- Partea 1 -
Dacă utilizați tehnologia existentă, va fi nevoie de foarte mult timp pentru a trimite oamenii de știință și astronauții într-o misiune interstelară. Călătoria va fi dureros de lungă (chiar și după standardele cosmice). Dacă dorim să facem o astfel de călătorie în cel puțin o viață, bine sau o generație, avem nevoie de măsuri mai radicale (citiți: pur teoretice). Și dacă găurile de vierme și motoarele subspațiale sunt momentan absolut fantastice, au existat alte idei de mulți ani în care credem.
Centrală nucleară
O centrală nucleară este un „motor” teoretic posibil pentru călătoriile spațiale rapide. Conceptul a fost inițial propus de Stanislav Ulam în 1946, un matematician polono-american care a luat parte la Proiectul Manhattan, iar calculele preliminare au fost făcute de F. Reines și Ulam în 1947. Proiectul Orion a fost lansat în 1958 și a existat până în 1963.
Condus de Ted Taylor, de la Atomica generală și fizicianul Freeman Dyson, de la Institutul de Studii Avansate de la Princeton, Orion ar valorifica puterea unor explozii nucleare pulsate pentru a genera o forță enormă cu un impuls specific foarte ridicat.
Video promotional:
Pe scurt, Project Orion include o navă spațială mare care ridică viteza prin susținerea focoaselor termonucleare, ejectarea bombelor din spate și accelerarea în timp ce o undă explozie scapă într-un împingător montat în spate, un panou împingător. După fiecare apăsare, forța exploziei este absorbită de acest panou și transformată în mișcare înainte.
Deși acest design este cu greu elegant în conformitate cu standardele moderne, avantajul conceptului este acela că oferă o tracțiune specifică ridicată - adică extrage cantitatea maximă de energie dintr-o sursă de combustibil (în acest caz, bombe nucleare) la un cost minim. În plus, acest concept poate accelera teoretic viteze foarte mari, conform unor estimări, până la 5% din viteza luminii (5,4 x 107 km / h).
Desigur, acest proiect are dezavantaje inevitabile. Pe de o parte, o navă de această dimensiune ar fi extrem de scumpă de construit. În 1968, Dyson a estimat că nava spațială Orion, alimentată de bombe cu hidrogen, ar cântări între 400.000 și 4.000.000 de tone metrice. Și cel puțin trei sferturi din această greutate vor proveni din bombe nucleare, fiecare cântărind aproximativ o tonă.
Estimarea conservatoare a lui Dyson a arătat că costul total al construcției Orion ar fi fost de 367 miliarde de dolari. Ajunsă pentru inflație, această sumă este de 2,5 trilioane de dolari, ceea ce este destul de mult. Chiar și cu cele mai conservatoare estimări, dispozitivul va fi extrem de scump de fabricat.
Există, de asemenea, o mică problemă de radiații pe care o va emite, ca să nu mai vorbim de deșeuri nucleare. Se crede că acesta este motivul pentru care proiectul a fost anulat în baza tratatului parțial de interzicere a testelor din 1963, când guvernele mondiale au căutat să limiteze testarea nucleară și să oprească eliberarea excesivă a căderilor radioactive în atmosfera planetei.
Rachete de fuziune nucleară
O altă posibilitate de utilizare a energiei nucleare sunt reacțiile termonucleare pentru a genera apăsare. În acest concept, energia trebuie creată prin granule cu aprindere inerțială a unui amestec de deuteriu și heliu-3 într-o cameră de reacție folosind fascicule de electroni (similar cu ceea ce se face la Complexul Național de Aprindere din California). Un astfel de reactor de fuziune ar detona 250 de pelete pe secundă, creând o plasmă cu energie mare, care va fi apoi redirecționată într-o duză, creând o apăsare.
Ca o rachetă care se bazează pe un reactor nuclear, acest concept are avantaje în ceea ce privește eficiența combustibilului și impulsul specific. Viteza estimată ar trebui să ajungă la 10.600 km / h, cu mult peste limitele de viteză ale rachetelor convenționale. Mai mult, această tehnologie a fost studiată pe larg în ultimele câteva decenii și au fost făcute multe propuneri.
De exemplu, între 1973 și 1978, British Interplanetary Society a întreprins un studiu de fezabilitate pentru Proiectul Daedalus. Având la bază cunoștințele și tehnologia modernă a fuziunii termonucleare, oamenii de știință au cerut construirea unei sonde științifice fără două etape, care să poată atinge Steaua lui Barnard (la 5,9 ani lumină de Pământ) pe parcursul unei vieți umane.
