- Del 2 -
Vid någon tidpunkt i våra liv ställde var och en av oss denna fråga: hur länge ska vi flyga till stjärnorna? Är det möjligt att genomföra en sådan flygning i ett mänskligt liv, kan sådana flygningar bli normen i vardagen? Det finns många svar på denna svåra fråga, beroende på vem som ställer. Vissa är enkla, andra är svårare. För att hitta ett definitivt svar finns det för många saker att tänka på.
Tyvärr finns det inga riktiga uppskattningar som skulle hjälpa till att hitta ett sådant svar, och detta frustrerar futurister och interstellära reseentusiaster. Oavsett om vi gillar det eller inte, utrymmet är mycket stort (och komplex) och vår teknik är fortfarande begränsad. Men om vi någonsin bestämmer oss för att lämna vårt "häckbo", kommer vi att ha flera sätt att komma till närmaste stjärnsystem i vår galax.
Den närmaste stjärnan till vår jord är Solen, ganska en "genomsnittlig" stjärna enligt Hertzsprung-Russells "huvudsekvens" -schema. Detta innebär att stjärnan är mycket stabil och ger tillräckligt med solljus för att livet ska utvecklas på vår planet. Vi vet att andra planeter kretsar kring stjärnorna nära vårt solsystem, och många av dessa stjärnor liknar våra egna.
Möjliga bebobara världar i universum
I framtiden, om mänskligheten vill lämna solsystemet, kommer vi att ha ett stort urval av stjärnor som vi kan gå till, och många av dem kan mycket väl ha gynnsamma livsvillkor. Men vart ska vi gå och hur lång tid tar det oss att komma dit? Tänk på att allt är spekulationer och att det inte finns några landmärken för interstellär resor just nu. Som Gagarin sa, låt oss gå! Kampanjvideo:
Nå fram till stjärnan
Som redan nämnts är den närmaste stjärnan till vårt solsystem Proxima Centauri, och därför är det mycket meningsfullt att börja planera ett interstellärt uppdrag med det. En del av Alpha Centauri trippelstjärnsystem, Proxima är 4,24 ljusår (1,3 parsec) från jorden. Alpha Centauri är i själva verket den ljusaste stjärnan av de tre i systemet, en del av ett nära binärt system 4.37 ljusår från jorden - medan Proxima Centauri (den mörkaste av de tre) är en isolerad röd dvärg 0,13 ljusår bort. från ett dubbelt system.
Och medan konversationer om interstellär resor antyder alla typer av snabbare än lättare resor (från varphastigheter till maskhål till underrumsmotorer), är sådana teorier antingen mycket fiktiva (som Alcubierre-motoren) eller finns det bara inom science fiction. … Varje uppdrag till djupa rymden kommer att sträcka sig över generationer av människor.
Så, börjar med en av de långsammaste formerna av rymdresor, hur lång tid tar det att komma till Proxima Centauri?
Moderna metoder
Frågan om att uppskatta längden på resan i rymden är mycket enklare om befintliga tekniker och kroppar i vårt solsystem är involverade i det. Till exempel, med tekniken som används av New Horizons-uppdraget, 16 hydrazin-mono-bränslemotorer, kan du nå månen på bara 8 timmar och 35 minuter.
Det finns också Europeiska rymdorganisationens SMART-1-uppdrag, som drevs mot månen med jontryck. Med denna revolutionerande teknologi, en variant som rymdsonden för Dawn också använde för att nå Vesta, tog SMART-1-uppdraget ett år, en månad och två veckor för att nå månen.
Från ett snabbt raketfartyg till en ekonomisk jon-drivning, vi har ett par alternativ för att komma runt det lokala rymden - plus att du kan använda Jupiter eller Saturn som en jättekraftig tyngdpunkt. Ändå, om vi planerar att komma lite längre, måste vi bygga upp kraften i teknik och utforska nya möjligheter.
När vi pratar om möjliga metoder, pratar vi om sådana som involverar befintlig teknik, eller de som ännu inte finns, men som är tekniskt genomförbara. Vissa av dem är, som ni ser, tidtestade och bekräftade, medan andra fortfarande är ifrågasatta. Kort sagt, de representerar ett möjligt, men mycket tidskrävande och kostsamt scenario för att resa till närmaste stjärna.
Jonisk rörelse
För närvarande är den långsamaste och mest ekonomiska formen av motor jonmotorn. För flera decennier sedan ansågs jon framdrivning vara ämnet för science fiction. Men under de senaste åren har jonframdrivningsteknologier flyttats från teori till praktik och med stor framgång. Europeiska rymdorganisationens SMART-1-uppdrag är ett exempel på ett framgångsrikt uppdrag till månen på 13 månaders spiralrörelse från jorden.
