Svi smo to pitanje postavili u nekom trenutku svog života: Koliko bi vremena trebalo putovati do zvijezda? Je li to možda unutar života nekoga i može li ovo jedno putovanje postati standardom jednog dana? Na ovo pitanje postoji mnogo mogućih odgovora - neki vrlo jednostavni, drugi u oblastima znanstvene fantastike. Ali pristupiti iscrpnom odgovoru znači uzeti u obzir puno stvari.
Nažalost, svaka realna procjena vjerojatno će dati odgovore koji bi totalno obeshrabrili futuriste i ljubitelje međuzvjezdanih putovanja. Sviđalo nam se to ili ne, prostora je jako puno, a naša tehnologija je i dalje vrlo ograničena. Ali ako ikad budemo razmišljali o "napuštanju gnijezda", imat ćemo niz mogućnosti za dolazak do najbližih Sunčevih sustava u našoj galaksiji.
Najbliža zvijezda Zemlji je naše Sunce, što je prilično "prosječna" zvijezda u glavnom slijedu Hertzsprung - Russell Diagram. To znači da je vrlo stabilna, pruža Zemlji upravo pravu vrstu sunčeve svjetlosti za život na našem planetu. Znamo da postoje planeti koji orbitiraju oko drugih zvijezda u blizini našeg Sunčevog sustava, a mnoge od tih zvijezda slične su našoj.
U budućnosti, ako čovječanstvo želi napustiti Sunčev sustav, imat ćemo ogroman izbor zvijezda u koje bismo mogli putovati, a mnoge bi mogle imati ispravne uvjete za život. Ali kamo bismo otišli i koliko bi nam vremena trebalo da stignemo tamo? Samo se sjetite, ovo je sve spekulativno i trenutno ne postoji mjerilo za međuzvjezdana putovanja. To se kaže, evo nas!
Najbliža zvijezda:
Kao što je već napomenuto, najbliža zvijezda našem Sunčevom sustavu je Proxima Centauri, zbog čega je najisplativije prvo zacrtati međuzvjezdanu misiju ovom sustavu. Kao dio trostrukog zvjezdanog sustava zvanog Alpha Centauri, Proxima se nalazi oko 4,24 svjetlosne godine (ili 1,3 parseksa) od Zemlje. Alfa Centauri zapravo je najsjajnija zvijezda od tri u sustavu - dio usko orbitirajući binarnih 4,37 svjetlosnih godina od Zemlje - dok je Proxima Centauri (najcrnji od tri) izolirani crveni patuljak udaljen oko 0,13 svjetlosne godine od binarne ,
I dok međuzvjezdana putovanja stvaraju sve vrste viđenja putovanja bržim od svjetlosti (FTL), u rasponu od brzine osnove i crvotočina do skočnih pogona, takve su teorije ili izrazito spekulativne (poput Alcubierre Drive) ili u potpunosti provincije znanosti fikcija. Po svemu sudeći, bilo koja misija u svemirskim svemirskim misijama vjerojatno će trebati generacijama da stignu tamo, a ne za nekoliko dana ili u tren oka.
Dakle, počevši od jednog od najsporijih oblika svemirskih putovanja, koliko će vremena trebati da se dođe do Proxime Centauri?
Trenutne metode:
Pitanje koliko bi vremena trebalo da se stigne negdje u svemir pomalo je lakše kada se bavimo postojećom tehnologijom i tijelima unutar našeg Sunčevog sustava. Primjerice, korištenjem tehnologije koja pokreće misiju New Horizons - koja se sastojala od 16 potisnih motora pogođenih hidrazinskim monopropelantom - do Mjeseca bi bilo potrebno samo 8 sati i 35 minuta.
S druge strane, postoji misija Europske svemirske agencije (ESA) SMART-1, koja je svoje vrijeme putovala na Mjesec koristeći metodu jonskog pokretanja. Ovom revolucionarnom tehnologijom, koju je svemirska letjelica Dawn koristila do Veste, misiji SMART-1 trebalo je godinu, mjesec i dva tjedna da stigne do Mjeseca.
Dakle, od brzog svemirskog broda s raketama do ekonomičnog ionskog pogona, imamo nekoliko mogućnosti za obilazak lokalnog prostora - plus što bismo mogli iskoristiti Jupiter ili Saturn za ogromnu gravitacijsku prasku. Međutim, ako bismo razmišljanja o misijama negdje malo više izbegli, morali bismo povećati tehnologiju i pogledati što je stvarno moguće.
