Mēs visi savā dzīves laikā esam uzdevuši šo jautājumu: Cik ilgs laiks būtu nepieciešams, lai ceļotu uz zvaigznēm? Vai tas varētu būt cilvēka dzīves laikā, un vai šāda veida ceļojumi kādreiz varētu kļūt par normu? Uz šo jautājumu ir daudzas iespējamās atbildes - dažas ļoti vienkāršas, citas - zinātniskās fantastikas jomā. Bet nākt klajā ar visaptverošu atbildi nozīmē daudz ko ņemt vērā.
Diemžēl jebkurš reālistisks vērtējums, iespējams, radīs atbildes, kas pilnībā atturētu futūristus un starpzvaigžņu ceļojuma entuziastus. Patīk vai nē, kosmoss ir ļoti liels, un mūsu tehnoloģijas joprojām ir ļoti ierobežotas. Bet, ja mēs kādreiz domājam “atstāt ligzdu”, mums būs vairākas iespējas nokļūt tuvākajā Saules sistēmā mūsu galaktikā.
Tuvākā Zemei zvaigzne ir mūsu Saule, kas ir diezgan “vidēja” zvaigzne Hertzsprungā - Rasela diagrammas “Galvenā secība”. Tas nozīmē, ka tā ir ļoti stabila, nodrošinot Zemei tikai ar piemērota veida saules gaismu, lai dzīvība varētu attīstīties uz mūsu planētas. Mēs zinām, ka netālu no mūsu Saules sistēmas ir planētas, kas riņķo apkārt citām zvaigznēm, un daudzas no šīm zvaigznēm ir līdzīgas mūsu pašu.
Nākotnē, ja cilvēce vēlēsies pamest Saules sistēmu, mums būs milzīga zvaigžņu izvēle, uz kuru mēs varētu ceļot, un daudziem varētu būt piemēroti apstākļi, lai dzīve varētu plaukst. Bet kur mēs dotos un cik ilgs laiks būtu vajadzīgs, lai tur nokļūtu? Tikai atceraties, ka tas viss ir spekulatīvs, un starpzvaigžņu braucieniem pašlaik nav etalona. To sakot, mēs ejam!
Tuvākā zvaigzne:
Kā jau tika atzīmēts, mūsu Saules sistēmai vistuvākā zvaigzne ir Proxima Centauri, tāpēc ir vissaprātīgāk vispirms iezīmēt starpzvaigžņu misiju šai sistēmai. Kā daļa no trīs zvaigžņu sistēmas, ko sauc par Alpha Centauri, Proxima atrodas apmēram 4,24 gaismas gadus (vai 1,3 parses) no Zemes. Alfa Kentaurs faktiski ir spožākā zvaigzne no trim sistēmā - daļa no cieši riņķojošā binārā 4,37 gaismas gadu attālumā no Zemes - turpretī Proxima Centauri (mazākais no trim) ir izolēts sarkanais punduris, kas atrodas apmēram 0,13 gaismas gadu attālumā no binārā. .
Un, lai gan starpzvaigžņu ceļojumi uzbur visu veidu Faster-Than-Light (FTL) ceļojumu redzējumus, sākot no šķēru ātruma un tārpu caurumiem līdz lēcieniem, šādas teorijas ir vai nu ļoti spekulatīvas (piemēram, Alcubierre Drive), vai arī pilnībā zinātnes province. daiļliteratūra. Visticamāk, ka jebkurai dziļas kosmosa misijai tur nokļūt vajadzēs paaudzēm, nevis dažām dienām vai vienā mirklī.
Tātad, sākot ar vienu no lēnākajiem kosmosa ceļojuma veidiem, cik ilgs laiks būs nepieciešams, lai nokļūtu Proxima Centauri?
Pašreizējās metodes:
Jautājums par to, cik ilgs laiks būtu vajadzīgs, lai kaut kur nokļūtu kosmosā, ir nedaudz vienkāršāks, strādājot ar esošajām tehnoloģijām un ķermeņiem mūsu Saules sistēmā. Piemēram, izmantojot tehnoloģiju, kas darbināja New Horizons misiju - kas sastāvēja no 16 virzuļiem, kas darbināmi ar hidrazīna monopropelentu - nokļūšana Mēness sasniegtu tikai 8 stundas un 35 minūtes.
