Olemme kaikki esittäneet tämän kysymyksen jossain vaiheessa elämäämme: Kuinka kauan matka tähtiin kestää? Voisiko se olla henkilön oman elinajan sisällä, ja voisiko tällaisesta matkustamisesta tulla jonain päivänä normi? Tähän kysymykseen on monia mahdollisia vastauksia - jotkut hyvin yksinkertaiset, toiset tieteiskirjallisuuden alueilla. Mutta kattava vastaus tuottaa monien asioiden huomioon ottamisen.
Valitettavasti mikä tahansa realistinen arvio todennäköisesti tuottaa vastauksia, jotka masentaisivat futuristeja ja tähtienvälisen matkan harrastajia. Pidä siitä tai ei, tila on erittäin suuri, ja tekniikkamme on edelleen hyvin rajallinen. Mutta jos koskaan harkitaan "pesän poistumista", meillä on useita vaihtoehtoja päästäksesi lähimpään aurinkokuntamme galaksissamme.
Lähin tähti Maapallolle on aurinkoomme, joka on melko ”keskimääräinen” tähti Hertzsprungissa - Russell-kaavion ”Pääsekvenssi”. Tämä tarkoittaa, että se on erittäin vakaa tarjoamalla Maalle juuri oikean tyyppistä auringonvaloa elämän kehittymiseksi planeetallamme. Tiedämme, että aurinkojärjestelmämme lähellä on planeettoja, jotka kiertävät muita tähtiä, ja monet näistä tähtiistä ovat samanlaisia kuin omamme.
Jos ihmiskunta haluaa tulevaisuudessa poistua aurinkokunnasta, meillä on valtava tähtivalikoima, johon voimme matkustaa, ja monilla voi olla oikeat olosuhteet elämän menestymiselle. Mutta mihin menisimme ja kuinka kauan meillä kuluu siihen pääsemiseen? Muista, että tämä on kaikki spekulatiivista, eikä tähtienvälisille matkoille ole tällä hetkellä mitään vertailuarvoa. Tästä huolimatta mennään!
Lähin tähti:
Kuten jo todettiin, aurinkokunnan lähin tähti on Proxima Centauri, minkä vuoksi on järkevää piirtää ensin tähtien välinen tehtävä tähän järjestelmään. Osana kolmiosaista tähtijärjestelmää, nimeltään Alpha Centauri, Proxima on noin 4,24 valovuotta (tai 1,3 parsakaaria) maasta. Alpha Centauri on tosiasiassa järjestelmän kolmen kirkkain tähti - osa tiiviisti kiertävää binaarista 4,37 valovuoden päässä maasta - Proxima Centauri (kolmesta himmein) on eristetty punainen kääpiö, joka on noin 0,13 valovuotta binaarista. .
Ja vaikka tähtienvälinen matka loihtii kaikenlaisia visioita nopeammasta kuin kevyestä (FTL) matkasta, loimen nopeudesta ja madonreikistä hyppyasemiin, tällaiset teoriat ovat joko erittäin spekulatiivisia (kuten Alcubierre-asema) tai kokonaan tieteen maakunta fiktio. Todennäköisesti kaikki syvän avaruuden tehtävät vievät sukupolvia todennäköisesti muutaman päivän sijasta tai hetkessä.
Joten aloittamalla yhdestä hitaimmista avaruusmatkoista, kuinka kauan kestää pääsy Proxima Centauriin?
Nykyiset menetelmät:
Kysymys siitä, kuinka kauan avaruuteen pääseminen vie jonkin verran helpompaa, kun käsittelemme aurinkokunnan järjestelmäämme. Esimerkiksi New Horizons -operaation tehostavan tekniikan käyttäminen - joka koostui 16 työntövoimasta, jotka polttoaineena olivat hydratsiinimonopropellantit - saavuttaminen Kuuhun vie vain 8 tuntia ja 35 minuuttia.
Toisaalta siellä on Euroopan avaruusjärjestön (ESA) SMART-1-operaatio, joka vei aikansa matkustaakseen Kuuhun ionisen käyttövoiman menetelmällä. Tällä vallankumouksellisella tekniikalla, jota Dawn-avaruusalus on sittemmin käyttänyt variaatiota Vestaan pääsemiseksi, SMART-1-operaatio kesti kuukauden, kuukauden ja kahden viikon päästä Kuuhun.
Joten nopeasta rakettikoneet ajavasta avaruusaluksesta taloudelliseen ioniajoneuvoon, meillä on muutamia vaihtoehtoja kiertää paikallista tilaa - ja voisimme käyttää Jupiteria tai Saturnusta mojovaan painovoimapaikkaan. Jos kuitenkin harkitsimme tehtäviä jonnekin muualle, meidän olisi laajennettava tekniikkaamme ja tarkasteltava sitä, mikä on todella mahdollista.