Kada kažemo moguće metode, govorimo o onima koje uključuju postojeću tehnologiju ili onima koje još ne postoje, ali su tehnički izvedive. Neki će, kao što ćete vidjeti, vremenski postojati i dokazati, dok se drugi pojavljuju ili su još uvijek na ploči. U gotovo svim slučajevima, oni predstavljaju mogući (ali dugotrajan ili skup) scenarij za dosezanje čak i najbližih zvijezda ...
Jonski pogon:
Trenutno je najsporiji oblik pogona, a najjeftiniji je ionski motor. Prije nekoliko desetljeća ionsko se pogoni smatrali predmetom znanstvene fantastike. Međutim, posljednjih godina tehnologija za podršku ionskih motora prelazi iz teorije u praksu na veliki način. Primjerice, ESA-ina SMART-1 misija uspješno je završila svoju misiju na Mjesec nakon 13-mjesečnog spiralnog puta sa Zemlje.
SMART-1 koristio je ionske potisnike na solarni pogon, gdje se električna energija skupljala iz njegovih solarnih panela i koristila za napajanje svojih Hall-evih potisnika. Samo 82 kg ksenonskog pogonskog sredstva potrošeno je za pokretanje SMART-1 na Mjesec. 1 kg ksenonskog pogonskog goriva daje delta-v od 45 m / s. To je vrlo učinkovit oblik pogona, ali nikako nije brz.
Jedna od prvih misija koja je koristila tehnologiju ionskog pogona bila je Duboki svemir 1 misija u Cometu Borrellyju koja se dogodila 1998. DS1 je također koristio ksenonski ionski pogon, trošeći 81,5 kg pogonskog goriva. Tijekom 20 mjeseci potiskivanja, DS1 je uspio postići brzinu od 56 000 km / h (35 000 milja / h) tijekom leta leta komete.
Ionski potisnici su stoga ekonomičniji od raketne tehnologije, jer je potisak po jedinici mase pogonskog sredstva (a.k.a. specifični impuls) daleko veći. Ali treba dugo vremena da ionski potisnici ubrzavaju svemirski brod do bilo koje velike brzine, a najveća brzina koju on može postići ovisi o njegovoj opskrbi gorivom i koliko električne energije može proizvesti.
Dakle, ako bi se ionski pogon koristio za misiju u Proxima Centauri, potisnicima bi bio potreban ogroman izvor proizvodnje energije (tj. Nuklearna energija) i velika količina pogonskog sredstva (iako još uvijek manje od konvencionalnih raketa). Ali na temelju pretpostavke da se opskrba 81,5 kg ksenonskog pogonskog goriva prevodi u maksimalnu brzinu od 56 000 km / h (i da nema drugih oblika pogona, poput gravitacijskog praćka za njegovo dodatno ubrzavanje), neki proračuni mogu biti napravljen.
Ukratko, maksimalnom brzinom od 56.000 km / h, Duboki svemir 1 preuzeo bi 81.000 godina preći 4,24 svjetlosne godine između Zemlje i Proxime Centauri. Da biste to vremensko mjerenje pogledali u perspektivu, to bi bilo više od 2700 ljudskih generacija. Stoga je sigurno reći da bi misija međuplanetarnog ionskog motora bila prespora da bi se razmatrala za medvjezdanu misiju s posadom.
No, ako se ionski potisnici povećaju i snažniji (tj. Brzina ionskog ispuha trebala bi biti znatno veća) i dovoljno je pogonskog sredstva da se svemirski brod nastavi za čitavo putovanje u 4.243 svjetlosne godine, vrijeme putovanja moglo bi biti veliko smanjena. Ipak, nije dovoljno da se to dogodi u nečijem životnom vijeku.
Gravitna pomoćna metoda:
Najbrže postojeće sredstvo svemirskog putovanja poznata je pod nazivom Gravity Assist (Metoda gravitacije), koja uključuje svemirski brod koji se koristi relativnim kretanjem (tj. Orbitrom) i gravitacijom planeta za promjenu putanje i brzine. Gravitacijski asistenti vrlo su korisna tehnika svemirskog leta, posebno kada se koristi Zemlja ili neki drugi masivni planet (poput plinova giganta) za povećanje brzine.
Mariner 10 svemirska letjelica bila je prva koja je koristila ovu metodu, koristeći gravitacijsko povlačenje Venere kako bi je bacila u smjeru Merkura u veljači 1974. godine. Voyager 1 sonda je koristila Saturn i Jupiter za gravitacijske praćke za postizanje trenutne brzine od 60 000 km / h (38 000 milja / h) i ulazak u međuzvjezdani prostor.
