- Del 1 -
Om du använder befintlig teknik kommer det att ta mycket, mycket lång tid att skicka forskare och astronauter på ett interstellärt uppdrag. Resan kommer att vara smärtsam lång (även enligt kosmiska standarder). Om vi vill göra en sådan resa i minst ett liv, ja, eller en generation, behöver vi mer radikala (läs: rent teoretiska) åtgärder. Och om maskhål och delrumsmotorer är helt fantastiska just nu har det funnits andra idéer i många år som vi tror på.
Kärnkraftverk
Ett kärnkraftverk är en teoretiskt möjlig "motor" för snabb rymdfärd. Konceptet föresloges ursprungligen av Stanislav Ulam 1946, en polsk-amerikansk matematiker som deltog i Manhattan-projektet, och de preliminära beräkningarna gjordes av F. Reines och Ulam 1947. Orion-projektet lanserades 1958 och fanns till 1963.
Under ledning av Ted Taylor från General Atomics och fysiker Freeman Dyson från Institute for Advanced Study vid Princeton, skulle Orion utnyttja kraften hos pulserade kärnkraftsexplosioner för att leverera enormt kraft med mycket hög specifik impuls.
Kampanjvideo:
I ett nötskal innehåller Project Orion ett stort rymdskepp som tar upp hastigheten genom att stödja termonukleära stridsspetsar, mata ut bomber bakom och accelerera när en sprängvåg flyr in i en bakmonterad pusher, en tryckpanel. Efter varje tryck absorberas explosionens kraft av denna panel och omvandlas till rörelse framåt.
Även om denna design knappast är elegant enligt moderna standarder, är fördelen med konceptet att det ger en hög specifik kraft - det vill säga den extraherar den maximala mängden energi från en bränslekälla (i detta fall kärnbomber) till lägsta kostnad. Dessutom kan detta koncept teoretiskt accelerera mycket höga hastigheter, enligt vissa uppskattningar, upp till 5% av ljusets hastighet (5,4 x 107 km / h).
Naturligtvis har detta projekt oundvikliga nackdelar. Å ena sidan skulle ett fartyg av denna storlek vara extremt dyrt att bygga. 1968 uppskattade Dyson att rymdskeppet Orion, som drivs av vätebomber, skulle väga mellan 400 000 och 4 000 000 ton. Och åtminstone tre fjärdedelar av den vikten kommer från kärnbomber, som alla väger cirka ett ton.
Dysons konservativa uppskattning visade att den totala kostnaden för att bygga Orion skulle ha varit 367 miljarder dollar. Justerat för inflation är detta belopp 2,5 biljoner dollar, vilket är ganska mycket. Även med de mest konservativa uppskattningarna kommer enheten att vara extremt dyr att tillverka.
Det finns också ett litet strålningsproblem som den kommer att avge, för att inte tala om kärnavfall. Det antas att det var av detta skäl som projektet avbröts under det partiella testförbudsfördraget från 1963, då världsregeringar försökte begränsa kärnkraftsförsök och stoppa överdrivet frisläppande av radioaktivt nedfall i planetens atmosfär.
Raketer med kärnfusion
En annan möjlighet att använda kärnenergi är termonukleära reaktioner för att generera drivkraft. Enligt detta koncept måste energi skapas genom tröghållningsinneslutning som antänder pellets av en blandning av deuterium och helium-3 i en reaktionskammare med elektronstrålar (liknande vad som görs vid National Ignition Complex i Kalifornien). En sådan fusionsreaktor skulle detonera 250 pellets per sekund och skapa en högenergiplasma, som sedan omdirigeras till ett munstycke och skapar tryck.
Liksom en raket som förlitar sig på en kärnreaktor, har detta koncept fördelar när det gäller bränsleeffektivitet och specifik impuls. Den uppskattade hastigheten bör uppgå till 10 600 km / h, långt över hastighetsgränserna för konventionella raketer. Dessutom har denna teknik studerats omfattande under de senaste decennierna och många förslag har lagts fram.
Mellan 1973 och 1978 genomförde till exempel British Interplanetary Society en genomförbarhetsstudie för Project Daedalus. Med hjälp av modern kunskap och teknik om termonukleär fusion krävde forskare konstruktionen av en tvåstegs obemannad vetenskaplig sond som kunde nå Barnards Star (5,9 ljusår från jorden) under en mänsklig livstid.