Kun sanomme mahdollisia menetelmiä, puhumme niistä, joihin liittyy olemassa oleva tekniikka, tai sellaisiin, joita ei vielä ole, mutta jotka ovat teknisesti toteutettavissa. Jotkut, kuten huomaat, ovat kunnioitettuja ja todistettuja, kun taas toiset ovat syntymässä tai ovat edelleen hallituksessa. Lähes kaikissa tapauksissa ne esittävät kuitenkin mahdollisen (mutta erittäin aikaa vievän tai kalliimman) skenaarion saavuttaakseen lähimmätkin tähdet ...
Ioninen työntövoima:
Tällä hetkellä hitain käyttövoiman muoto ja polttoainetehokkain on ionimoottori. Muutama vuosikymmen sitten ionista käyttövoimaa pidettiin tieteiskirjallisuuden aiheena. Ionimoottorien tukemiseen tähtäävä tekniikka on kuitenkin viime vuosina siirtynyt suurelta osin teoriasta käytäntöön. Esimerkiksi ESA: n SMART-1-operaatio suoritti onnistuneesti tehtävänsä Kuulle suoritettuaan 13 kuukauden kierrepolun maasta.
SMART-1 käytti aurinkovoimaisia ionituristimia, joissa sähköenergia kerättiin aurinkopaneeleistaan ja käytettiin Hall-efektioputkistojen virran lisäämiseen. Vain 82 kg ksenonpolttoainetta käytettiin SMART-1: n kuljettamiseen Kuuhun. 1 kg ksenonipolttoainetta antoi delta-v: n 45 m / s. Tämä on erittäin tehokas käyttövoiman muoto, mutta se ei missään nimessä ole nopeaa.
Yksi ensimmäisistä ionikäyttötekniikan käyttötehtävistä oli Syvä tila 1 DS1 käytti myös ksenonikäyttöistä ioniajoneuvoa, kuluttaen 81,5 kg ponneainetta. Yli 20 kuukauden työntövoiman aikana DS1 onnistui saavuttamaan nopeuden 56 000 km / h (35 000 mailia / h) komeetan lentotoiminnan aikana.
Ionipuristimet ovat siksi taloudellisempaa kuin rakettitekniikka, koska ponneaineen työntövoima massayksikköä kohti (spesifinen impulssi) on paljon suurempi. Mutta ioninpotkurien kiihdyttäminen avaruusaluksille kaikille suurille nopeuksille vie kauan, ja suurin saavutettava nopeus riippuu polttoaineen syöttöstä ja siitä, kuinka paljon sähköenergiaa se voi tuottaa.
Joten jos ionista työntövoimaa käytettäisiin tehtävään Proxima Centauriin, työntövoimat tarvitsevat valtavan energianlähteen (ts. Ydinvoiman) ja suuren määrän ponneainetta (vaikkakin silti vähemmän kuin perinteiset raketit). Mutta perustuen oletukseen, että 81,5 kg ksenonpolttoainetta saadaan enimmäisnopeudeksi 56 000 km / h (ja että muita työntömuotoja ei ole saatavana, kuten painovoimainen slingshot sen edelleen kiihdyttämiseksi), jotkut laskelmat voivat olla tehty.
Lyhyesti sanottuna, suurin nopeus on 56 000 km / h, Syvä tila 1 ottaisi haltuunsa 81 000 vuotta kulkeakseen 4,24 valovuotta maan ja Proxima Centaurin välillä. Aika-asteikon tarkastelemiseksi perspektiivissä olisi yli 2700 ihmisen sukupolvea. Joten on turvallista sanoa, että planeettojenvälinen ionimoottoritehtävä olisi aivan liian hidas, jotta sitä voitaisiin harkita miehitetyssä tähteidenvälisessä operaatiossa.
Mutta jos ionipotkimista tehdään suurempia ja tehokkaampia (ts. Ionin poistonopeuden olisi oltava huomattavasti suurempi), ja tarvittavaa ponneainetta voitaisiin vetää pitämään avaruusalusta jatkuvana koko 4.243 valovuoden matkan ajan, että matka-aika voisi olla huomattavasti vähenee. Silti ei riitä, että tapahtuu jonkun elinaikana.
Painovoima-apumenetelmä:
Avaruusmatkan nopeimmin olemassa oleva keino tunnetaan Gravity Assist -menetelmänä, joka käsittää avaruusaluksen, joka käyttää planeetan suhteellista liikettä (ts. Kiertorataa) ja planeetan painovoimaa muuttaakseen polkua ja nopeutta. Painovoima-avustajat ovat erittäin hyödyllinen avaruustekniikan tekniikka, etenkin kun maata tai muuta massiivista planeettaa (kuten kaasujätteistä) käytetään nopeuden lisäämiseen.
Mariner 10 avaruusalukset käyttivät tätä menetelmää ensimmäisenä ja käyttivät Venuksen painovoimavetoa kuvan siirtämiseen elohopeaa kohti helmikuussa 1974. 1980-luvulla Voyager 1 koetin käytti Saturnusta ja Jupiteria painovoimapainikkeisiin saavuttaakseen nykyisen nopeutensa 60 000 km / h (38 000 mailia / h) ja tehdäkseen tähtienväliseen avaruuteen.