Međutim, bio je to Helios 2 misija - pokrenuta je 1976. radi proučavanja međuplanetarnog medija od 0,3 AU do 1 AU prema Suncu - koja drži rekord po najvećoj brzini postignutoj uz pomoć gravitacije. U to vrijeme, Helios 1 (koja je pokrenuta 1974.) i Helios 2 držao rekord za najbliže približavanje Suncu. Helios 2 lansirano je konvencionalnim NASA-ovim Titan / Centaur lansirnim vozilom i smješteno u visoko eliptičnu orbitu.
Zbog velike ekscentričnosti (0,54) solarne orbite sondi (190 dana), pri periheliju, Helios 2 bio u mogućnosti postići maksimalnu brzinu od preko 240 000 km / h (150 000 milja / sat). Ovu se orbitalnu brzinu postiglo samo gravitacijskim povlačenjem Sunca. Tehnički gledano Helios 2 brzina perihela nije bila gravitaciona praćka, bila je maksimalna orbitalna brzina, ali i dalje drži rekord da je najbrži objekt koji je stvorio čovjek bez obzira.
Dakle, ako Voyager 1 putovao je u smjeru crvenog patuljka Proxime Centauri konstantnom brzinom od 60 000 km / h, trebalo bi 76 000 godina (ili preko 2500 generacija) da bi se ta udaljenost prošla. Ali ako bi mogao postići rekordnu brzinu od Helios 2Usko približavanje Sunca - stalna brzina od 240 000 km / h - trebalo bi 19.000 godina (ili preko 600 generacija) koji će putovati 4.243 svjetlosne godine. Znatno bolje, ali još uvijek ne u stvarnosti.
Elektromagnetski (EM) pogon:
Druga predložena metoda međuzvjezdanog putovanja dolazi u obliku rezonantnog šupljeg šupljeg zračenja (RF), često poznatog i kao EM pogon. Izvorno predložen Roger K. Shawyer iz Velike Britanije 2001. godine koji je pokrenuo Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) kako bi ga doveo do ploda, ovaj pogon izgrađen je oko ideje da elektromagnetske šupljine mikrovalne mogu omogućiti izravno pretvaranje električne energije u potisak ,
Dok su konvencionalni elektromagnetski potisnici dizajnirani da pokreću određenu vrstu mase (poput ioniziranih čestica), ovaj pogonski sustav oslanja se na reakcijsku masu i ne emitira usmjereno zračenje. Takav se prijedlog susreo s velikom sumnjom, ponajviše zato što krši zakon očuvanja momenta - koji kaže da unutar sustava količina zamaha ostaje konstantna i ne stvara se niti uništava, već se samo mijenja djelovanjem sile.
Međutim, nedavni eksperimenti s dizajnom očito su dali pozitivne rezultate. U srpnju 2014., na 50. zajedničkoj pogonskoj konferenciji AIAA / ASME / SAE / ASEE u Clevelandu, Ohio, istraživači iz NASA-inog naprednog pogonskog istraživanja tvrdili su da su uspješno testirali novi dizajn elektromagnetskog pogonskog pogona.
Potom je uslijedilo praćenje u travnju 2015., kada su istraživači NASA Eagleworks (dio Johnson Space Centra) tvrdili da su uspješno testirali pogon u vakuumu, što je pokazatelj da bi on zapravo mogao raditi u svemiru. U srpnju iste godine, istraživački tim s odjela svemirskog sustava Sveučilišta Tehnologije u Dresdenu sagradio je vlastitu verziju motora i primijetio potiskivani potisak.
I 2010. godine, profesor Juan Yang sa Sjeverozapadnog politehničkog sveučilišta u gradu Xian, u Kini, počeo je objavljivati niz radova o svojim istraživanjima EM EM tehnologije. To je kulminiralo radom iz 2012. gdje je prijavila veću ulaznu snagu (2.5kW) i testirala razinu potiska (720mN). U 2014. godini dodatno je izvijestila o opsežnim testovima koji su uključivali unutarnja mjerenja temperature s ugrađenim termoelementima, a koji su, čini se, potvrdili da sustav radi.
Prema proračunima na temelju NASA-inog prototipa (koji su dali procjenu snage od 0,4 N / kilovata), svemirska letjelica opremljena EM pogonom mogla bi putovati u Pluton za manje od 18 mjeseci. To je bila šesti put kada je trebala stići sonda New Horizons, koja je putovala brzinom od blizu 58.000 km / h (36.000 mph).