Prima etapă, cea mai mare dintre cele două, ar urma să dureze 2,05 ani și să accelereze ambarcațiunea până la 7,1% viteza luminii. Apoi, acest stadiu este aruncat, al doilea este aprins, iar aparatul accelerează până la 12% din viteza luminii în 1,8 ani. Apoi motorul al doilea stadiu este oprit, iar nava zboară de 46 de ani.
Proiectul Daedalus estimează că va dura misiunea 50 de ani pentru a ajunge la Steaua lui Barnard. Dacă până la Proxima Centauri, aceeași navă va ajunge în 36 de ani. Dar, desigur, proiectul include o mulțime de probleme nerezolvate, în special nesolvabile cu utilizarea tehnologiilor moderne - și cele mai multe dintre ele nu au fost încă rezolvate.
De exemplu, practic nu există heliu-3 pe Pământ, ceea ce înseamnă că va trebui minată în altă parte (cel mai probabil pe Lună). În al doilea rând, reacția care conduce ambarcațiunea necesită energia emisă să fie mult mai mare decât energia cheltuită pentru declanșarea reacției. Și deși experimentele pe Pământ au depășit deja „punctul de pauză”, suntem încă departe de cantitatea de energie care poate alimenta un vehicul interstelar.
În al treilea rând, rămâne problema costului unei astfel de nave. Chiar și după standardele modeste ale unui vehicul fără pilot al proiectului Daedalus, un vehicul complet echipat ar cântări 60.000 de tone. Doar așa știți, greutatea brută a SLS NASA este de puțin peste 30 de tone metrice, iar lansarea va costa doar 5 miliarde de dolari (estimări din 2013).
Pe scurt, o rachetă de fuziune nu numai că va fi prea scumpă pentru a construi, dar va necesita și un nivel al reactorului de fuziune mult peste capacitățile noastre. Icarus Interstellar, o organizație internațională de oameni de știință civili (unii dintre ei au lucrat pentru NASA sau ESA), încearcă să revitalizeze conceptul cu Project Icarus. Grupul reunit în 2009 speră să facă posibilă mișcarea de fuziune (și altele) pentru viitorul previzibil.
Ramjet termonuclear
Cunoscut și sub denumirea de ramjet Bussard, motorul a fost propus pentru prima dată de fizicianul Robert Bussard în 1960. La baza sa, este o îmbunătățire a rachetelor termonucleare standard, care utilizează câmpuri magnetice pentru a comprima combustibilul cu hidrogen până la punctul de fuziune. Dar, în cazul unui motor ramjet, o pâlnie electromagnetică uriașă aspiră hidrogen din mediul interstelar și o varsă în reactor ca combustibil.
Pe măsură ce vehiculul ridică viteza, masa reactivă intră în câmpul magnetic limitat, care îl comprimă înainte de începerea fuziunii. Câmpul magnetic direcționează apoi energia în duza rachetă, accelerând nava. Deoarece niciun rezervor de combustibil nu îl va încetini, un ramjet termonuclear poate atinge viteze de ordinul a 4% lumină și poate merge oriunde în galaxie.
Cu toate acestea, această misiune are multe dezavantaje posibile. De exemplu, problema frecării. Nava spațială se bazează pe rate mari de colectare a combustibilului, dar se va ciocni și cu cantități mari de hidrogen interstelar și va pierde viteza - în special în regiunile dense ale galaxiei. În al doilea rând, nu există prea mult deuteriu și tritiu (care sunt utilizate în reactoarele de pe Pământ) în spațiu, iar sinteza hidrogenului obișnuit, care este abundent în spațiu, este încă dincolo de controlul nostru.
Cu toate acestea, ficțiunea științifică a devenit să iubească acest concept. Cel mai cunoscut exemplu este poate franciza Star Trek, care folosește colecțiile Bussard. În realitate, înțelegerea noastră asupra reactoarelor de fuziune nu este niciodată atât de perfectă pe cât ne-am dori.
Navigare cu laser
Pânzele solare au fost considerate de mult timp un mod eficient de a cuceri sistemul solar. Pe lângă faptul că sunt relativ simple și ieftine de făcut, au un plus mare: nu au nevoie de combustibil. În loc să folosească rachete care au nevoie de combustibil, vela folosește presiunea radiației stelelor pentru a propulsa oglinzile ultra-subțiri la viteze mari.
Cu toate acestea, în cazul unui zbor interstelar, o astfel de velă ar trebui să fie propulsată de fascicule concentrate de energie (laser sau microunde) pentru a accelera până la o viteză aproape de lumină. Conceptul a fost propus pentru prima dată de Robert Forward în 1984, fizician la Laboratorul de avioane Hughes.