Se oli kuitenkin Helios 2 operaatio - joka käynnistettiin vuonna 1976 tutkimaan planeettavälistä väliainetta 0,3 AU: sta 1 AU: iin aurinkoon -, jolla on ennätykset suurimmasta nopeudesta, joka on saavutettu painovoima-avulla. Tällä hetkellä, Helios 1 (joka lanseerattiin vuonna 1974) ja Helios 2 piti ennätyksen lähimmästä lähestymistavasta aurinkoon. Helios 2 käynnisti tavanomainen NASA Titan / Centaur-kantoraketti ja sijoitti erittäin elliptiseen kiertoradalle.
Koettimien suuren eksentrisyyden (0,54) takia auringon kiertoradalla (190 päivää) perihelionilla, Helios 2 pystyi saavuttamaan yli 240 000 km / h (150 000 mailia / h) maksiminopeuden. Tämä kiertoradan nopeus saavutettiin pelkästään Auringon painovoiman vetämällä. Teknisesti Helios 2 perihelion nopeus ei ollut gravitaatio slingshot, se oli suurin kiertorata nopeus, mutta se pitää silti ennätys on nopein ihmisen aiheuttama esine riippumatta.
Niin jos Voyager 1 matkusti punaisen kääpiön Proxima Centaurin suuntaan vakionopeudella 60 000 km / h, tämän matkan kulkeminen vie 76 000 vuotta (tai yli 2500 sukupolvea). Mutta jos se voisi saavuttaa ennätysnopeuden Helios 2Läheinen lähestyminen aurinkoon - vakio nopeus 240 000 km / h - se vie 19 000 vuotta (tai yli 600 sukupolvea) matkustaaksesi 4,243 valovuotta. Huomattavasti parempi, mutta silti ei käytännössä.
Sähkömagneettinen (EM) käyttö:
Toinen ehdotettu asteikkojen välinen liikkumismenetelmä on radiotaajuisen (RF) resonanssin ontelo-ohjaimen muodossa, joka tunnetaan myös nimellä EM-asema. Alun perin vuonna 2001 brittiläisen tutkijan Roger K. Shawyerin, joka aloitti Satellite Propulsion Research Ltd: n (SPR) aloittamisen sen toteuttamiseksi, ehdotus perustuu ajatukseen, jonka mukaan sähkömagneettiset mikroaaltouunit voivat mahdollistaa sähköenergian suoran muuntamisen työntövoimaksi. .
Kun tavanomaiset sähkömagneettiset työntövoimat on suunniteltu kuljettamaan tietyn tyyppistä massaa (kuten ionisoituneita hiukkasia), tämä erityinen käyttöjärjestelmä ei ole riippuvainen reaktiomassasta eikä säteile suuntaista säteilyä. Tällainen ehdotus on herättänyt paljon skeptisyyttä, pääasiassa siksi, että se rikkoo momenttin säilyttämislakia - jonka mukaan järjestelmässä vauhdin määrä pysyy vakiona eikä sitä luoda eikä tuhota, vaan se muuttuu vain voimat.
Viimeaikaiset kokeilut suunnittelusta ovat kuitenkin ilmeisesti antaneet positiivisia tuloksia. Ohjelmassa Clevelandissa, Ohiossa, heinäkuussa 2014 pidetyssä 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE-yhteispropulsiokonferenssissa NASA: n pitkälle kehitetyn työvoimatutkimuksen tutkijat väittivät kokeilleensa menestyksekkäästi uutta mallia sähkömagneettista työntövoimaa varten.
Tätä seurattiin huhtikuussa 2015, kun NASA Eagleworksin (osa Johnsonin avaruuskeskusta) tutkijat väittivät, että he olivat menestyksekkäästi kokeilleet taajuusmuuttajaa tyhjiössä, mikä osoittaa, että se saattaa tosiasiallisesti toimia avaruudessa. Saman vuoden heinäkuussa Dresdenin teknillisen yliopiston avaruusjärjestelmäosaston tutkimusryhmä rakensi oman versionsa moottorista ja havaitsi havaittavan työntövoiman.
Ja vuonna 2010 professori Juan Yang Kiinan Xi'anissa sijaitsevasta Luoteis-ammattikorkeakoulusta aloitti julkaisusarjojen julkaisemisen tutkimuksestaan EM Drive -teknologiaan. Tämä huipentui hänen vuoden 2012 lehdessä, jossa hän ilmoitti suuremman syöttötehon (2,5 kW) ja testasi työntövoiman (720 mN) tasot. Vuonna 2014 hän raportoi lisäksi laajoista testeistä, joihin sisältyy sisäisten lämpötilan mittauksia sulautetuilla termoelementeillä, jotka näyttivät vahvistavan järjestelmän toimivuuden.
NASA-prototyyppiin (joka tuotti arviolta 0,4 N / kilovatti) perustuvien laskelmien mukaan EM-asemalla varustettu avaruusalus pystyi tekemään matkan Plutoon alle 18 kuukaudessa. Se on kuudesosa New Horizons -koettimen päästäkseen sinne, joka kulki nopeudella lähes 58 000 km / h (36 000 mph).