Zvuči impresivno. Ali čak i tom brzinom, prošao bi brod opremljen EM motorima 13.000 godina da se plovilo prebaci u Proxima Centauri. Približavamo se, ali ne dovoljno brzo! i sve dok se ta tehnologija ne može konačno dokazati da djeluje, nema smisla stavljati naša jaja u ovu košaru.
Nuklearni toplinski / nuklearni električni pogon (NTP / NEP):
Druga mogućnost za međuzvjezdani svemirski let je korištenje svemirske letjelice opremljene nuklearnim motorima, koncept koji NASA istražuje desetljećima. U raketi nuklearnog toplinskog pogona (NTP), reakcije urana ili deuterija koriste se za zagrijavanje tekućeg vodika unutar reaktora, pretvarajući ga u ionizirani vodikov plin (plazmu), koji se zatim usmjerava kroz mlaznicu rakete kako bi se stvorio potisak.
Raketa nuklearni električni pogon (NEP) uključuje isti osnovni reaktor koji svoju toplinu i energiju pretvara u električnu energiju, koja bi potom napajala električni motor. U oba slučaja, raketa bi se oslanjala na nuklearnu fisiju ili fuziju za proizvodnju pogonskih, a ne kemijskih pogonskih sredstava, što je do danas bio oslonac NASA-e i svih ostalih svemirskih agencija.
U usporedbi s kemijskim pogonom, i NTP i NEC nude niz prednosti. Prva i najočitija je gotovo neograničena gustoća energije koju nudi u usporedbi s raketnim gorivom. Uz to, motor s nuklearnim pogonom također može osigurati vrhunski potisak u odnosu na količinu pogonskog goriva. Time bi se smanjila ukupna količina potrebnog pogonskog goriva, čime bi se smanjila težina lansiranja i troškovi pojedinih zadataka.
Iako niti jedan nuklearno-toplinski motor nikada nije doletio, u posljednjih nekoliko desetljeća izgrađeno je i testirano nekoliko dizajnerskih koncepcija, a predloženi su brojni koncepti. One se kreću u rasponu od tradicionalnog krutog dizajna - poput nuklearnog motora za primjenu raketnih vozila (NERVA) - do naprednijih i učinkovitijih koncepata koji se oslanjaju ili na tekuću ili na plinsku jezgru.
Međutim, unatoč ovim prednostima u ekonomičnosti goriva i specifičnom impulsu, najsofisticiraniji NTP koncept ima maksimalni specifični impuls od 5000 sekundi (50 kN · s / kg). Koristeći nuklearne motore pokrenute fisijom ili fuzijom, NASA-ini znanstvenici procjenjuju da će biti potreban svemirski brod samo 90 dana da bi stigli na Mars kada je planet bio u "opoziciji" - tj. Oko 55.000.000 km od Zemlje.
Ali prilagođena jednosmjernom putovanju do Proxime Centauri, nuklearnoj raketi bi ipak trebalo stoljeća da ubrza do točke u kojoj je letio djelić brzine svjetlosti. Tada će joj trebati nekoliko desetljeća vremena putovanja, a slijedi još mnogo stoljeća usporavanja prije nego što stigne na svoje odredište. Sve rečeno, još uvijek pričamo 1000 godina prije nego što stigne do svog odredišta. Dobro za međuplanetarne misije, nije baš dobro za međuzvjezdane.
Teorijske metode:
Korištenjem postojeće tehnologije vrijeme koje bi bilo potrebno za slanje znanstvenika i astronauta u međuzvjezdanu misiju bilo bi neizmjerno sporo. Ako to putovanje želimo postići unutar jednog životnog vijeka, ili čak generacije, trebat će nam nešto radikalnije (aka. Visoko teoretski). I dok su crvotočne rupe i motori za skokove u ovom trenutku i dalje čista fikcija, postoje neke prilično napredne ideje koje su razmatrane tijekom godina.
Nuklearni impulsni pogon:
Pogon nuklearnog impulsa teoretski je mogući oblik brzog putovanja u svemir. Koncept je prvotno predložio 1946. Stanislaw Ulam, poljsko-američki matematičar koji je sudjelovao u Manhattanskom projektu, a preliminarne proračune su F. Reines i Ulam tada napravili 1947. Stvarni projekt - poznat kao Project Orion - pokrenut je u 1958. i trajao je do 1963. godine.
