Kažkuriuo savo gyvenimo momentu mes visi uždavėme šį klausimą: kiek laiko užtruktų kelionė į žvaigždes? Ar tai gali būti paties gyvenimo laikotarpis, ir ar tokios kelionės kada nors galėtų tapti norma? Yra daugybė galimų atsakymų į šį klausimą - vieni labai paprasti, kiti - mokslinės fantastikos srityje. Tačiau sugalvoti išsamų atsakymą reiškia atsižvelgti į daugelį dalykų.
Deja, bet koks realus vertinimas gali duoti atsakymus, kurie visiškai atgrasytų futuristus ir tarpžvaigždžių kelionių entuziastus. Patinka ar ne, erdvė yra labai didelė, o mūsų technologijos vis dar yra labai ribotos. Bet jei kada nors svarstysime „palikti lizdą“, turėsime daugybę galimybių patekti į artimiausią Saulės sistemą mūsų galaktikoje.
Artimiausia Žemei žvaigždė yra mūsų Saulė, kuri yra gana „vidutinė“ žvaigždė Hertzsprung - Russello diagramos „Pagrindinėje sekoje“. Tai reiškia, kad ji yra labai stabili ir aprūpina Žemę tik tinkamo tipo saulės šviesa, kad mūsų planetoje galėtų vystytis gyvybė. Mes žinome, kad šalia mūsų Saulės sistemos yra planetų, besisukančių aplink kitas žvaigždes, ir daugelis šių žvaigždžių yra panašios į mūsų pačių.
Ateityje, jei žmonija norės palikti Saulės sistemą, turėsime didžiulį žvaigždžių pasirinkimą, į kuriuos galėtume keliauti, ir daugelis galėtų turėti tinkamas gyvenimo klestėjimo sąlygas. Bet kur mes eitume ir kiek laiko mums prireiktų ten patekti? Tik atminkite, kad visa tai yra spekuliacija ir tarpžvaigždinių kelionių etalonų šiuo metu nėra. Tai sakant, mes einame!
Artimiausia žvaigždė:
Kaip jau minėta, artimiausia mūsų Saulės sistemos žvaigždė yra „Proxima Centauri“, todėl prasmingiausia pirmiausia išdėstyti tarpžvaigždinę misiją šiai sistemai. Trijų žvaigždučių sistemos, vadinamos „Alpha Centauri“, dalimi, „Proxima“ yra maždaug 4,24 šviesmečio (arba 1,3 parsekų) atstumu nuo Žemės. „Alfa Centauri“ iš tikrųjų yra ryškiausia žvaigždė iš trijų sistemoje - dalis arti aplink pasaulį skriejančių dvejetainių 4,37 šviesos metų atstumo nuo Žemės, o „Proxima Centauri“ (mažiausia iš trijų) yra izoliuota raudona nykštukė, maždaug 0,13 šviesmečio atstumo nuo dvejetainės. .
Nors tarpžvaigždinės kelionės užburia visų rūšių greitesnio nei šviesa (FTL) kelionių vizijas, pradedant metmenų greičiu ir sliekų skylėmis, baigiant šuolių pavaromis, tokios teorijos yra arba labai spekuliacinės (pvz., Alcubierre Drive), arba visai mokslo provincija. grožinė literatūra. Tikėtina, kad bet kuri giliųjų kosminių misijų užduotis truks kartas, o ne kelias dienas ar akimirksniu.
Taigi, pradedant nuo vienos lėčiausių kosminių kelionių formų, kiek laiko reikės nuvykti į „Proxima“ Kentaurą?
Dabartiniai metodai:
Klausimas, kiek laiko užtruktų kur nors patekti į kosmosą, yra šiek tiek lengvesnis, kai susiduriame su esamomis technologijomis ir kūnais mūsų Saulės sistemoje. Pavyzdžiui, naudojant „New Horizons“ misiją vykdančią technologiją - kurią sudarė 16 hidrazino monopropelentu varomų variklių - pasiekti Mėnulį užtruktų vos 8 valandas ir 35 minutes.
Kita vertus, yra Europos kosmoso agentūros (ESA) misija „SMART-1“, kuriai prireikė laiko keliaujant į Mėnulį, naudojant joninę varomąją jėgą. Naudodamas šią revoliucinę technologiją, kurios variantą nuo šiol „Dawn“ erdvėlaivis panaudojo siekdamas pasiekti Vestą, „SMART-1“ misija užtruko vienerius metus, mėnesį ir dvi savaites Mėnuliui pasiekti.
Taigi, nuo greito raketų varomo erdvėlaivio iki ekonominio jonų disko, turime keletą variantų, kaip apeiti vietinę erdvę - be to, mes galime panaudoti Jupiterį ar Saturną, kad sukurtume nesunkų gravitacinį kadrą. Tačiau jei mąstytume apie misijas kur nors toliau, turėtume išplėsti savo technologijas ir pasidomėti, kas iš tikrųjų įmanoma.