Det första steget, det största av de två, skulle köras i 2,05 år och påskynda fartyget till 7,1% ljusets hastighet. Sedan kasseras detta steg, det andra antänds och apparaten accelererar till 12% av ljusets hastighet på 1,8 år. Sedan stängs den andra etappen av, och fartyget har flygt i 46 år.
Project Daedalus uppskattar att det skulle ta uppdraget 50 år att nå Barnards Star. Om till Proxima Centauri kommer samma fartyg att nå inom 36 år. Men naturligtvis inkluderar projektet en hel del olösta problem, särskilt olösliga med användning av modern teknik - och de flesta av dem har ännu inte lösts.
Till exempel finns det praktiskt taget inget helium-3 på jorden, vilket innebär att det måste brytas någon annanstans (troligen på månen). För det andra kräver reaktionen som driver fartyget att den utsända energin är mycket större än den energi som användes för att utlösa reaktionen. Och även om experiment på jorden redan har överträffat "break-even point", är vi fortfarande långt ifrån den mängd energi som kan driva ett interstellärt fordon.
För det tredje finns det fortfarande frågan om kostnaden för ett sådant fartyg. Även enligt de blygsamma standarderna för ett obemannat fordon från Project Daedalus skulle ett fullt utrustat fordon väga 60 000 ton. Bara så att du vet, bruttovikten för NASA SLS är drygt 30 ton, och enbart lanseringen kostar $ 5 miljarder (2013 uppskattningar).
Kort sagt kommer en fusionsraket inte bara att vara för dyr att bygga utan den kommer också att kräva en fusionsreaktornivå långt utöver våra förmågor. Icarus Interstellar, en internationell organisation av civila forskare (av vilka några har arbetat för NASA eller ESA), försöker återuppliva konceptet med Project Icarus. Gruppen som samlades 2009 hoppas göra fusionsrörelsen (och andra) möjlig under överskådlig framtid.
Termonukleär ramjet
Även känd som Bussard ramjet, föresloges motoren först av fysikern Robert Bussard 1960. I sin kärna är det en förbättring av den termonukleära raketten som använder magnetfält för att komprimera vätebränsle till fusionspunkten. Men när det gäller en ramjetmotor suger en enorm elektromagnetisk tratt väte från det interstellära mediet och häller den i reaktorn som bränsle.
När fordonet tar fart, kommer den reaktiva massan in i det begränsande magnetfältet, som komprimerar det innan fusionen börjar. Magnetfältet leder sedan energi in i raketmunstycket och accelererar fartyget. Eftersom inga bränsletankar saktar ner den, kan en termonukleär ramjet nå hastigheter i storleksordningen 4% ljus och gå någonstans i galaxen.
Ändå har detta uppdrag många möjliga nackdelar. Till exempel problemet med friktion. Rymdskeppet förlitar sig på höga bränsleuppsamlingshastigheter, men det kommer också att kollidera med stora mängder interstellärt väte och förlora hastighet - särskilt i täta områden i galaxen. För det andra finns det inte mycket deuterium och tritium (som används i reaktorer på jorden) i rymden, och syntesen av vanligt väte, som är rikligt i rymden, är fortfarande utanför vår kontroll.
Men science fiction har vuxit till att älska detta koncept. Det mest kända exemplet är kanske Star Trek-franchisen, som använder Bussard Collectors. I verkligheten är vår förståelse av fusionsreaktorer ingenstans nära så perfekt som vi skulle vilja.
Lasersegel
Solseglar har länge betraktats som ett effektivt sätt att erövra solsystemet. Förutom att de är relativt enkla och billiga att göra har de ett stort plus: de behöver inte bränsle. Istället för att använda raketer som behöver bränsle, använder seglet trycket från strålningen från stjärnorna för att driva ultratunna speglar till höga hastigheter.
När det gäller en interstellär flygning måste ett sådant segel emellertid drivas med fokuserade strålar av energi (laser eller mikrovågor) för att accelerera till nära ljushastighet. Konceptet föreslogs först av Robert Forward 1984, en fysiker vid Hughes Aircraft Laboratory.