Kuulostaa vaikuttavalta. Mutta jopa tällä nopeudella, se vie laivan, joka on varustettu EM-moottoreilla 13 000 vuotta jotta alus saisi sen Proxima Centauriin. Lähemmäksi, mutta ei tarpeeksi nopeasti! ja siihen asti, kunnes tekniikan voidaan lopullisesti todistaa toimivan, ei ole mitään järkeä laittaa munia tähän koriin.
Ydinvoiman lämpö / ydinvoima (NTP / NEP):
Toinen mahdollisuus tähtienväliseen avaruuslentoon on käyttää ydinmoottoreilla varustettuja avaruusaluksia - käsitettä, jota NASA on tutkinut vuosikymmenien ajan. Ydinvoimalaitoksen (NTP) raketissa käytetään uraani- tai deuteriumreaktioita nestemäisen vedyn lämmittämiseen reaktorin sisällä muuttamalla se ionisoiduksi vetykaasuksi (plasma), joka kanavoidaan sitten rakettisuuttimen läpi työntövoiman tuottamiseksi.
Ydinvoimaraketti (NEP) käsittää saman perusreaktorin, joka muuntaa sen lämmön ja energian sähköenergiaksi, joka sitten käyttäisi sähkömoottoria. Molemmissa tapauksissa raketti luottaisi ydinfissioon tai fuusioon tuottaakseen työntövoiman eikä kemiallisia ponneaineita, mikä on ollut NASA: n ja kaikkien muiden avaruusjärjestöjen perusta nykyään.
Verrattuna kemialliseen käyttövoimaan, sekä NTP: llä että NEC: llä on useita etuja. Ensimmäinen ja ilmeisin on sen tarjoama käytännöllisesti katsoen rajoittamaton energian tiheys rakettipolttoaineeseen verrattuna. Lisäksi ydinkäyttöinen moottori voisi tarjota myös suuremman työntövoiman suhteessa käytetyn ponneaineen määrään. Tämä vähentäisi tarvittavan ponneaineen määrää, mikä vähentäisi laukaisun painoa ja yksittäisten operaatioiden kustannuksia.
Vaikka ydinvoimalämpöä ei ole koskaan lennetty, viimeisten vuosikymmenien aikana on rakennettu ja testattu useita suunnittelukonsepteja ja ehdotettu lukuisia konsepteja. Ne ovat vaihdelleet perinteisestä kiinteän ytimen suunnittelusta - kuten ydinmoottori rakettiajoneuvojen sovellukseen (NERVA) - edistyneempiin ja tehokkaampiin konsepteihin, jotka tukeutuvat joko nestemäiseen tai kaasuytimeen.
Huolimatta näistä polttoainetehokkuuden ja ominaisimpulssien eduista, hienostuneimmalla NTP-konseptilla on kuitenkin suurin ominaisimpulssi 5000 sekuntia (50 kN · s / kg). NASA: n tutkijoiden mukaan fissio- tai fuusiovoiman aiheuttamia ydinmoottoreita varten Marsille pääsyyn tarvitaan vain 90 päivää avaruusaluksen ollessa planeetan ollessa ”vastakohtana” - ts. Jopa 55 000 000 km päässä Maasta.
Mutta kun ydinrakettia on sovitettu yksisuuntaiseen matkaan Proxima Centauriin, kestää vielä vuosisatoja kiihtyäkseen pisteeseen, jossa se lentää murto-osan valon nopeudesta. Se vaatisi sitten useita vuosikymmeniä matka-aikaa, jota seuraa monien vuosisatojen hidastuvuus ennen määränpäähän saapumista. Kaiken kaikkiaan, puhumme edelleen 1000 vuotta ennen kuin se saavuttaa määränpäähänsä. Hyvä planeettojenvälisille tehtäville, ei niin hyvä tähteidenvälisille.
Teoreettiset menetelmät:
Olemassa olevaa tekniikkaa käyttämällä aika, joka kuluu tutkijoiden ja astronauttien lähettämiseen tähtienväliseen tehtävään, olisi kohtuuttoman hidas. Jos haluamme tehdä tämän matkan yhden elinajan tai jopa sukupolven sisällä, tarvitaan jotain hieman radikaalimpaa (aka. Erittäin teoreettinen). Ja vaikka madonreiät ja hyppymoottorit saattavat olla vielä puhdasta fiktioa, on olemassa joitakin melko edistyneitä ideoita, joita on harkittu vuosien varrella.
Ydinpulssin työntö:
Ydinpulssikäyttö on teoreettisesti mahdollinen nopean avaruusmatkan muoto. Konseptin ehdotti alun perin vuonna 1946 Manhattan-projektiin osallistunut puolalaisamerikkalainen matemaatikko Stanislaw Ulam, ja sitten F. Reines ja Ulam tekivät alustavat laskelmat vuonna 1947. Varsinainen projekti, joka tunnetaan nimellä Project Orion, aloitettiin vuonna 1946. 1958 ja kesti vuoteen 1963.