Kai sakome galimus metodus, mes kalbame apie tuos, kurie apima esamą technologiją, arba tuos, kurie dar neegzistuoja, bet yra techniškai įmanomi. Kai kurie, kaip pamatysite, yra gerbiami ir įrodyti laiku, o kiti atsiranda ar tebėra diskusijų lentoje. Tačiau beveik visais atvejais jie pateikia galimą (bet labai daug laiko reikalaujantį ar brangų) scenarijų, kad būtų galima pasiekti net artimiausias žvaigždes ...
Joninis varymas:
Šiuo metu lėčiausia ir efektyviausiai degalus naudojanti varomoji jėga yra jonų variklis. Prieš kelis dešimtmečius jonų varymas buvo laikomas mokslinės fantastikos objektu. Tačiau pastaraisiais metais joninių variklių palaikymo technologija perėjo nuo teorijos prie praktikos. Pavyzdžiui, EKA „SMART-1“ misija sėkmingai įvykdė savo misiją į Mėnulį nuėmus 13 mėnesių spiralinį kelią iš Žemės.
„SMART-1“ naudojo saulės energija maitinamus joninius traukos įrenginius, iš kurių saulės energija buvo išgaunama iš energijos ir buvo naudojama „Hall“ efekto jėgos jėgainėms maitinti. SMART-1 į Mėnulį išstumti buvo panaudota tik 82 kg ksenono raketų. 1 kg ksenono raketinio kuro deltos-v buvo 45 m / s. Tai yra labai efektyvi varymo forma, tačiau ji jokiu būdu nėra greita.
Viena iš pirmųjų misijų naudoti jonų pavaros technologiją buvo: 1 gilioji erdvė misija į Comet Borrelly, vykusi 1998 m. DS1 taip pat naudojo ksenono varomą jonų pavarą, sunaudodama 81,5 kg raketinio kuro. Per 20 mėnesių trukdantį sunkumą DS1 sugebėjo pasiekti 56 000 km / h (35 000 mylių / h) greitį, kai skriejo kometa.
Taigi jonų sraigtai yra ekonomiškesni nei raketų technologijos, nes svaidomojo elemento masės vieneto trauka (savitasis impulsas) yra daug didesnė. Bet jonų sraigtai pagreitina erdvėlaivių greitį, ir tai užtrunka ilgai, o maksimalus greitis, kurį jis gali pasiekti, priklauso nuo jo degalų atsargų ir to, kiek elektros energijos jis gali generuoti.
Taigi, jei misija į „Proxima Centauri“ būtų naudojama joninė varomoji jėga, stūmokliams prireiks didžiulio energijos gamybos šaltinio (t. Y. Branduolinės energijos) ir didelio kiekio svaidomosios medžiagos (nors vis tiek mažiau nei įprastose raketose). Remiantis prielaida, kad 81,5 kg ksenono svaidomojo kuro tiekimas reiškia maksimalų 56 000 km / h greitį (ir kad nėra kitų varančiosios galios formų, tokių kaip gravitacinis strypas, kad ją dar labiau paspartintumėte), kai kuriais skaičiavimais galima būti pagamintas.
Trumpai tariant, maksimaliu 56 000 km / h greičiu 1 gilioji erdvė perimtų 81 000 metų pereiti 4,24 šviesos metus tarp Žemės ir Kentauro „Proxima“. Žvelgiant į tą laiko skalę, tai būtų daugiau nei 2700 žmonių kartų. Taigi galima drąsiai teigti, kad tarpplanetinių jonų variklių misija būtų per lėta, kad ją būtų galima apsvarstyti vykdant įgulų vykdytą tarpžvaigždinę misiją.
Bet, jei jonų sraigtai būtų didesni ir galingesni (ty jonų išmetimo greitis turėtų būti žymiai didesnis), ir būtų galima pritraukti pakankamą raketinį kurą, kad erdvėlaivis galėtų vykti visą 4,443 šviesos metų kelionę, tai kelionės laikas gali būti didelis sumažinta. Vis dėlto to nepakanka, kad kažkas įvyktų per gyvenimą.
Pagalbinis gravitacijos metodas:
Greičiausia egzistuojanti kosminės erdvės kelionių priemonė yra žinoma kaip „Gravity Assist“ metodas, pagal kurį erdvėlaivis naudoja santykinį planetos judesį (t. Y. Orbitą), o planetos sunkis yra kelyje ir greitis. Gravitaciniai pagalbininkai yra labai naudinga skrydžio iš kosmoso technika, ypač kai greičiams padidinti naudojama žemė ar kita masyvi planeta (pavyzdžiui, dujų milžinas).
10 jūrininkas kosminis laivas pirmasis panaudojo šį metodą, panaudodamas Veneros gravitacinį trauką, kad sviedžiant jį link Merkurijaus 1974 m. vasario mėn. „Voyager 1“ zondas naudojo Saturną ir Jupiterį gravitaciniams šliaužikliams, kad pasiektų dabartinį 60 000 km / h (38 000 mylių / h) greitį ir paversti jį tarpžvaigždine erdve.