Ideea sa păstrează avantajele unei vele solare, prin faptul că nu necesită combustibil la bord și, de asemenea, că energia laser nu este împrăștiată pe distanță în același mod ca și radiațiile solare. Astfel, în timp ce navigarea cu laser va dura ceva timp pentru a accelera până la viteza aproape a luminii, ea va fi ulterior limitată doar de viteza luminii în sine.
Conform unui studiu realizat în 2000 de Robert Frisbee, directorul cercetărilor avansate de propulsie la Laboratorul de Propulsie Jet al NASA, o vela cu laser ar atinge jumătate din viteza luminii în mai puțin de zece ani. El a mai calculat că o navigă cu un diametru de 320 de kilometri ar putea atinge Proxima Centauri în 12 ani. Între timp, o navigă de 965 de kilometri în diametru va ajunge în doar 9 ani.
Cu toate acestea, o astfel de pânză va trebui să fie construită din materiale compozite avansate pentru a evita topirea. Ceea ce va fi deosebit de dificil, având în vedere dimensiunea velei. Costul este și mai rău. Conform Frisbee, laserele vor avea nevoie de un flux constant de 17.000 terawati de energie - aproximativ cât consumă întreaga lume într-o singură zi.
Motor antimaterie
Iubitorii de ficțiune științifică sunt bine conștienți de ceea ce este antimateria. Dar dacă ai uitat, antimateria este o substanță formată din particule care au aceeași masă ca particulele obișnuite, dar cu sarcina opusă. Un motor antimaterie este un motor ipotetic care se bazează pe interacțiunile dintre materie și antimaterie pentru a genera energie sau pentru a crea apăsare.
Pe scurt, un motor antimaterie folosește particule de hidrogen și antihidrogen care se ciocnesc între ele. Energia eliberată în procesul de anihilare este comparabilă în volum cu energia exploziei unei bombe termonucleare însoțită de un flux de particule subatomice - pioni și muoni. Aceste particule, care circulă cu o treime din viteza luminii, sunt redirecționate în duza magnetică și generează împingere.
Avantajul acestei clase de rachete este faptul că cea mai mare parte din masa amestecului materie / antimaterie poate fi transformată în energie, ceea ce oferă o densitate ridicată de energie și un impuls specific care este superior oricărei alte rachete. Mai mult, reacția de anihilare poate accelera racheta până la jumătate din viteza luminii.
Această clasă de rachete va fi cea mai rapidă și cea mai eficientă energie (sau imposibilă, dar propusă). Dacă rachetele chimice convenționale necesită tone de combustibil pentru a propulsa o navă spațială spre destinația sa, un motor antimaterie va face același lucru folosind câteva miligrame de combustibil. Distrugerea reciprocă a unei jumătăți de kilogram de hidrogen și particule antihidrogen eliberează mai multă energie decât o bombă de 10 megatoni cu hidrogen.
Din acest motiv Institutul Advanced Concepts al NASA investighează această tehnologie posibil pentru viitoarele misiuni pe Marte. Din păcate, atunci când analizăm misiunile în sistemele stelare din apropiere, cantitatea de combustibil necesară crește exponențial, iar costurile devin astronomice (iar acest lucru nu este o problemă).
Conform unui raport pregătit pentru cea de-a 39-a Conferință și Expoziție Comună de Propulsie AIAA / ASME / SAE / ASEE, o rachetă antimaterie în două etape va necesita mai mult de 815.000 de tone de combustibil pentru a ajunge la Proxima Centauri în 40 de ani. Este relativ rapid. Dar prețul …
Deși un gram de antimaterie produce o cantitate incredibilă de energie, producerea unui singur gram ar necesita 25 de miliarde de kilowati-ore de energie și ar însemna un trilion de dolari. În prezent, cantitatea totală de antimaterie creată de om este mai mică de 20 de nanograme.
Și chiar dacă am putea produce antimaterie ieftin, am avea nevoie de o navă masivă care să poată ține cantitatea necesară de combustibil. Potrivit unui raport al doctorului Darrell Smith și Jonathan Webby de la Universitatea Embry-Riddle Aviation din Arizona, o navă interstelară cu motor antimaterial ar putea ridica 0,5 viteză de lumină și a ajunge la Proxima Centauri în puțin peste 8 ani. Cu toate acestea, nava în sine ar cântări 400 de tone și ar necesita 170 de tone de combustibil antimaterie.
O modalitate posibilă este de a crea o navă care să creeze antimaterie și apoi să o folosească drept combustibil. Acest concept, cunoscut sub numele de Sistemul Explorator de Rachete Interstellare Vacuum to Antimatter (VARIES), a fost propus de Richard Obausi, de la Icarus Interstellar. Bazându-se pe ideea reprocesării la fața locului, nava VARIES ar folosi lasere mari (alimentate de panouri solare uriașe) care creează particule de antimaterie atunci când sunt aruncate în spațiul gol.