Hans idé behåller fördelarna med ett solsegel genom att det inte kräver bränsle ombord, och att laserenergi inte sprids över ett avstånd på samma sätt som solstrålning. Medan laserseglet kommer att ta lite tid att accelerera till hastighet nära ljus, kommer det följaktligen att begränsas endast av ljusets hastighet.
Enligt en 2000-studie från Robert Frisbee, chef för avancerad framdrivningsforskning vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory, skulle ett lasersegla träffa halva ljusets hastighet på mindre än tio år. Han beräknade också att ett segel med en diameter på 320 kilometer kunde nå Proxima Centauri på 12 år. Under tiden kommer ett segel på 965 kilometer i diameter att ankomma på bara 9 år.
Ett sådant segel måste dock byggas av avancerade kompositmaterial för att undvika smältning. Vilket kommer att vara särskilt svårt med tanke på segelens storlek. Kostnaden är ännu sämre. Enligt Frisbee kommer lasrar att behöva en jämn ström av 17 000 terawatts energi - ungefär hur mycket världen förbrukar på en dag.
Antimattermotor
Science-fictionälskare är väl medvetna om vad antimateria är. Men om du glömde är antimateria ett ämne som består av partiklar som har samma massa som vanliga partiklar, men med motsatt laddning. En antimateriell motor är en hypotetisk motor som förlitar sig på interaktioner mellan materia och antimateria för att generera energi eller skapa kraft.
I korthet använder en antimattermotor partiklar av väte och anti-väte som kolliderar med varandra. Den energi som släpps ut i förintelsen är i volym jämförbar med energin från explosionen av en termonukleär bomb som åtföljs av en ström av subatomära partiklar - pioner och muoner. Dessa partiklar, som går med en tredjedel av ljusets hastighet, omdirigeras till magnetmunstycket och alstrar tryck.
Fördelen med denna klass raketer är att det mesta av massan av material / antimateriblandning kan omvandlas till energi, vilket ger en hög energitäthet och specifik impuls som är överlägsen alla andra raketer. Dessutom kan utrotningsreaktionen påskynda raketen till halva ljusets hastighet.
Denna klass av missiler kommer att vara den snabbaste och mest energieffektiva möjliga (eller omöjliga, men föreslagna). Om konventionella kemiska raketer kräver massor av bränsle för att driva ett rymdskepp till sin destination, kommer en antimattermotor att göra samma jobb med några milligram bränsle. Ömsesidig förstörelse av ett halvt kilo väte och anti-vätepartiklar frigör mer energi än en 10-megatons vätebomb.
Det är av detta skäl som NASA: s Advanced Concepts Institute undersöker denna teknik som möjligt för framtida uppdrag till Mars. Tyvärr, när man tittar på uppdrag till stjärnanläggningar i närheten, växer mängden bränsle som behövs exponentiellt och kostnaderna blir astronomiska (och detta är inte en ordlek).
Enligt en rapport utarbetad för den 39: e AIAA / ASME / SAE / ASEE gemensamma framdriftskonferensen och utställningen, kommer en tvåstegs antimaterielraket att kräva mer än 815 000 ton bränsle för att nå Proxima Centauri på 40 år. Det är relativt snabbt. Men priset …
Även om ett gram antimateria producerar en otrolig mängd energi, skulle en gramproduktion ensam kräva 25 miljoner miljarder kilowattimmar energi och skulle uppgå till en biljon dollar. För närvarande är den totala mängden antimateria som har skapats av människor mindre än 20 nanogram.
Och även om vi skulle kunna producera antimateria billigt, skulle vi behöva ett massivt fartyg som kan hålla den nödvändiga mängden bränsle. Enligt en rapport från Dr. Darrell Smith och Jonathan Webby från Embry-Riddle Aviation University i Arizona, kunde ett antimateriellt drivet interstellärt fartyg ta upp 0,5 ljushastighet och nå Proxima Centauri på drygt åtta år. Dock skulle själva fartyget väga 400 ton och kräva 170 ton antimateriellt bränsle.
En möjlig väg runt detta är att skapa ett fartyg som kommer att skapa antimateria och sedan använda det som bränsle. Detta koncept, känt som Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), föreslogs av Richard Obausi från Icarus Interstellar. VARIES, som bygger på idén om upparbetning på plats, skulle använda stora lasrar (drivna av enorma solpaneler) för att skapa antimateriella partiklar när de skjuts in i tomt utrymme.