Tačiau tai buvo „Helios 2“ misija - kuri buvo pradėta 1976 m. tirti tarpplanetinę terpę nuo 0,3 AU iki 1 AU iki Saulės - kuri yra didžiausio greičio, pasiekto su gravitacijos pagalbine priemone, rekordas. Tuo metu, „Helios 1“ (kuri buvo paleista 1974 m.) ir „Helios 2“ surengė artimiausio artėjimo prie Saulės rekordą. „Helios 2“ buvo paleistas įprastu NASA „Titan / Centaur“ paleidimo automobiliu ir padėtas į labai elipsinę orbitą.
Dėl didelio zondo ekscentriškumo (0,54) Saulės orbita (190 dienų) perihelione „Helios 2“ sugebėjo pasiekti maksimalų daugiau nei 240 000 km / h (150 000 mylių / h) greitį. Šis orbitos greitis buvo pasiektas vien tik Saulės gravitaciniu traukos būdu. Techniškai „Helios 2“ periheliono greitis nebuvo gravitacinis timpa, tai buvo maksimalus orbitos greitis, tačiau jis vis dar turi rekordą, kad yra greičiausias žmogaus sukeltas objektas, nepaisant to.
Taigi, jei „Voyager 1“ važiavo raudonojo nykštuko „Proxima Centauri“ kryptimi pastoviu 60 000 km / h greičiu, tokį atstumą nuvažiuoti reikės 76 000 metų (arba daugiau nei 2500 kartų). Bet jei tai galėtų pasiekti rekordinį greitį „Helios 2“Artimas Saulės artėjimas - pastovus 240 000 km / h greitis - tai užtruktų 19 000 metų (arba daugiau nei 600 kartų) keliauti 4,243 šviesmečių. Žymiai geriau, bet vis dar nėra praktiškumo sritis.
Elektromagnetinė (EM) pavara:
Kitas siūlomas tarpžvaigždinių kelionių būdas yra radijo dažnio (RF) rezonansinės ertmės tramdytuvas, dar žinomas kaip EM pavara. Iš pradžių 2001 m. Jį pasiūlė Jungtinės Karalystės mokslininkas Rogeris K. Shawyeris, kuris įsteigė „Satellite Propulsion Research Ltd“ (SPR), kad šis įrenginys būtų įgyvendintas, ši pavara sukurta remiantis idėja, kad elektromagnetinės mikrobangų ertmės gali sudaryti sąlygas tiesioginiam elektros energijos virsmui traukos jėga. .
Nors įprasti elektromagnetiniai stūmokliai yra skirti tam tikros rūšies masėms (tokioms kaip jonizuotos dalelės) išstumti, ši važiavimo sistema nesinaudoja jokios reakcijos mase ir neskleidžia jokios kryptinės radiacijos. Toks pasiūlymas sulaukė didelio skepticizmo, daugiausia dėl to, kad jis pažeidžia akimirkos išsaugojimo įstatymą - kuriame teigiama, kad sistemoje impulsų kiekis išlieka pastovus ir nėra nei sukuriamas, nei sunaikinamas, o keičiasi tik veikiant. pajėgos.
Tačiau pastarieji eksperimentai su dizainu, matyt, davė teigiamų rezultatų. 2014 m. Liepos mėn. 50-ojoje AIAA / ASME / SAE / ASEE jungtinėje varomosios jėgos konferencijoje Cleveland mieste, Ohajo valstijoje, pažangiausių NASA varomosios jėgos tyrimų tyrėjai tvirtino, kad jie sėkmingai išbandė naują elektromagnetinės varomosios jėgos pavaros projektą.
To buvo imtasi 2015 m. Balandžio mėn., Kai NASA „Eagleworks“ (Johnsono kosminio centro dalis) tyrėjai teigė, kad jie sėkmingai išbandė pavarą vakuume - tai rodo, kad ji iš tikrųjų gali veikti kosmose. Tų pačių metų liepą Dresdeno technologijos universiteto Kosminės sistemos katedros tyrėjų komanda sukūrė savo variklio versiją ir pastebėjo aptinkamą trauka.
O 2010 m. Xi'an mieste (Kinija) esantis šiaurės vakarų politechnikos universiteto profesorius Juanas Yang pradėjo publikuoti straipsnių ciklą apie savo „EM Drive“ technologijos tyrimus. Tai baigėsi 2012 m. Dokumente, kuriame ji pranešė apie didesnę įvesties galią (2,5 kW) ir išbandytą traukos (720 mN) lygį. 2014 m. Ji taip pat pranešė apie išsamius bandymus, susijusius su vidinės temperatūros matavimu su įmontuotais termoporais, kurie, atrodo, patvirtino, kad sistema veikė.