Similar cu conceptul cu un motor ramjet termonuclear, această propunere rezolvă problema transportului de combustibil prin extragerea lui direct din spațiu. Dar, din nou, costul unei astfel de nave va fi extrem de mare dacă este construit cu metodele noastre moderne. Pur și simplu nu putem crea antimaterie la scară masivă. De asemenea, trebuie abordată problema radiațiilor, deoarece anihilarea materiei și a antimateriei produce explozii de raze gamma de mare energie.
Ele reprezintă nu numai un pericol pentru echipaj, ci și pentru motor, astfel încât să nu se despartă de particule subatomice sub influența tuturor acestor radiații. Pe scurt, un motor antimaterie este practic practic cu tehnologia noastră actuală.
Unitate de distrugere Alcubierre
Iubitorii de ficțiune științifică nu cunosc, fără îndoială, conceptul warp drive (sau Alcubierre drive). Propusă de fizicianul mexican Miguel Alcubierre în 1994, această idee a fost o încercare de a imagina mișcarea instantanee în spațiu fără a încălca teoria specială a relativității a lui Einstein. Pe scurt, acest concept implică întinderea țesăturii spațiu-timpului într-un val, ceea ce, teoretic, ar face ca spațiul din fața obiectului să se contracte și în spatele acestuia să se extindă.
Un obiect din interiorul acestui val (nava noastră) va putea merge pe acest val, fiind într-o „bulă de urzeală”, cu o viteză mult mai mare decât cea relativistă. Deoarece nava nu se mișcă în bulă în sine, ci este purtată de ea, legile relativității și spațiului timpului nu vor fi încălcate. De fapt, această metodă nu implică mișcare mai rapidă decât viteza luminii în sens local.
Este „mai rapid decât lumina” numai în sensul că nava își poate ajunge la destinație mai repede decât o rază de lumină care călătorește în afara bulei de urzeală. Presupunând că nava spațială va fi echipată cu sistemul Alcubierre, aceasta va ajunge în Proxima Centauri în mai puțin de 4 ani. Prin urmare, dacă vorbim despre călătorii teoretice interstelare în spațiu, aceasta este de departe cea mai promițătoare tehnologie în ceea ce privește viteza.
Desigur, acest concept este extrem de controversat. Argumentele împotriva, de exemplu, includ că nu ia în considerare mecanica cuantică și poate fi respinsă printr-o teorie a tuturor (cum ar fi gravitația cuantică buclă). Calculele cantității necesare de energie au arătat, de asemenea, că acțiunea de urzeală ar fi prohibitivă. Alte incertitudini includ siguranța unui astfel de sistem, efectele de spațiu-timp la destinație și încălcările cauzalității.
Cu toate acestea, în 2012, savantul NASA, Harold White, a spus că el și colegii săi au început să exploreze posibilitatea creării motorului Alcubierre. White a declarat că au construit un interferometru care va capta distorsiunile spațiale produse de dilatarea și contracția spațiului timpului metricului Alcubierre.
În 2013, Jet Propulsion Laborator a publicat rezultatele testelor de urzeală pe teren, care au fost efectuate în condiții de vid. Din păcate, rezultatele au fost considerate „neconcludente”. Pe termen lung, putem constata că metoda Alcubierre încalcă una sau mai multe legi fundamentale ale naturii. Și chiar dacă fizica sa se dovedește a fi corectă, nu există nicio garanție că sistemul Alcubierre poate fi folosit pentru zbor.
În general, totul este ca de obicei: te-ai născut prea devreme pentru a călători la cea mai apropiată stea. Cu toate acestea, dacă umanitatea simte nevoia de a construi o "arcă interstelară" care va adăposti o societate umană care se menține pe sine, va dura o sută de ani pentru a ajunge la Proxima Centauri. Dacă, desigur, vrem să investim într-un astfel de eveniment.
În termeni, toate metodele disponibile par extrem de limitate. Și dacă petrecem sute de mii de ani călătorind la cea mai apropiată stea, este posibil să ne interesăm puțin atunci când propria noastră supraviețuire este în joc, pe măsură ce tehnologia spațială avansează, metodele vor rămâne extrem de practic. Până când arca noastră va ajunge la cea mai apropiată stea, tehnologiile sale vor deveni învechite și umanitatea în sine poate să nu mai existe.
Deci, dacă nu facem o descoperire majoră în tehnologia de fuziune, antimaterie sau laser, ne vom mulțumi cu explorarea propriului nostru sistem solar.
Bazat pe materiale din Universul de astăzi
- Partea 1 -