Ted Taylorin johtama yleinen atomiikka ja fyysikko Freeman Dyson Princetonin syventävistä tutkimuslaitoksista, Orion toivoi valjastavansa pulssipohjaisten ydinräjähdysten voiman saadakseen aikaan valtavan työntövoiman erittäin korkealla ominaisimpulssilla (ts. Työntövoiman määrä verrattuna painoon tai kuinka monta sekuntia raketti voi jatkuvasti ampua).
Lyhyesti sanottuna Orion-suunnitteluun kuuluu suuri avaruusalus, jolla on runsaasti lämpöydinvarmuuspäätä, joka saavuttaa työntövoiman vapauttamalla pommin sen takana ja ajamalla sitten räjähdysaallon takaosaan kiinnitetyn padin, jota kutsutaan ”työntäjäksi”, avulla. Jokaisen räjähdyksen jälkeen tämä työntöalusta absorboi räjähtävän voiman, joka sitten muuntaa työntövoiman liikkeelle.
Vaikka suunnittelu on tuskin tyylikäs nykyaikaisten standardien mukaan, suunnittelun etuna on, että sillä saavutetaan korkea ominaisimpulssi - tarkoittaen, että se poimii suurimman määrän energiaa polttoaineen lähteestä (tässä tapauksessa ydinpommeista) pienin kustannuksin. Lisäksi konseptilla voitaisiin teoreettisesti saavuttaa erittäin suuret nopeudet, ja joidenkin arvioiden mukaan pallokentän luku on jopa 5% valon nopeudesta (tai 5.4 × 107 km / h).
Mutta tietysti suunnittelussa on väistämätöntä alavirtaa. Yhden tapauksessa tämän kokoinen alus olisi uskomattoman kallista rakentaa. Dysonin vuonna 1968 laatimien arvioiden mukaan Orion-avaruusaluksen, joka käytti vetypommeja työntövoiman tuottamiseksi, paino olisi 400 000 - 4 000 000 tonnia. Ja vähintään kolme neljäsosaa tästä painosta koostuu ydinpommeista, joissa jokainen sotapää painaa noin yhden tonnin.
Dysonin konservatiivisimpien arvioiden mukaan Orion-veneen rakentamisen kokonaiskustannukset olivat 367 miljardia dollaria. Inflaatioon mukautettuna se on noin 2,5 biljoonaa dollaria - mikä on yli kaksi kolmasosaa Yhdysvaltain hallituksen nykyisistä vuosituloista. Näin ollen veneen valmistus olisi erittäin kallista, jopa kevyimmällä.
Kaikesta sen tuottamasta säteilystä on myös pieni ongelma, puhumattakaan ydinjätteistä. Itse asiassa juuri tästä syystä hankkeen uskotaan päättyneen 1963 tehdyn osittaisen testikieltosopimuksen hyväksymisen vuoksi, jonka tarkoituksena oli rajoittaa ydinkokeita ja estää ydinlaskeumien liiallinen pääsy planeetan ilmakehään.
Fuusioraketit:
Toinen mahdollisuus valjastetun ydinvoiman alueella sisältää raketit, jotka luottavat lämpöydinreaktioihin tuottamaan työntövoimaa. Tätä konseptia varten syntyy energiaa, kun deuterium / helium-3 -seoksen pelletit sytytetään reaktiokammiossa inertiaalisella sulkemisella elektronisuihkulla (samanlainen kuin mitä tehdään Kalifornian kansallisessa sytytyslaitoksessa). Tämä fuusioreaktori räjäyttäisi 250 pellettiä sekunnissa korkean energiaplasman luomiseksi, jota sitten ohjaisi magneettinen suutin työntövoiman luomiseksi.
Kuten ydinreaktoriin tukeutuva rakettina, tämä käsite tarjoaa etuja polttoainetehokkuuden ja erityisen impulssin suhteen. Pakokaasun nopeuksiksi arvioidaan jopa 10 600 km / s, mikä on selvästi perinteisten rakettien nopeutta suurempi. Lisäksi tekniikkaa on tutkittu laajasti viime vuosikymmenien aikana, ja monia ehdotuksia on tehty.
Esimerkiksi vuosina 1973–1978 British Interplanetary Society toteutti toteutettavuustutkimuksen, joka tunnetaan nimellä Project Daedalus. Fuusio tekniikan ja olemassa olevien menetelmien nykyisen tietämyksen perusteella tutkimus kehotti luomaan kaksivaiheisen miehittämättömän tieteellisen koettimen, joka suorittaa matkan Barnard's Stariin (5,9 valovuoden päässä Maasta) yhdessä elämässä.
Ensimmäinen vaihe, suurempi näistä kahdesta, toimisi 2,05 vuotta ja kiihdyttäisi avaruusalusta 7,1%: n valon nopeuteen (o.071 C). Tämä vaihe sitten hävitetään, jolloin toinen vaihe sytyttää moottorinsa ja kiihdyttää avaruusalusta noin 12%: iin valon nopeudesta (0,12) C) 1,8 vuoden aikana. Tämän jälkeen toisen vaiheen moottori sammutetaan ja alus alkaa 46 vuoden risteilyjaksolle.