Remiantis skaičiavimais, pagrįstais NASA prototipu (kurio galia buvo 0,4 N / kilovatas), erdvėlaivis, turintis EM pavarą, galėtų nuvykti į Plutoną per mažiau nei 18 mėnesių. Tai yra šeštadalis laiko, kol prireikė „New Horizons“ zondo, kuris važiavo beveik 58 000 km / h (36 000 mph) greičiu.
Skamba įspūdingai. Bet net tokiu greičiu prireiktų laivo su EM varikliais 13 000 metų laivui pargabenti į „Proxima Centauri“. Arčiau, bet nepakankamai greitai! ir kol tol, kol nebus galima visiškai įrodyti, kad technologija veiks, nėra prasmės dėti kiaušinius į šį krepšelį.
Branduolinė šiluminė / branduolinė elektrinė varomoji jėga (NTP / NEP):
Kita tarpžvaigždinių skrydžių iš kosmoso galimybė yra naudoti erdvėlaivius, turinčius branduolinius variklius - šią koncepciją NASA tyrinėjo dešimtmečius. Branduolinės šiluminės jėgos (NTP) raketose reaktoriaus viduje skystam vandeniliui šildyti naudojamos urano arba deuterio reakcijos, paverčiant jas jonizuotomis vandenilio dujomis (plazma), kurios vėliau nukreipiamos per raketos purkštuką, kad būtų sukurta trauka.
Branduolinės elektrinės varomosios jėgos (NEP) raketa apima tą patį pagrindinį reaktorių, paverčiantį jo šilumą ir energiją elektros energija, kuri tada padėtų elektros variklį. Abiem atvejais raketa priklausytų nuo branduolio dalijimosi ar sintezės, kad generuotų varomąją jėgą, o ne cheminius svaidomuosius įrenginius, o tai iki šiol buvo NASA ir visų kitų kosminių agentūrų pagrindas.
Palyginti su cheminiu varikliu, tiek NTP, tiek NEC turi nemažai pranašumų. Pirmasis ir akivaizdžiausias yra praktiškai neribotas energijos tankis, palyginti su raketų kuru. Be to, branduolinis variklis taip pat galėtų užtikrinti didesnę trauką, palyginti su naudojamo raketinio kuro kiekiu. Tai sumažintų bendrą reikiamą raketinio kuro kiekį ir sumažintų paleidimo svorį bei atskirų misijų išlaidas.
Nors nė vienas branduolinis šiluminis variklis niekada neplaukė, per pastaruosius kelis dešimtmečius buvo sukurtos ir išbandytos kelios projektavimo idėjos, pasiūlyta daugybė koncepcijų. Jos svyravo nuo tradicinės kietojo branduolio konstrukcijos, tokios kaip branduolinis variklis raketinių transporto priemonių pritaikymui (NERVA), iki pažangesnių ir efektyvesnių koncepcijų, kurios priklauso nuo skysčio ar dujų šerdies.
Nepaisant šių degalų efektyvumo ir specifinio impulso pranašumų, moderniausios NTP koncepcijos maksimalus savitasis impulsas yra 5000 sekundžių (50 kN · s / kg). NASA mokslininkų vertinimu, naudojant branduolinius variklius, kuriuos varo dalijimasis ar branduolio sintezė, kosminiam laivui prireiks tik 90 dienų iki Marso, kai planeta buvo „opozicijoje“ - t.y., net 55 000 000 km nuo Žemės.
Bet jei branduolinė raketa pritaikyta kelionei į vieną pusę į Kentaurą, ji vis dar užims šimtmečius, kad įsibėgėtų iki vietos, kur skraidė maža šviesos greičio dalis. Tada prireiktų kelių dešimtmečių kelionių laiko, o paskui dar daugiau šimtmečių lėtėtų, kol pasiekia savo tikslą. Viskas pasakyta, mes vis dar kalbame apie 1000 metų dar nepasiekus kelionės tikslo. Tinka tarpplanetinėms misijoms, ne toks geras tarpžvaigždinėms misijoms.
Teoriniai metodai:
Naudojant esamas technologijas, laikas, per kurį mokslininkams ir astronautams bus siunčiama tarpžvaigždinė misija, būtų nepaprastai lėtas. Jei norime tą kelionę nuveikti per vieną gyvenimą ar net per kartą, reikės kažko radikalesnio (dar vadinamo labai teoriniu). Ir nors širdžių skylės ir šuoliniai varikliai šiuo metu vis dar gali būti tik grožinė literatūra, yra keletas gana pažangių idėjų, kurios buvo svarstomos per daugelį metų.
Branduolinio impulso varymas:
Branduolinio impulso varymas yra teoriškai įmanoma greito kosminio judėjimo forma. Koncepciją iš pradžių pasiūlė 1946 m. Manhatano projekte dalyvavęs lenkų-amerikiečių matematikas Stanislovas Ulamas, o 1947 m. Preliminarius skaičiavimus atliko F. Reinesas ir Ulamas. Faktinis projektas, žinomas kaip „Project Orion“, buvo inicijuotas 2006 m. 1958 m. Ir truko iki 1963 m.