I likhet med konceptet med en termonukleär ramjetmotor löser detta förslag problemet med att transportera bränsle genom att extrahera det direkt från rymden. Men återigen kommer kostnaderna för ett sådant fartyg att vara extremt höga om de byggs med våra moderna metoder. Vi kan helt enkelt inte skapa antimateria i massiv skala. Strålningsproblemet måste också tas upp, eftersom förintelsen av materia och antimateria ger skador av högenergiska gammastrålar.
De utgör inte bara en fara för besättningen, utan också för motorn, så att de inte faller isär i subatomära partiklar under påverkan av all denna strålning. Kort sagt, en antimattermotor är helt opraktisk med vår nuvarande teknik.
Alcubierre Warp Drive
Science-fictionälskare är utan tvekan bekant med konceptet för varp-enheten (eller Alcubierre-enheten). Denna idé föreslogs av den mexikanska fysikern Miguel Alcubierre 1994 och var ett försök att föreställa sig omedelbar rörelse i rymden utan att kränka Einsteins speciella relativitetsteori. Kort sagt innebär detta koncept sträckning av tyget i rymdtiden till en våg, vilket teoretiskt skulle få utrymmet framför objektet att dra sig samman och bakom det expandera.
Ett objekt inuti denna våg (vårt skepp) kommer att kunna rida på denna våg, i en "varpbubbla", med en hastighet mycket högre än den relativistiska. Eftersom fartyget inte rör sig i själva bubblan utan bärs av det kommer lagen om relativitet och rymdtid inte att kränkas. I själva verket innebär denna metod inte rörelse snabbare än ljusets hastighet i lokal mening.
Det är "snabbare än ljus" bara i den meningen att fartyget kan nå sin destination snabbare än en ljusstråle som reser utanför varpbubblan. Förutsatt att rymdskeppet är utrustat med Alcubierre-systemet kommer det att nå Proxima Centauri på mindre än fyra år. Därför, om vi pratar om teoretisk interstellär rymdresa, är detta den överlägset mest lovande tekniken vad gäller hastighet.
Naturligtvis är hela detta koncept extremt kontroversiellt. Argument mot till exempel inkluderar att det inte tar hänsyn till kvantmekanik och kan motbevisas av en teori om allt (som slingkvanttyngd). Beräkningar av den erforderliga mängden energi visade också att varpdrivningen skulle vara oöverkomligt glupsk. Andra osäkerhetsfaktorer inkluderar säkerheten för ett sådant system, effekter på platsen vid destinationen och överträdelser av orsakssamband.
Men 2012 sa NASA-forskaren Harold White att han och hans kollegor började undersöka möjligheten att skapa Alcubierre-motoren. White uppgav att de har byggt en interferometer som kommer att fånga de rumsliga snedvridningarna som produceras genom expansion och sammandragning av rymdtiden för Alcubierre-metriken.
2013 publicerade Jet Propulsion Laboratory resultaten av varpfältprov, som genomfördes under vakuumförhållanden. Tyvärr betraktades resultaten som "oavslutande". På lång sikt kan vi finna att Alcubierre-metriken bryter mot en eller flera grundläggande naturlagar. Och även om dess fysik visar sig vara korrekt, finns det ingen garanti för att Alcubierre-systemet kan användas för flygning.
I allmänhet är allt som vanligt: du föddes för tidigt för att resa till närmaste stjärna. Ändå, om mänskligheten känner behovet av att bygga en "interstellär ark" som kommer att hysa ett självbärande mänskligt samhälle, kommer det att ta hundra år att komma till Proxima Centauri. Om vi naturligtvis vill investera i en sådan händelse.
När det gäller tid verkar alla tillgängliga metoder extremt begränsade. Och om vi tillbringar hundratusentals år på att resa till närmaste stjärna, kan vi vara av lite intresse när vår egen överlevnad står på spel, eftersom rymdtekniken går framåt, kommer metoderna att förbli extremt opraktiska. När vår ark når den närmaste stjärnan, kommer dess teknologier att bli föråldrade, och själva mänskligheten kanske inte längre finns.
Så om vi inte gör ett stort genombrott inom fusion, antimateria eller laserteknik, kommer vi att nöja oss med att utforska vårt eget solsystem.
Baserat på material från Universe Today
- Del 1 -