Predvođeni Tedom Taylorom iz General Atomics-a i fizičarom Freemanom Dysonom iz Instituta za napredni studij u Princetonu, Orion se nadao da će iskoristiti snagu pulsnih nuklearnih eksplozija kako bi osigurao ogroman potisak s vrlo visokim specifičnim impulsom (tj. Količinom potiska u odnosu na težinu ili količina sekunde koju raketa može kontinuirano ispaljivati).
Ukratko, Orion dizajn uključuje veliku svemirsku letjelicu s velikom opskrbom termonuklearnih bojevih glava koje postižu pogon puštanjem bombe iza nje, a zatim vožnjom detonacijskog vala uz pomoć stražnje postavljenog jastučića koji se naziva "gurač". Nakon svake eksplozije, eksplozivna sila apsorbirala bi se pomoću ovog potisnog jastuka, koji potom potisak pretvara u zamah.
Iako je po modernim standardima teško elegantna, prednost dizajna je u tome što postiže visoki specifični impuls - što znači da izvlači maksimalnu količinu energije iz svog izvora goriva (u ovom slučaju nuklearne bombe) uz minimalne troškove. Osim toga, koncept bi teoretski mogao postići vrlo velike brzine, a neke procjene sugeriraju da je vrijednost loptice veća od 5% od brzine svjetlosti (ili 5,4 × 107 km / h).
Ali naravno, tu su i neizbježni nedostaci dizajna. Za jedan, brod ove veličine bio bi nevjerojatno skup. Prema procjenama koje je proizveo Dyson 1968., svemirska letjelica Orion koja je koristila vodikove bombe za proizvodnju pogona bila bi težina od 400 000 do 4 000 000 tona. I najmanje tri četvrtine te težine sastoji se od nuklearnih bombi, gdje svaka bojna glava teži otprilike 1 metričku tonu.
Sve u svemu, Dysonove najkonzervativnije procjene svrstale su ukupne troškove izgradnje Orionove letjelice na 367 milijardi dolara. Prilagođeno inflaciji, to iznosi otprilike 2,5 trilijuna dolara - što čini preko dvije trećine trenutnog godišnjeg prihoda američke vlade. Stoga bi i najmanji lak proizvod bio skupo za izradu.
Tu je i mali problem svih zračenja koje stvara, a da ne spominjemo nuklearni otpad. U stvari, zato se vjeruje da je projekt obustavljen zbog donošenja Ugovora o djelomičnoj zabrani iz 1963. kojim se nastojalo ograničiti nuklearno testiranje i zaustaviti prekomjerno ispuštanje nuklearnog ispada u atmosferu planete.
Fusion rakete:
Druga mogućnost unutar kraljevstva iskorištene nuklearne energije uključuje rakete koje se oslanjaju na termonuklearne reakcije za stvaranje potiska. Za ovaj koncept energija se stvara kada se pelete smjese deuterij / helij-3 zapale u reakcijskoj komori inercijalnim zatvaranjem pomoću elektronskih zraka (slično onome što se radi u Nacionalnom pogonu za paljenje u Kaliforniji). Ovaj fuzijski reaktor detonirao bi 250 peleta u sekundi kako bi stvorio visokoenergetsku plazmu, koja bi zatim bila usmjerena magnetskom mlaznicom za stvaranje potiska.
Poput rakete koja se oslanja na nuklearni reaktor, ovaj koncept nudi prednosti što se tiče potrošnje goriva i specifičnog impulsa. Procjenjuje se brzina ispušnih plinova do 10.600 km / s, što je daleko više od brzine konvencionalnih raketa. Nadalje, tehnologija se intenzivno proučavala u posljednjih nekoliko desetljeća, a mnogi su prijedlozi podneseni.
Na primjer, između 1973. i 1978., Britansko interplanetarno društvo provelo je studiju izvodljivosti poznatu kao Projekt Daedalus. Oslanjajući se na trenutna znanja o tehnologiji fuzije i postojećim metodama, studija je zahtijevala stvaranje dvostepene bespilotne znanstvene sonde koja će putovati do Barnardove zvijezde (5,9 svjetlosnih godina od Zemlje) u jednom životnom vijeku.
Prva faza, veća od dvije, djelovala bi 2,05 godina i ubrzala svemirsku letjelicu do 7,1% brzine svjetlosti (o.071 c). Tada bi se ta faza ugasila, druga faza bi zapalila svoj motor i ubrzala svemirsku letjelicu do oko 12% brzine svjetlosti (0,12 c) tijekom 1,8 godina. Motor u drugoj fazi bi se tada ugasio i brod bi ušao u razdoblje krstarenja u trajanju od 46 godina.