Tedas Tayloras, vadovaujamas Bendrosios atomikos, ir fizikas Freemanas Dysonas iš Prinstono Išplėstinių studijų instituto, „Orion“ tikėjosi panaudoti impulsinių sprogimų galią, kad suteiktų didžiulę trauka esant labai dideliam specifiniam impulsui (ty traukos dydžiui, palyginti su svoriu ar sekundžių kiekis, kurį raketa gali nuolat šaudyti).
Trumpai tariant, „Orion“ dizainas susijęs su dideliu erdvėlaiviu, kuriame yra daug termobranduolinių kovinių galvučių. Varomoji jėga pasiekiama paleidžiant bombą už jos, o paskui užpakalinėje plokštėje, vadinamoje „stūmikliu“, važiuojant detonacijos banga. Po kiekvieno sprogimo sprogstamąją jėgą sugertų šis stūmiklio padėklas, kuris tada verčia trauką įsibėgėti.
Nors šiuolaikiniai standartai vargu ar yra elegantiški, dizaino pranašumas yra tas, kad jis pasiekia aukštą specifinį impulsą - tai reiškia, kad jis iš savo kuro šaltinio (šiuo atveju branduolinės bombos) išgauna maksimalų energijos kiekį mažiausiomis sąnaudomis. Be to, teoriškai teoriškai būtų galima pasiekti labai didelį greitį, kai kuriais vertinimais galima pasakyti, kad rutulinio parko rodiklis siekia net 5% šviesos greičio (arba 5,4 × 107 km / val.).
Bet, be abejo, neišvengiamas dizaino neigiamas aspektas. Vienam tokio dydžio laivas bus neįtikėtinai brangus. Remiantis 1968 m. „Dyson“ atliktais skaičiavimais, „Orion“ erdvėlaivis, kuris varymui panaudojo vandenilio bombas, svertų nuo 400 000 iki 4 000 000 metrinių tonų. Ir mažiausiai tris ketvirtadalius šio svorio sudaro branduolinės bombos, kurių kiekviena galvutė sveria maždaug 1 metrinę toną.
Konservatyviausiais „Dyson“ vertinimais visos „Orion“ plaukiojančios priemonės pastatymo išlaidos sudarė 367 milijardus dolerių. Pakoreguota atsižvelgiant į infliaciją, ji siekia maždaug 2,5 trilijonus dolerių - tai sudaro daugiau nei du trečdalius dabartinių JAV vyriausybės metinių pajamų. Taigi, net ir lengviausio, amato gamyba būtų labai brangi.
Taip pat yra nedidelė visos radiacijos, kurią ji sukuria, problema, jau neminint branduolinių atliekų. Tiesą sakant, manoma, kad dėl šios priežasties projektas buvo nutrauktas dėl 1963 m. Priimto Dalinio bandymų uždraudimo sutarties, kuria buvo siekiama apriboti branduolinius bandymus ir sustabdyti per didelį branduolinių nuosėdų patekimą į planetos atmosferą.
Sintezės raketos:
Kita panaudotos branduolinės energijos galimybė yra raketos, kurios, norėdamos sukurti trauką, remiasi termobranduolinėmis reakcijomis. Šiai koncepcijai sukurti sukuriama energija, kai deuterio / helio-3 mišinio granulės uždegamos reakcijos kameroje inerciniu būdu, naudojant elektronų pluoštus (panašiai kaip tai daroma Nacionaliniame uždegimo objekte Kalifornijoje). Šis branduolių sintezės reaktorius sprogdintų 250 granulių per sekundę, kad būtų sukurta didelės energijos plazma, kurią vėliau nukreiptų magnetinis antgalis, kad būtų sukurta trauka.
Kaip ir raketa, kuri remiasi branduoliniu reaktoriumi, ši koncepcija turi privalumų, susijusių su kuro efektyvumu ir specifiniu impulsu. Apskaičiuotas išmetimo greitis iki 10 600 km / s, o tai žymiai viršija įprastų raketų greitį. Be to, per pastaruosius kelis dešimtmečius ši technologija buvo išsamiai ištirta ir pateikta daug pasiūlymų.
Pavyzdžiui, 1973–1978 m. Didžiosios Britanijos tarpplanetinė draugija atliko galimybių studiją, žinomą kaip „Daedalus projektas“. Remiantis dabartinėmis sintezės technologijos ir esamų metodų žiniomis, tyrimas paragino sukurti dviejų etapų bepilotį mokslinį zondą, kuris per vieną gyvenimą galėtų nukeliauti į Barnardo žvaigždę (5,9 šviesos metų nuo Žemės).
Pirmasis, didesnis iš dviejų, etapas veiktų 2,05 metus ir kosminį laivą pagreitintų iki 7,1% šviesos greičio (0,071 c). Tuomet šis etapas bus panaikintas, o tada antrasis etapas uždegs variklį ir pagreitins erdvėlaivį iki maždaug 12% šviesos greičio (0,12). c) per 1,8 metus. Tada antrosios pakopos variklis būtų uždarytas, o laivas įplauktų į 46 metų kruizo laikotarpį.