Projektin arvioiden mukaan operaatio kesti 50 vuotta saavuttaaksesi Barnardin tähden. Proxima Centaurille mukautettu, sama veneet voisivat tehdä matkan 36 vuotta. Mutta tietysti projektissa tunnistettiin myös lukuisia kompastuskiviä, jotka tekivät siitä mahdotonta käyttää silloista tekniikkaa - joista suurin osa on edelleen ratkaisematta.
Esimerkiksi on se, että helium-3: ta on vähän maan päällä, mikä tarkoittaa, että se joudutaan louhimaan muualle (todennäköisesti kuuhun). Toiseksi, avaruusaluksen ohjaava reaktio vaatii, että vapautuva energia ylittää huomattavasti reaktion käynnistämiseen käytetyn energian. Ja vaikka kokeet täällä maapallolla ovat ylittäneet ”break-even-tavoitteen”, olemme vielä kaukana sellaisesta energiasta, jota tarvitaan tähtienvälisen avaruusaluksen voimistamiseen.
Kolmanneksi tällaisen aluksen rakentamisessa on kustannustekijä. Jopa Project Daedalusin miehittämättömän veneen vaatimattoman standardin mukaan täysin polttoaineena oleva alus olisi paino jopa 60 000 Mt. Tämän näkökulmasta katsottuna NASA: n SLS: n bruttopaino on hiukan yli 30 miljoonaa tonnia, ja yhden lanseerauksen hinta on 5 miljardia dollaria (perustuen vuonna 2013 tehtyihin arvioihin).
Lyhyesti sanottuna, fuusiorakettien rakentaminen olisi kohtuuttoman kallista; se vaatisi myös fuusioreaktoritekniikan tasoa, joka on tällä hetkellä keinoidemme ulkopuolella. Icarus Interstellar, kansainvälinen vapaaehtoistyöntekijöiden järjestö (joista osa työskenteli NASA: n tai ESA: n palveluksessa) on sittemmin yrittänyt elvyttää konseptia Icarus-projektin avulla. Vuonna 2009 perustettu ryhmä toivoo saavansa fuusiovoiman (muun muassa) toteuttamaan lähitulevaisuudessa.
Fusion Ramjet:
Fysiikka Robert W. Bussard ehdotti ensin tätä propulsiovoiman teoreettista muotoa, joka tunnetaan myös nimellä Bussard Ramjet. Periaatteessa se on parannus verrattuna tavanomaiseen ydinfuusiorakettiin, joka käyttää magneettikenttiä vetypolttoaineen puristamiseen siihen pisteeseen, että fuusio tapahtuu. Mutta Ramjet'n tapauksessa valtava sähkömagneettinen suppilo “kaappaa” vetyä tähtienvälisestä väliaineesta ja vie sen reaktoriin polttoaineena.
Aluksen noustessa nopeutta reaktiivinen massa pakotetaan asteittain supistuvaksi magneettikentäksi puristamalla sitä, kunnes tapahtuu lämpöydinfuusio. Sitten magneettikenttä ohjaa energiaa rakettien poistoon moottorin suuttimen läpi, kiihdyttäen siten astiaa. Ilman polttoainesäiliöitä punnita sitä, fuusiomallijetti voisi saavuttaa nopeuden, joka lähestyy 4%: n valon nopeudesta, ja matkustaa mihin tahansa galaksiin.
Tämän suunnittelun mahdolliset haitat ovat kuitenkin lukuisia. Esimerkiksi siellä on vetämisongelma. Alus luottaa lisääntyneeseen nopeuteen polttoaineen keräämiseksi, mutta koska se törmää yhä useamman tähtienvälisen vedyn kanssa, se voi myös menettää nopeutta - etenkin galaksin tiheämmillä alueilla. Toiseksi deuterium ja tritium (joita käytetään fuusioreaktoreissa täällä maapallolla) ovat harvinaisia avaruudessa, kun taas säännöllisen vedyn (jota on runsaasti avaruudessa) fuusiointi on nykyisten menetelmiemme ulkopuolella.
Tätä käsitettä on suosittu laajasti tieteiskirjallisuudessa. Ehkä tunnetuin esimerkki tästä on franchising Star Trek, jossa “Bussard-keräilijät” ovat loimismoottoreiden hehkuva nacelles. Mutta todellisuudessa tietomme fuusioreaktioista on edistyttävä huomattavasti, ennen kuin mäntä on mahdollista. Meidän on myös selvitettävä tämä hankala vetämisongelma ennen kuin aloimme harkita tällaisen laivan rakentamista!
Laserpurje:
Aurinkopurjeita on pitkään pidetty kustannustehokkaana tapana aurinkokunnan tutkimiseksi. Sen lisäksi, että se on suhteellisen helppo ja halpa valmistaa, se sisältää lisähyödyn aurinkopurjeista, jotka eivät vaadi polttoainetta. Sen sijaan, että käytettäisiin raketteja, jotka vaativat ponneaineen, purje käyttää tähtiä säteilypainetta työntääkseen suuret ultraohut peilit suurille nopeuksille.