Prema procjenama Projekta, trebalo bi 50 godina da dosegnu Barnardovu zvijezdu. Podesivo za Proxima Centauri, isti bi brod mogao putovati 36 godina, Ali, naravno, projekt je identificirao i brojne spoticanje zbog kojih je bilo nemoguće koristiti tada postojeću tehnologiju - od kojih je većina još uvijek neriješena.
Na primjer, postoji činjenica da je helij-3 na Zemlji oskudan, što znači da bi ga trebalo iskopati drugdje (najvjerojatnije na Mjesecu). Drugo, reakcija koja pokreće svemirski brod zahtijeva da oslobođena energija znatno nadmašuje energiju koja se koristi za pokretanje reakcije. I dok su eksperimenti ovdje na Zemlji nadmašili „cilj postizanja ravnoteže“, još smo daleko od vrste energije potrebne za napajanje međuzvezdanog svemirskog broda.
Treće, faktor troškova za izgradnju takvog je broda. Čak i prema skromnim standardima bespilotnih plovila Project Daedalusa, potpuno puni brod težio bi čak 60 000 Mt. Da se to perspektivno smatra, bruto težina NASA-inog SLS-a iznosi nešto više od 30 Mt, a jedno lansiranje dolazi s cijenom od 5 milijardi USD (na temelju procjena izrađenih u 2013.).
Ukratko, fuzijska raketa ne bi bila skupa samo skupa za izgradnju; Također bi bila potrebna razina tehnologije fuzijskog reaktora koja je trenutno iznad naših mogućnosti. Icarus Interstellar, međunarodna organizacija znanstvenika za građanske volontere (od kojih su neki radili za NASA ili ESA), pokušala je revitalizirati koncept projektom Icarus. Osnovana 2009. godine, grupa se nada da će bliskom budućnosti učiniti pogonom fuzije (između ostalog) izvedivim.
Fusion Ramjet:
Poznat i kao Bussard Ramjet, ovaj teorijski oblik pogona prvi je predložio fizičar Robert W. Bussard 1960. godine. U osnovi, riječ je o poboljšanju u odnosu na standardnu raketu nuklearne fuzije, koja koristi magnetska polja za komprimiranje vodikovog goriva do točke koja fuzija javlja. Ali u Ramjettovom slučaju, ogroman elektromagnetski lijevak "hvata" vodik iz međuzvjezdanog medija i ubacuje ga u reaktor kao gorivo.
Kako brod ubrzava, reaktivna masa se sili u progresivno suženo magnetsko polje, komprimirajući ga dok se ne dogodi termonuklearna fuzija. Magnetsko polje zatim usmjerava energiju kao raketni ispuh kroz mlaznicu motora, ubrzavajući tako plovilo. Bez ikakvih spremnika goriva koji bi ih težio, fuzijski ramjet mogao bi postići brzinu koja se približava 4% brzine svjetlosti i putovati bilo gdje u galaksiji.
Međutim, potencijalni nedostaci ovog dizajna su brojni. Na primjer, postoji problem povlačenja. Brod se oslanja na povećanu brzinu nakupljanja goriva, ali dok se sudara s više i više međuzvjezdanih vodika, također može izgubiti brzinu - posebno u gušćim predjelima galaksije. Drugo, deuterij i tritij (koji se u Zemlji koriste u fuzionim reaktorima) su rijetki u svemiru, dok je fuzija redovnog vodika (kojeg ima u izobilju) izvan naših trenutnih metoda.
Ovaj je pojam opsežno populariziran u znanstvenoj fantastici. Možda je najpoznatiji primjer to u franšizi od Zvjezdane staze, gdje su "Bussard collectors" užarene nacelles na osnovama motora. Ali u stvarnosti, naše znanje o fuzijskim reakcijama mora znatno napredovati prije nego što je ramjet moguć. Morali bismo također otkriti onaj dosadan problem s vučom prije nego što smo počeli razmatrati izgradnju takvog broda!
Lasersko jedro:
Solarna jedra dugo su se smatrala isplativim načinom istraživanja Sunčevog sustava. Osim što je relativno jednostavno i jeftino za proizvodnju, tu je i dodatni bonus solarnih jedara koji ne zahtijevaju gorivo. Umjesto da koristi rakete kojima je potrebno pogonsko gorivo, jedro koristi pritisak zračenja od zvijezda kako bi gurnuo velika ultra tanka ogledala do velikih brzina.