Remiantis projekto vertinimais, misijai prireiks 50 metų, kad pasiektumėte „Barnard's Star“. Pritaikytas „Proxima Centauri“, tas pats amatas galėjo keliauti 36 metai. Tačiau, be abejo, projekte taip pat nustatyta daugybė kliūčių, kurios tapo nebeįmanomos naudojant tuometinę technologiją - dauguma jų vis dar neišspręstos.
Pavyzdžiui, yra tai, kad helio-3 Žemėje yra nedaug, vadinasi, jis turėtų būti iškasamas kitur (greičiausiai Mėnulyje). Antra, norint reaguoti į erdvėlaivį reikia, kad skleidžiama energija žymiai viršytų energiją, naudojamą reakcijai sukelti. Ir nors eksperimentai Žemėje pranoko „lūžio lygmens tikslą“, mes vis dar esame toli nuo energijos rūšių, reikalingų tarpžvaigždiniam erdvėlaiviui varyti.
Trečia, yra tokio laivo pastatymo išlaidų faktorius. Net ir kuklus „Project Daedalus“ nepilotuojamų laivų standartas, visiškai degalai galėtų sverti net 60 000 Mt. Žvelgiant iš perspektyvos, bendras NASA SLS svoris yra šiek tiek daugiau nei 30 milijonų tonų, o vieno starto kaina yra 5 milijardai dolerių (remiantis 2013 m. Įvertinimais).
Trumpai tariant, sintezės raketa būtų ne tik per brangiai pastatyta; tam taip pat reikėtų tokio lygio branduolių sintezės reaktoriaus technologijos, kuri šiuo metu yra mūsų galimybių ribose. „Icarus Interstellar“, tarptautinė savanorių piliečių mokslininkų organizacija (kai kurie iš jų dirbo NASA ar ESA) nuo tada bandė atgaivinti šią idėją naudodama projektą „Icarus“. Įkurta 2009 m., Grupė tikisi, kad artimiausiu metu bus įmanoma įgyvendinti sintezės varymą (be kita ko).
„Fusion Ramjet“:
Šią teorinę varymo formą, dar žinomą kaip „Bussard Ramjet“, pirmą kartą pasiūlė fizikas Robertas W. Bussardas 1960 m. Iš esmės tai yra patobulinimas, palyginti su standartine branduolių sintezės raketa, kuri naudoja magnetinius laukus, kad suslėgtų vandenilio kurą iki susiliejimo. atsiranda. Tačiau „Ramjet“ atveju didžiulis elektromagnetinis piltuvas „nuskaito“ vandenilį iš tarpžvaigždinės terpės ir nuneša jį į reaktorių kaip kurą.
Kai laivas įgauna greitį, reaktyvioji masė verčiama palaipsniui susiaurinti magnetinį lauką, suspaudžiant jį tol, kol įvyksta termobranduolinė sintezė. Tada magnetinis laukas nukreipia energiją kaip raketos išmetimą per variklio purkštuką ir taip pagreitina indą. Nesant jokių degalų bakų, kurie galėtų jį pasverti, branduolių sintezės purkštukas galėtų pasiekti greitį, artėjantį 4% šviesos greičio, ir keliauti bet kurioje galaktikos vietoje.
Tačiau galimi šio dizaino trūkumai yra daugybė. Pavyzdžiui, yra vilkimo problema. Laivas kaupiasi padidintu greičiu, kad sukauptų degalus, tačiau susidūręs su vis daugiau tarpžvaigždinių vandenilių, jis taip pat gali prarasti greitį - ypač tankesniuose galaktikos rajonuose. Antra, deuteris ir triis (naudojami branduolių sintezės reaktoriuose Žemėje) kosmose yra reti, tuo tarpu įprastinio vandenilio (kurio erdvėje gausu) sulydymas yra dabartinių metodų ribų.
Ši sąvoka buvo plačiai išpopuliarinta mokslinėje fantastikoje. Turbūt geriausiai žinomas to pavyzdys yra franšizėje Žvaigždžių kelias, kur „Bussard kolekcionieriai“ yra žėrinčios pynės iš metmenų variklių. Bet iš tikrųjų mūsų žinios apie sintezės reakcijas turi būti žymiai pažengusios į priekį, kad būtų galima naudoti raketą. Mes taip pat turėtume išsiaiškinti, kokia nemaloni vilkimo problema, prieš pradėdami svarstyti apie tokio laivo statybą!
Lazerinė burė:
Saulės burės ilgą laiką buvo laikomos ekonomiškiausiu Saulės sistemos tyrinėjimo metodu. Tai ne tik gana lengva ir pigi gamyba, bet ir papildomos saulės burių, kurioms nereikia kuro, premija. Užuot naudodamas raketas, kurioms reikalingas raketinis kuras, burė naudoja žvaigždžių spinduliuotės slėgį, kad pastumtų didelius ypač plonus veidrodžius dideliu greičiu.
