tiden för interstellär flygning till hundratals eller till och med tiotals år. Detta är en lovande teknologi som vi kommer att kunna använda fram till 2100, beroende på tempo och riktning för vetenskapens utveckling.
Kampanjvideo:
2). En stråle av kosmiska lasrar. Denna idé är kärnan i genombrottet Starshot-projektet som blev berömt för några år sedan. Under åren har konceptet inte förlorat sin attraktivitet. Medan en konventionell raket bär bränsle med sig och förbrukar den för acceleration, är nyckeln med denna teknik en stråle av kraftfulla lasrar som ger rymdskeppet den nödvändiga impulsen. Med andra ord kommer källan till acceleration att kopplas bort från själva fartyget.
Detta koncept är både spännande och revolutionerande på många sätt. Laserteknologier utvecklas framgångsrikt och blir inte bara mer kraftfulla utan också mycket kollimerade. Så om vi skapar ett segelliknande material som reflekterar en tillräckligt hög andel laserljus, kan vi använda ett laserskott för att få rymdskeppet att utveckla kolossala hastigheter. Ett "rymdskepp" som väger ~ 1 gram förväntas nå en hastighet av ~ 20% av ljusets hastighet, vilket gör att det kan flyga till närmaste stjärna, Proxima Centauri, på bara 22 år.
Naturligtvis för detta måste vi skapa en enorm laserstråle (cirka 100 km2), och detta måste göras i rymden, även om detta är mer ett kostnadsproblem än teknik eller vetenskap. Det finns emellertid ett antal problem som måste övervinnas för att kunna genomföra ett sådant projekt. Bland dem:
- ett segel som inte stöds kommer att rotera, en slags (ännu inte utvecklad) stabiliseringsmekanism krävs;
- oförmågan att bromsa när destinationspunkten uppnås, eftersom det inte finns bränsle ombord;
- även om det visar sig att skala enheten för att transportera människor, kommer en person inte att kunna överleva med en enorm acceleration - en betydande skillnad i hastighet på kort tid.
Kanske en dag kommer tekniken att kunna ta oss till stjärnorna, men det finns ingen framgångsrik metod för en person att nå en hastighet som är lika med ~ 20% av ljusets hastighet.
3). Antimatera bränsle. Om vi fortfarande vill ha bränsle med oss kan vi göra det så effektivt som möjligt: det kommer att baseras på förintelsen av partiklar och antipartiklar. Till skillnad från kemiskt eller kärnbränsle, där bara en bråkdel av massan ombord omvandlas till energi, använder partikel-antipartikelförstörelse 100% av massan av både partiklar och antipartiklar. Förmågan att konvertera allt bränsle till pulserad energi är den högsta nivån på bränsleeffektivitet.
Svårigheter uppstår vid tillämpningen av denna metod i praktiken inom tre huvudområden. Specifikt:
- skapande av stabilt neutralt antimateria;
- förmågan att isolera den från vanlig materia och exakt kontrollera den;
- producera antimateria i tillräckligt stora mängder för interstellär flygning.
Lyckligtvis arbetar de två första numren redan.
Europeiska organisationen för kärnforskning (CERN), hem till den stora Hadron Collider, har ett enormt komplex som kallas "antimaterifabriken". Där undersöker sex oberoende team av forskare egenskaperna för antimateria. De tar antiprotoner och bromsar ner dem och tvingar positronen att binda till dem. Så här skapas antiatomer eller neutralt antimateria.
De isolerar dessa antatomer i en behållare med olika elektriska och magnetiska fält som håller dem på plats, bort från väggarna i en behållare gjord av materia. Vid det mitten av 2020 har de framgångsrikt isolerat och stabiliserat flera antiatomer i en timme åt gången. Under de närmaste åren kommer forskare att kunna kontrollera rörelsen av antimateria inom gravitationen.
Denna teknik kommer inte att finnas tillgänglig för oss inom en snar framtid, men det kan visa sig att vårt snabbaste sätt att interstellär resa är en antimateriell raket.
4). Starship om mörk materia. Detta alternativ förlitar sig verkligen på antagandet att alla partiklar som är ansvariga för mörk materia uppträder som en boson och är dess egna antipartikel. I teorin har mörk materia, som är dess egen antipartikel, en liten, men inte noll, chans att förintas med någon annan partikel av mörk materia som kolliderar med den. Vi kan potentiellt använda den energi som frigörs till följd av kollisionen.
Det finns möjliga bevis för detta. Som ett resultat av observationer har det konstaterats att Vintergatan och andra galaxer har ett oförklarligt överskott av gammastrålning som kommer från deras centra, där koncentrationen av mörk energi borde vara högst. Det finns alltid möjligheten att det finns en enkel astrofysisk förklaring till detta, till exempel pulsars. Det är dock möjligt att detta fortfarande är mörk materia som förintar sig själv i galaxens centrum och därmed ger oss en otrolig idé - ett rymdskepp på mörk materia.
Fördelen med denna metod är att mörk materia finns bokstavligen överallt i galaxen. Det betyder att vi inte behöver ta med oss bränsle på resan. Istället kan den mörka energin "reaktorn" helt enkelt göra följande:
- ta alla mörka ämnen som finns i närheten;
- påskynda dess förintelse eller låta den förintas naturligt;
- omdirigera den mottagna energin för att få fart i valfri riktning.
En människa kunde kontrollera storleken och kraften hos reaktorn för att uppnå de önskade resultaten.
Utan behov av bränsle ombord försvinner många av problemen med framdrivningsdriven rymdresa. Istället kommer vi att kunna uppnå den älskade drömmen om varje resa - obegränsad konstant acceleration. Detta kommer att ge oss den mest otänkbara förmågan - förmågan att nå vilken plats som helst i universum under ett mänskligt liv.
Om vi begränsar oss till befintliga raketteknologier, kommer vi att behöva minst tiotusentals år för att resa från jorden till närmaste stjärnsystem. Men betydande framsteg inom motortekniken är nära till hands och kommer att minska restiderna till ett mänskligt liv. Om vi kan hantera användningen av kärnbränsle, kosmiska laserstrålar, antimateria eller till och med mörk materia, kommer vi att uppfylla vår egen dröm och bli en rymdcivilisation utan att använda störande tekniker som varpdrivare.
Det finns många potentiella sätt att förvandla vetenskapsbaserade idéer till genomförbara nästa generations motorteknologier i verklig värld. Det är mycket möjligt att vid slutet av århundradet kommer ett rymdskepp, som ännu inte har uppfunnits, ta platsen för New Horizons, Pioneer och Voyager som de mest avlägsna konstgjorda föremålen från jorden. Vetenskapen är redan klar. Det återstår för oss att se bortom vår nuvarande teknik och göra denna dröm till verklighet.