Međutim, za potrebe međuzvezdanog leta, takvo bi jedro trebalo pokretati fokusiranim energetskim snopovima (tj. Laserima ili mikrovalnim pećnicama) da bi ga gurnuli do brzine koja se približava brzini svjetlosti. Koncept je prvotno predložio Robert Forward 1984. godine, koji je u to vrijeme bio fizičar u istraživačkim laboratorijama Hughes Aircraft-a.
Koncept zadržava prednosti solarnog jedra u tome što ne zahtijeva gorivo na brodu, ali i činjenicu da se energija lasera ne rasipa s razmakom gotovo koliko i solarno zračenje. Iako bi jedra koja pokreće laser trebalo neko vrijeme da ubrza do skoro blistave brzine, bila bi ograničena samo na brzinu svjetlosti.
Prema studiji iz 2000. godine koju je napravio Robert Frisbee, direktor naprednih studija koncepta pogona u NASA-inoj laboratoriji za mlazni pogon, lasersko je jedro moglo ubrzati do pola brzine svjetlosti za manje od desetljeća. Također je izračunao da bi jedro promjera oko 320 km moglo doseći Proxima Centauri u nešto više 12 godina, U međuvremenu, jedro promjera oko 965 km stiglo bi ispod 9 godina.
Međutim, takvo bi jedro trebalo biti izgrađeno od naprednih kompozita da se ne bi topilo. U kombinaciji s njegovom veličinom, to bi dodalo prilično lijepu cijenu! Još je lošiji trošak koji je napravljen od izgradnje lasera dovoljno velikog i snažnog da vozi jedro do polovice brzine svjetlosti. Prema vlastitoj studiji Frisbee, laserima će biti potreban stalni protok snage od 17 000 teravata - gotovo onome što cijeli svijet troši u jednom danu.
Motor protiv antimaterije:
Ljubitelji znanstvene fantastike sigurno su čuli za antimateriju. Ali u slučaju da niste, antimaterija je u osnovi materijal sastavljen od antičestica, koje imaju istu masu, ali su suprotnih naboja kao i obične čestice. U međuvremenu, antimaterijski motor je oblik pokreta koji koristi interakcije između materije i antimaterije za stvaranje energije ili stvaranje potiska.
Ukratko, motor protiv antimaterije uključuje čestice vodika i antihidrogena koje se međusobno raspadaju. Ova reakcija oslobađa onoliko energije koliko i termonuklearna bomba, zajedno s tušem subatomskih čestica zvanih pioni i muoni. Te čestice, koje bi putovale trećinom svjetlosne brzine, zatim se magnetskom mlaznicom usmjeravaju kako bi se stvorio potisak.
Prednost ove klase raketa je u tome što se veliki udio preostale mase smjese tvari / antimaterije može pretvoriti u energiju, omogućujući raketama protiv antimaterija daleko veću energetsku gustoću i specifični impuls od bilo koje druge predložene klase raketa. Uz to, kontrola takve reakcije mogla bi zamisliti gurnuti raketu do pola brzine svjetlosti.
Ova funta broda bila bi najbrža i najisplativija ikad zamisljena. Dok konvencionalne rakete zahtijevaju tonove kemijskog goriva za pogon svemirskog broda do svog odredišta, motor protiv antimaterije mogao bi napraviti isti posao sa samo nekoliko miligrama goriva. U stvari, međusobno uništavanje pola kilograma vodika i antihidrogenih čestica otpustilo bi više energije nego 10-megaton vodikova bomba.
Upravo iz tog razloga NASA Institut za napredne koncepte (NIAC) istražio je tehnologiju kao moguće sredstvo za buduće misije na Marsu. Nažalost, kada se razmišlja o misijama u obližnje zvijezdene sustave, količina goriva koja je potrebna za putovanje povećava se eksponencijalno, a troškovi koji bi sudjelovali u njenom stvaranju bili bi astronomski (bez kazna!).
Prema izvještaju pripremljenom za 39. zajedničku pogonsku konferenciju i izložbu AIAA / ASME / SAE / ASEE (također Robert Frisbee), dvostepenoj raketi protiv antimaterije trebalo bi više od 815 000 metričkih tona (900 000 američkih tona) goriva za putovanje do Proxime Centauri za otprilike 40 godina. To nije loše, što se više vremena tiče. Ali opet, trošak…
Dok bi jedan gram antimaterije proizveo nevjerojatnu količinu energije, procjenjuje se da bi za proizvodnju samo jednog grama bilo potrebno oko 25 milijuna milijardi kilovat-sati energije i košta više od trilijuna dolara. Trenutno je ukupna količina antimaterije koju su stvorili ljudi manja od 20 nanograma.