Tačiau norint tarpžvaigždinį skrydį, tokią burę reiktų varyti sufokusuotais energijos pluoštais (t. Y. Lazeriais ar mikrobangomis), kad būtų galima nukreipti ją į greitį, artėjantį prie šviesos greičio. Koncepciją iš pradžių pasiūlė Robertas Forwardas 1984 m., Kuris tuo metu buvo fizikas Hughes Aircraft tyrimų laboratorijose.
Koncepcija išsaugo saulės burės pranašumus tuo, kad joje nereikia degalų, tačiau lazerio energija tolygiai neišsiskiria tiek, kiek saulės spinduliuotė. Taigi nors lazeriu varoma burė užtruktų šiek tiek laiko, kad įsibėgėtų iki beveik šviesos greičio, ji bus apribota tik paties šviesos greičiu.
Remiantis 2000 m. NASA Jet reaktyvinio varymo laboratorijos pažangių varymo koncepcijos tyrimų vadovo Roberto Frisbee'o atliktu tyrimu, burė lazeriu gali būti pagreitinta iki pusės šviesos greičio mažiau nei per dešimtmetį. Jis taip pat apskaičiavo, kad maždaug 320 km (200 mylių) skersmens burė galėtų pasiekti „Proxima Centauri“ kiek daugiau 12 metų. Tuo tarpu maždaug 965 km (600 mylių) skersmens burė atplauktų vos ne po 9 metai.
Tačiau tokią burę reiktų pastatyti iš pažangių kompozitų, kad būtų išvengta lydymosi. Kartu su dydžiu tai būtų dar viena gražu! Dar blogiau yra didžiulės išlaidos, patirtos pastačius pakankamai didelį ir galingą lazerį, kad burė būtų mažesnė nei šviesos greitis. Remiantis paties Frisbee tyrimu, lazeriams prireiktų pastovaus 17 000 teravatų galios srauto - beveik tiek, kiek sunaudoja visas pasaulis per vieną dieną.
Antimaterinis variklis:
Mokslinės fantastikos gerbėjai tikrai yra girdėję apie antimateriją. Bet jei to neturite, antimaterija iš esmės yra medžiaga, sudaryta iš antidalelių, kurių masė yra tokia pati, tačiau priešingas krūvis kaip įprastų dalelių. Antimedžiagos variklis, tuo tarpu, yra varymo forma, kuriai reikalinga materijos ir antimaterijos sąveika energijai generuoti ar traukai sukurti.
Trumpai tariant, antimedžiaginiame variklyje dalyvauja vandenilio ir antihidro dalelės. Ši reakcija išskiria tiek energijos, kiek termobranduolinė bomba, kartu su subatominių dalelių, vadinamų pionais ir muonais, dušu. Šios dalelės, kurios judėtų trečdaliu šviesos greičio, tada nukreipiamos magnetiniu antgaliu, kad būtų sukurta trauka.
Šios klasės raketų pranašumas yra tas, kad didelę dalį likusios medžiagos ir (arba) antimedžiagos mišinio masės galima paversti energija, leidžiančia antimaterinėse raketose turėti daug didesnį energijos tankį ir savitą impulsą nei bet kurioje kitoje siūlomoje raketos klasėje. Be to, kontroliuodamas tokią reakciją, galima įsprausti raketą iki pusės šviesos greičio.
Svaras už svarą, šios klasės laivas būtų greičiausias ir efektyviausias degalų naudojimo būdas. Nors įprastoms raketoms reikia tonų cheminio kuro, kad būtų galima nukreipti erdvėlaivį į paskirties vietą, antimaterinis variklis tą patį darbą galėtų atlikti tik su keliais miligramais degalų. Tiesą sakant, abipusis pusės svaro vandenilio ir antigeno dalelių sunaikinimas sunaikintų daugiau energijos nei 10 megatonų vandenilio bomba.
Būtent dėl šios tikslios priežasties NASA Pažangiųjų koncepcijų institutas (NIAC) ištyrė šią technologiją kaip galimą būsimų Marso misijų priemonę. Deja, svarstant misijas į netoliese esančias žvaigždžių sistemas, kelionei reikalingas degalų kiekis padaugėja eksponentiškai, o jo pagaminimo išlaidos būtų astronominės (be pun!).
Remiantis ataskaita, parengta 39-ajai AIAA / ASME / SAE / ASEE jungtinei varomosios jėgos konferencijai ir ekspozicijai (taip pat autorius Robertas Frisbee'as), dviejų pakopų antimaterinėms raketoms prireiks daugiau nei 815 000 metrinių tonų (900 000 JAV tonų) degalų. iki „Proxima Centauri“ maždaug per 40 metų. Tai nėra blogai, atsižvelgiant į terminus. Bet vėlgi, išlaidos ...