SMART-1 använde soljonstrustare, där elektricitet samlades in av solpaneler och användes för att driva Hall-effektstrusterar. Det tog bara 82 kilo xenonbränsle för att få SMART-1 till månen. 1 kilo xenonbränsle ger ett delta-V på 45 m / s. Detta är en extremt effektiv rörelseform, men långt ifrån den snabbaste.
Ett av de första uppdragen som använde jonframdrivningsteknologi var uppdraget Deep Space 1 till Comet Borrelli 1998. DS1 använde också en xenonjonmotor och förbrukade 81,5 kg bränsle. I 20 månaders drivkraft utvecklade DS1 hastigheter på 56 000 km / h vid tidpunkten för kometens passering.
Jonmotorer är mer ekonomiska än raketeknologier eftersom deras drivkraft per massa av raketbränsle (specifik impuls) är mycket högre. Men jonstrusterar tar lång tid att påskynda ett rymdskepp till betydande hastigheter, och topphastigheten beror på bränslestöd och kraftproduktion.
Därför, om jonframdrivning används i ett uppdrag till Proxima Centauri, måste motorerna ha en kraftfull energikälla (kärnkraft) och stora reserver av bränsle (även om mindre än konventionella raketer). Men om du utgår från antagandet att 81,5 kg xenonbränsle översätter till 56 000 km / h (och det kommer inte att finnas några andra rörelser), kan du göra beräkningar.
Med en toppfart på 56 000 km / h skulle Deep Space 1 ta 81 000 år att resa 4,24 ljusår mellan Jorden och Proxima Centauri. Med tiden handlar det om 2700 generationer av människor. Det är säkert att säga att den interplanetära jon-drivenheten kommer att vara för långsam för ett bemannat interstellärt uppdrag.
Men om jonstrusterarna är större och kraftfullare (det vill säga, jonens utloppshastighet blir betydligt högre), om det finns tillräckligt med raketbränsle, vilket är tillräckligt för hela 4,24 ljusår, kommer resetiden att reduceras avsevärt. Men samtidigt kommer det att vara mycket längre än människolivets period.
Tyngdkraftsmanöver
Det snabbaste sättet att resa i rymden är att använda gravitation assist. Denna metod involverar rymdskeppet som använder den relativa rörelsen (dvs omloppsbana) och tyngdkraften på planeten för att förändra dess väg och hastighet. Gravitationsmanövrar är en extremt användbar teknik för rymdflukt, särskilt när man använder jorden eller en annan massiv planet (som en gasjätt) för acceleration.
Rymdskeppet Mariner 10 var den första som använde denna metod och använde Venus gravitationskraft för att accelerera mot Mercury i februari 1974. På 1980-talet använde Voyager 1-sonden Saturnus och Jupiter för gravitationsmanövrar och acceleration till 60 000 km / h, följt av en utgång till det interstellära utrymmet.
Helios 2-uppdraget, som började 1976 och skulle utforska den interplanetära miljön mellan 0,3 AU. e. och 1 a. Det är, från solen, rekordet för den högsta hastigheten som utvecklats med hjälp av en gravitationsmanöver. Vid den tiden höll Helios 1 (lanserades 1974) och Helios 2 rekordet för den närmaste tillvägagångssättet till solen. Helios 2 sjösattes av en konventionell raket och placerades i en mycket långsträckt bana.
På grund av den stora excentriciteten (0,54) i den 190-dagars solbanan lyckades Helios 2 nå en maxhastighet på över 240 000 km / h på perihelion. Denna omloppshastighet utvecklades endast av solens gravitationsattraktion. Tekniskt sett var perihelionshastigheten för Helios 2 inte resultatet av gravitationsmanöver, utan den maximala omloppshastigheten, men enheten har fortfarande rekordet för det snabbaste konstgjorda föremålet.
Om Voyager 1 rörde sig mot den röda dvärgen Proxima Centauri med en konstant hastighet av 60 000 km / h, skulle det ta 76 000 år (eller mer än 2500 generationer) att täcka det avståndet. Men om sonden skulle nå rekordhastigheten för Helios 2 - en konstant hastighet på 240 000 km / h - skulle det ta 19 000 år (eller mer än 600 generationer) att resa 4 243 ljusår. Mycket bättre, men inte alls praktiskt.