Čak i ako bismo mogli proizvesti antimateriju pojeftini, potreban bi vam bio masivan brod za držanje potrebne količine goriva. Prema izvještaju dr. Darrela Smitha i Jonathana Webbyja sa Sveučilišta Embry-Riddle Aeronautical University u Arizoni, međuzvjezdani brod opremljen antimaterijskim motorom mogao bi doseći brzinu svjetlosti od 0,5 i dostići Proxima Centauri za malo više 8 godina, Međutim, sam brod težio bi 400 metričkih tona (441 američka tona) i za putovanje bi mu trebalo 170 metričkih tona (187 američkih tona) antimaterijskog goriva.
Mogući način je da se napravi plovilo koje može stvoriti antimateriju, a koje bi tada moglo spremiti kao gorivo. Ovaj koncept, poznat kao sustav vakuuma i antimaterijskih raketa međuokoljenika (VARIES), predložio je Richard Obousy iz tvrtke Icarus Interstellar. Na temelju ideje dolijevanja goriva na mjestu, brod VARIES oslanjao bi se na velike lasere (koje pokreću ogromni solarni nizi) koji bi stvorili čestice antimaterije u slučaju pražnjenja u prazan prostor.
Slično poput koncepta Ramjet, ovaj prijedlog rješava problem prenošenja goriva vađenjem iz prostora. Ali još jednom, strogi troškovi takvog broda bili bi nevjerojatno skupi koristeći trenutnu tehnologiju. Uz to, sposobnost stvaranja antimaterije u velikim količinama nije nešto što trenutno imamo moć. Tu je i stvar zračenja, jer uništavanje materije može izazvati eksploziju visokoenergetskih gama zraka.
To ne samo da predstavlja opasnost za posadu, što zahtijeva značajnu zaštitu od zračenja, već zahtijeva i da se motori zaštite, kako bi se osiguralo da oni ne pretrpe atomsku degradaciju od svih radijacija kojima su izloženi. Dakle, dno crta, antimaterijski motor potpuno je nepraktičan s našom trenutnom tehnologijom i trenutnim proračunskim okruženjem.
Alcubierre Warp pogon:
Ljubitelji znanstvene fantastike također nesumnjivo poznaju koncept Alcubierre (ili "Warp") pogona. Predložio meksički fizičar Miguel Alcubierre 1994. godine, ova predložena metoda bila je pokušaj omogućavanja FTL putovanja bez kršenja Einsteinove teorije posebne relativnosti. Ukratko, koncept uključuje rastezanje tkanine prostora-vremena u valu, što bi teoretski moglo prouzrokovati da se prostor ispred objekta sažme i da se prostor iza njega proširi.
Objekt unutar tog vala (tj. Svemirski brod) mogao bi tada voziti taj val, poznat kao "warp bubble", izvan relativističkih brzina. Budući da se brod ne kreće unutar ovog mjehurića, već se nosi dok se kreće, pravila prostora i vremena i relativnosti prestale bi se primjenjivati. Zbog toga se ova metoda ne oslanja na brže kretanje od svjetlosti u lokalnom smislu.
To je samo „brže od svjetlosti“ u smislu da je brod mogao stići na svoje odredište brže od snopa svjetlosti koji je putovao izvan warp mjehurića. Dakle, pod pretpostavkom da bi svemirski brod mogao biti opremljen sustavom Alcubierre Drive, to bi moglo putovati u Proxima Centauri u manje od 4 godine, Kad je riječ o teoretskom međuzvezdnom putovanju u svemir, ovo je daleko najperspektivnija tehnologija, barem što se tiče brzine.
Naravno, koncept je tijekom godina dobio svoj udio protuargumenta. Glavno među njima je činjenica da ona ne uzima u obzir kvantnu mehaniku i da bi je teorija svega mogla poništiti (poput kvantne gravitacije petlje). Proračuni količine potrebne energije također su pokazali da bi za rad osnove potreban preveliki iznos snage za rad. Ostale nesigurnosti uključuju sigurnost takvog sustava, učinke na prostor-vrijeme na odredištu i povrede kauzaliteta.
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!