Tähtienvälisen lennon vuoksi tällaista purjetta olisi kuitenkin ajettava keskittyneillä energiakeiloilla (ts. Laserilla tai mikroaaltouunilla), jotta se työnnetään valon nopeutta lähestyvään nopeuteen. Konseptin ehdotti alun perin Robert Forward vuonna 1984, joka oli tuolloin fyysikko Hughes Aircraftin tutkimuslaboratorioissa.
Konsepti säilyttää aurinkopurun edut siinä mielessä, että se ei vaadi aluksella olevaa polttoainetta, mutta myös siitä tosiasiasta, että laserenergia ei hajoa etäisyydellä melkein yhtä paljon kuin aurinkosäteily. Joten vaikka laserpohjaisen purjeen kiihdyttäminen melkein valonopeuteen kestää jonkin aikaa, se rajoittuu vain itse valon nopeuteen.
NASA: n Jet Propulsion -laboratoriossa edistyneiden propulsiokonseptitutkijoiden johtajan Robert Frisbeen vuonna 2000 tekemän tutkimuksen mukaan laserpurje voitiin kiihdyttää puoleen valonopeuteen vajaassa vuosikymmenessä. Hän laski myös, että purje, jonka halkaisija on noin 320 km (200 mailia), voisi saavuttaa Proxima Centaurin hieman 12 vuotta. Samaan aikaan purje, jonka halkaisija on noin 965 km (600 mailia), saapuisi hieman alle 9 vuotta.
Tällainen purje olisi kuitenkin rakennettava edistyneistä komposiiteista sulamisen välttämiseksi. Yhdistettynä kokoonsa tämä lisäisi melko penniäkään! Vielä pahempaa on silloin, kun laserin rakentamisesta aiheutuu riittävän suuri kustannus, joka on riittävän tehokas purjeen ajamiseen puoleen valon nopeuteen. Frisbeen oman tutkimuksen mukaan laserit vaatisivat tasaista 17 000 terawatin virtavirtaa - lähellä mitä koko maailma kuluttaa yhdessä päivässä.
Antimateriaalimoottori:
Tieteiskirjailun fanit ovat varmasti kuulleet antimateriaalista. Mutta jos sinulla ei ole, antimateria on pääasiassa materiaalia, joka koostuu hiukkasista, joiden massa on sama, mutta vastakkainen kuin tavallisilla hiukkasilla. Sillä välin antimateriaalimoottori on käyttövoima, joka käyttää aineen ja antimateriaalin vuorovaikutusta voiman tuottamiseksi tai työntövoiman luomiseksi.
Lyhyesti sanottuna, antimateriaalimoottori sisältää vedyn ja antigeenin hiukkasia, jotka puristetaan yhteen. Tämä reaktio vapauttaa yhtä paljon energiaa kuin lämpöydinpommi, yhdessä suihkussa olevien subatomisten hiukkasten kanssa, joita kutsutaan pioneiksi ja kuoneiksi. Nämä hiukkaset, jotka kulkisivat kolmanneksella valon nopeutta, kanavoidaan sitten magneettisella suuttimella työntövoiman tuottamiseksi.
Tämän raketin luokan etuna on, että suuri osa aineen ja antimateriaalin seoksen lopumassasta voidaan muuntaa energiaksi, mikä antaa antimateriaalirakettien energian tiheyden ja ominaisimpulssin huomattavasti suuremman energian kuin millään muulla ehdotetulla raketin luokalla. Lisäksi tällaisen reaktion hallinta voi ajatella, että raketti työnnetään puoleen valonopeuteen asti.
Punta puntaa varten, tämä laivaluokka olisi nopein ja polttoainetehokkain koskaan suunniteltu. Vaikka tavanomaiset raketit vaativat tonnia kemiallista polttoainetta avaruusaluksen kuljettamiseen määränpäähänsä, antimateriaalimoottori voisi tehdä saman työn vain muutamalla milligrammalla polttoainetta. Itse asiassa puoli punnan vety- ja antivetyhiukkasten keskinäinen tuhoaminen vapauttaisi enemmän energiaa kuin 10-megatoninen vetypommi.
Juuri tästä tarkalta syystä NASAn Advanced Concepts Institute (NIAC) on tutkinut tekniikkaa mahdollisena keinona tuleville Mars-operaatioille. Valitettavasti harkittaessa lähestymistapoja läheisiin tähtijärjestelmiin matkan tekemiseen tarvittava polttoaineen määrä kerrotaan eksponentiaalisesti, ja sen valmistamisesta aiheutuvat kustannukset olisivat tähtitieteellisiä (ei pun!).
39. AIAA / ASME / SAE / ASEE-yhteispropulsiokonferenssia ja näyttelyä varten laaditun raportin mukaan (myös Robert Frisbee), kaksivaiheinen antimateriarakettia tarvittaisiin yli 815 000 tonnia (900 000 Yhdysvaltain tonnia) polttoainetta matkan tekemiseen Proxima Centauriin noin 40 vuodessa. Se ei ole huonoa aikatauluihin mennessä. Mutta jälleen kerran, kustannukset ...