Nors vienas gramas antimaterijos pagamintų neįtikėtiną kiekį energijos, manoma, kad norint pagaminti tik vieną gramą reikia maždaug 25 milijonų milijardų kilovatvalandžių energijos ir tai kainuotų daugiau nei trilijoną dolerių. Šiuo metu bendras žmonių sukurtas antimaterijos kiekis yra mažesnis nei 20 nanogramų.
Ir net jei galėtume pigiai pasigaminti antimateriją, jums prireiks masinio laivo, reikalingo degalams laikyti. Remiantis Arizonos „Embry-Riddle“ aeronautikos universiteto dr. Darrelio Smitho ir Jonathano Webby pranešimais, tarpžvaigždinis laivas, turintis antimedžiaginį variklį, galėtų pasiekti 0,5 šviesos greičio ir pasiekti „Proxima Centauri“ šiek tiek daugiau 8 metai. Tačiau pats laivas svertų 400 metrinių tonų (441 JAV tonų) ir kelionei jam prireiktų 170 metrinių tonų (187 JAV tonų) antimaterinio kuro.
Galimas būdas tai padaryti yra sukurti indą, galintį sukurti antimateriją, kurią jis galėtų laikyti kaip kurą. Šią koncepciją, žinomą kaip „Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System“ (VARIES), pasiūlė Richardas Obousy iš „Icarus Interstellar“. Remdamasis degalų papildymo in situ idėja, VARIES laivas pasikliautų dideliais lazeriais (maitinamais milžiniškais saulės blokais), kurie sukuria antimaterijos daleles, kai šaudoma tuščioje vietoje.
Panašiai kaip „Ramjet“ koncepcija, šis pasiūlymas išsprendžia degalų gabenimo problemą, panaudojant jį iš kosmoso. Bet vėlgi, tokios laivo išlaidos, naudojant šiuolaikines technologijas, būtų nepaprastai brangios. Be to, gebėjimas sukurti didelius kiekius antimedžiagos nėra tai, ką šiuo metu turime galia. Taip pat yra radiacijos klausimas, nes sunaikinus antimateriją gali susidaryti didelės energijos gama spindulių sprogimai.
Tai ne tik kelia pavojų įgulai, reikalaujanti didelių ekranų, apsaugančių nuo spinduliuotės, bet ir reikalaujančių, kad varikliai būtų ekranuoti, siekiant užtikrinti, kad jie nenukentėtų nuo atominės spinduliuotės, kurią jie patiria. Taigi, antimedžiagos variklis yra visiškai nepraktiškas atsižvelgiant į dabartines mūsų technologijas ir esant dabartinei biudžeto aplinkai.
„Alcubierre“ metmenų pavara:
Mokslinės fantastikos gerbėjai, be abejo, yra susipažinę ir su „Alcubierre“ (arba „metmenų“) koncepcija. 1994 m. Pasiūlytas meksikiečių fiziko Miguelio Alcubierre'o, šis siūlomas metodas buvo bandymas sudaryti galimybę keliauti FTL nepažeidžiant Einšteino specialiojo reliatyvumo teorijos. Trumpai tariant, sąvoka apima erdvės-laiko audinio ištempimą bangoje, dėl kurio teoriškai erdvė, esanti prieš objektą, susitrauktų, o erdvė, esanti už jo, išsiplėstų.
Objektas, esantis šios bangos viduje (t. Y. Erdvėlaivis), galės įveikti šią bangą, vadinamą „metmenų burbulu“, viršydamas reliatyvistinį greitį. Kadangi laivas nejuda šiame burbule, bet yra nešamas kartu judant, erdvės laiko ir reliatyvumo taisyklės nustotų galioti. Priežastis yra ta, kad šis metodas nėra pagrįstas judėjimu greičiau nei šviesa vietine prasme.
Tik „greičiau nei šviesa“ ta prasme, kad laivas galėjo pasiekti savo tikslą greičiau nei už metmenų debesėlio sklindantis šviesos spindulys. Taigi darant prielaidą, kad erdvėlaivis gali būti aprūpintas „Alcubierre Drive“ sistema, jis galės keliauti į „Proxima Centauri“ mažiau nei 4 metai. Taigi, kai kalbama apie teorines tarpžvaigždines keliones kosmose, tai kol kas yra perspektyviausia technologija, bent jau greičio atžvilgiu.
Natūralu, kad metams bėgant koncepcijai buvo suteikta nemaža dalis kontrargumentų. Svarbiausias iš jų yra faktas, kad joje neatsižvelgiama į kvantinę mechaniką ir kad ją gali paneigti visko teorija (tokia kaip kvantinė kvantinė gravitacija). Skaičiavimai, kiek reikia energijos, taip pat parodė, kad metmeninei pavarai dirbti reikės per daug energijos. Kiti neaiškumai yra tokios sistemos saugumas, poveikis erdvės laikui paskirties vietoje ir priežastinio ryšio pažeidimai.
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!