Elektromagnetisk motor EM-drivenhet
En annan föreslagen metod för interstellär resa är en resonanshålighetsfrekvensmotor, även känd som EM Drive. Motorn, som föreslogs 2001 av Roger Scheuer, en brittisk forskare som skapade Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) för att genomföra projektet, är motorn baserad på idén att elektromagnetiska mikrovågshålrum direkt kan omvandla elektricitet till drivkraft.
Medan traditionella elektromagnetiska motorer är utformade för att driva en specifik massa (såsom joniserade partiklar) beror detta speciella framdrivningssystem inte på massans reaktion och avger inte riktningsstrålning. I allmänhet hälsades denna motor med en god mängd skepsis till stor del för att den bryter mot lagen om bevarande av fart, enligt vilken systemets fart fortfarande är konstant och inte kan skapas eller förstöras, utan endast ändras under kraftinsats.
Ändå har de senaste experimenten med denna teknik tydligt lett till positiva resultat. I juli 2014, vid den 50: e AIAA / ASME / SAE / ASEE gemensamma framdrivningskonferensen i Cleveland, Ohio, meddelade NASA: s avancerade jetforskare att de framgångsrikt hade testat en ny elektromagnetisk motordesign.
I april 2015 sa forskare vid NASA Eagleworks (del av Johnson Space Center) att de framgångsrikt har testat motorn i vakuum, vilket kan indikera en möjlig tillämpning i rymden. I juli samma år utvecklade en grupp forskare från rymdsystemavdelningen vid Dresden tekniska universitet sin egen version av motorn och observerade konkret kraft.
2010 började professor Zhuang Yang från Northwestern Polytechnic University i Xi'an, Kina, publicera en serie artiklar om sin forskning om EM Drive-teknik. 2012 rapporterade den en hög ingångseffekt (2,5 kW) och en fast drivkraft på 720 mn. 2014 genomförde hon också omfattande tester, inklusive interna temperaturmätningar med inbyggda termoelement, som visade att systemet fungerade.
Enligt beräkningar baserade på NASA-prototypen (som fick en effektbetyg på 0,4 N / kilowatt) kan ett rymdskepp med elektromagnetisk kraft göra en resa till Pluto på mindre än 18 månader. Detta är sex gånger mindre än vad som krävdes av New Horizons-sonden, som rörde sig med en hastighet av 58 000 km / h.
Låter imponerande. Men även i detta fall kommer fartyget på elektromagnetiska motorer att flyga till Proxima Centauri i 13 000 år. Nära, men ändå inte tillräckligt. Dessutom, tills alla prickar är prickade i denna teknik, är det för tidigt att prata om dess användning.
Kärnkrafts- och kärnkraftframdrivning
En annan möjlighet att utföra en interstellär flygning är att använda ett rymdskepp utrustat med kärnmotorer. NASA har studerat sådana alternativ i decennier. En kärnkraftig termisk framdrivningsraket kan använda uran- eller deuteriumreaktorer för att värma väte i reaktorn och omvandla den till joniserad gas (vätgasplasma), som sedan skulle ledas in i raketmunstycket och generera drivkraft.
En kärnkrafts raket innehåller samma reaktor som omvandlar värme och energi till elektricitet, som sedan driver elmotorn. I båda fallen kommer raketen att förlita sig på kärnfusion eller kärnklyvning för att skapa drivkraft, snarare än det kemiska bränslet som alla moderna rymdbyråer arbetar med.
Jämfört med kemiska motorer har kärnkraftsmotorer obestridliga fördelar. För det första är det praktiskt taget obegränsad energitäthet jämfört med raketbränsle. Dessutom kommer kärnkraftsmotorn att generera mer kraft än mängden bränsle som används. Detta kommer att minska mängden bränsle som krävs, och samtidigt vikten och kostnaden för en speciell apparat.
Även om termiska kärnkraftsmotorer ännu inte har gått in i rymden, har deras prototyper skapats och testats, och ännu fler har föreslagits.
Trots fördelarna med bränsleekonomi och specifik impuls, har det bästa av de föreslagna kärnkraftsmotorkoncepten en maximal specifik impuls på 5000 sekunder (50 kNs / kg). Med hjälp av kärnmotorer som drivs av klyvning eller fusion, kunde NASA-forskare leverera ett rymdskepp till Mars på bara 90 dagar om Röda planeten är 55 000 000 kilometer från jorden.
Men när det gäller resor till Proxima Centauri, kommer det att ta en kärnkraftsraket århundraden att accelerera till en betydande del av ljusets hastighet. Då kommer det att ta flera decennier av vägen, och efter dem många århundraden av hämning på vägen mot målet. Vi är fortfarande 1000 år från vår destination. Vad är bra för interplanetära uppdrag, inte så bra för interstellära uppdrag.
- Del 2 -