Kun yksi gramma antimateriaalia tuottaisi uskomattoman määrän energiaa, arvioidaan, että vain yhden gramman tuottaminen vaatisi noin 25 miljoonaa miljardia kilowattituntia energiaa ja maksaa yli biljoonaa dollaria. Tällä hetkellä ihmisten luomaa antimateriaalia on vähemmän kuin 20 nanogrammaa.
Ja vaikka voisimme tuottaa antimateriaalia halvalla, tarvitset massiivisen aluksen tarvittavan polttoainemäärän pitämiseen. Arizonan Embry-Riddle -ilmailuyliopiston tohtori Darrel Smith & Jonathan Webby -raportin mukaan tähtienvälinen vene, joka on varustettu antimateriaalimoottorilla, voisi saavuttaa valonopeuden 0,5 ja päästä Proxima Centauriin hieman yli 8 vuotta. Laiva itse painaa kuitenkin 400 tonnia (441 Yhdysvaltain tonnia) ja matkan aikana tarvitsisi 170 tonnia (187 Yhdysvaltain tonnia) antimateriaa polttoainetta.
Mahdollinen tapa kiertää tämä on alus, joka voi luoda antimateriaalia, jonka se voisi sitten varastoida polttoaineena. Tätä konseptia, joka tunnetaan nimellä Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), ehdotti Richard Obousy, Icarus Interstellar. In situ-tankkauksen ajatuksen perusteella VARIES-alus luottaisi suuriin lasereihin (powered by valtavia aurinkopaneeleja), jotka tekisivät antimateriaalin hiukkasia tyhjennettäessä tyhjään tilaan.
Samoin kuin Ramjet-konsepti, tämä ehdotus ratkaisee polttoaineen kuljetusongelman valjastamalla sen avaruudesta. Mutta jälleen kerran, sellaisen aluksen pelkät kustannukset olisivat kohtuuttoman kalliita nykytekniikkaa käyttämällä. Lisäksi kyky luoda antimateriaa suurina määrinä ei ole asia, jota tällä hetkellä voimme tehdä. On myös kysymys säteilystä, koska aineen antimaterian tuhoaminen voi tuottaa korkeaenergisten gammasäteiden räjähdyksiä.
Tämä ei pelkästään aiheuta vaaraa miehistölle, koska se vaatii merkittävän säteilysuojauksen, mutta edellyttää myös moottorien suojaamista sen varmistamiseksi, että moottorit eivät käy läpi atomien hajoamista kaikesta altistuneesta säteilystä. Joten lopullinen, antimateriaalimoottori on täysin epäkäytännöllinen nykyisen tekniikkamme kanssa ja nykyisessä budjettiympäristössä.
Alcubierre-loimilaite:
Tieteiskirjallisuuden fanit tuntevat epäilemättä myös Alcubierre (tai ”loimi”) -käytön käsitteen. Meksikolainen fyysikko Miguel Alcubierre ehdotti vuonna 1994, että tämä ehdotettu menetelmä oli yritys tehdä FTL-matka mahdolliseksi rikkomatta Einsteinin teoriaa erityissuhteellisuudesta. Lyhyesti sanottuna, käsite käsittää avaruus-ajan kankaan venyttämisen aallossa, mikä teoriassa aiheuttaisi esineen edessä olevan tilan supistumisen ja sen takana olevan tilan laajenemisen.
Tämän aallon sisällä oleva esine (ts. Avaruusalus) kykenee sitten ajamaan tätä aaltoa, joka tunnetaan nimellä “loimikupla”, relativististen nopeuksien yli. Koska alus ei liiku tässä kuplassa, vaan sitä kuljetetaan liikkuessaan, avaruus-ajan ja suhteellisuussääntöjen voimassaolo lakkaa olemasta voimassa. Syynä on, että tämä menetelmä ei ole riippuvainen valon nopeammasta liikkumisesta paikallisessa merkityksessä.
Se on vain ”valoa nopeampaa” siinä mielessä, että alus voisi saavuttaa määränpäähänsä nopeammin kuin loimukuplan ulkopuolella kulkeva valonsäde. Joten olettaen, että avaruusalus voidaan varustaa Alcubierre Drive -järjestelmällä, se voi tehdä matkan Proxima Centauriin alle 4 vuotta. Joten kun kyse on teoreettisesta tähtienvälisestä avaruusmatkustamisesta, tämä on ylivoimaisesti lupaavin tekniikka, ainakin nopeuden suhteen.
Konsepti on luonnollisesti saatu vuosien varrella osana vastaargumentteja. Tärkein heidän joukossaan on se, että siinä ei oteta huomioon kvanttimekaniikkaa ja että kaiken teoria (kuten silmukkvanttivoima) voi mitätöidä. Tarvittavan energian määrän laskelmat ovat myös osoittaneet, että loimilaite vaatii kiellettävän määrän voimaa työskennellä. Muita epävarmuustekijöitä ovat tällaisen järjestelmän turvallisuus, vaikutukset määräajan avaruusaikaan ja syy-yhteyden rikkomukset.
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!