No otras puses, ir Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) SMART-1 misija, kas savu laiku devās ceļojumā uz Mēnesi, izmantojot jonu vilces metodi. Izmantojot šo revolucionāro tehnoloģiju, kuras variantu kosmosa kuģis Dawn izmantoja, lai sasniegtu Vesta, SMART-1 misijai bija nepieciešams gads, viens mēnesis un divas nedēļas, lai sasniegtu Mēnesi.
Tātad, sākot ar ātru kosmosa kuģi, kas darbināms ar raķetēm, un beidzot ar ekonomisku jonu piedziņu, mums ir dažas iespējas, kā pārvietoties pa vietējo kosmosu - turklāt mēs varētu izmantot Jupiteru vai Saturnu dūšīgam gravitācijas pavērsienam. Tomēr, ja mēs apsvērtu misijas kaut kur mazliet tālāk, mums būtu jāpastiprina sava tehnoloģija un jāskatās uz to, kas patiešām ir iespējams.
Kad mēs sakām iespējamās metodes, mēs runājam par tām, kas saistītas ar esošajām tehnoloģijām, vai tām, kuras vēl nepastāv, bet ir tehniski realizējamas. Daži, kā jūs redzēsit, ir cienīti un pārbaudīti laikā, bet citi parādās vai joprojām atrodas valdē. Tomēr gandrīz visos gadījumos tie piedāvā iespējamu (bet ļoti laikietilpīgu vai dārgu) scenāriju, lai sasniegtu pat tuvākās zvaigznes ...
Jonu piedziņa:
Pašlaik lēnākā piedziņas forma un visefektīvākā degviela ir jonu motors. Pirms dažām desmitgadēm jonu piedziņa tika uzskatīta par zinātniskās fantastikas priekšmetu. Tomēr pēdējos gados jonu dzinēju atbalsta tehnoloģija lielā mērā ir pārgājusi no teorijas uz praksi. Piemēram, ESA misija SMART-1 veiksmīgi pabeidza savu misiju uz Mēnesi pēc 13 mēnešu spirālveida ceļa no Zemes.
SMART-1 izmantoja ar saules enerģiju darbināmus jonu virzuļus, kur no saviem saules paneļiem tika iegūta elektriskā enerģija un tie tika izmantoti Halles efekta virzuļu darbināšanai. SMART-1 dzenošanai uz Mēness tika izmantoti tikai 82 kg ksenona propelenta. 1 kg ksenona propelenta deltas-v bija 45 m / s. Tas ir ļoti efektīvs piedziņas veids, taču tas nekādā gadījumā nav ātrs.
Viena no pirmajām jonu piedziņas tehnoloģijas izmantošanas misijām bija 1. dziļa telpa misija uz komētu Borrelly, kas notika 1998. gadā. DS1 arī izmantoja jonu piedziņu ar ksenonu, patērējot 81,5 kg propelenta. Vairāk nekā 20 mēnešus ilgas vilces laikā DS1 komētas lidojuma laikā izdevās sasniegt ātrumu 56 000 km / h (35 000 jūdzes / h).
Tāpēc jonu virzuļi ir ekonomiskāki nekā raķešu tehnoloģija, jo propelenta vilces spēks uz masas vienību (specifiskais impulss) ir daudz lielāks. Bet jonu virzuļiem jāpaiet ilgs laiks, lai kosmosa kuģis paātrinātu jebkuru lielu ātrumu, un maksimālais ātrums, ko tas var sasniegt, ir atkarīgs no tā degvielas padeves un no tā, cik lielu elektrisko enerģiju tas var radīt.
Tātad, ja misija uz Proxima Centauri tiktu izmantota jonu vilce, dzinējiem būtu nepieciešams milzīgs enerģijas ražošanas avots (t.i., kodolenerģija) un liels daudzums propelenta (lai arī tas joprojām ir mazāks par parastajām raķetēm). Bet, pamatojoties uz pieņēmumu, ka 81,5 kg ksenona propelenta padeve pārvēršas par maksimālo ātrumu 56 000 km / h (un ka nav pieejami citi dzinējspēka veidi, piemēram, gravitācijas siksna, lai to vēl vairāk paātrinātu), daži aprēķini var jātaisa.
Īsāk sakot, ar maksimālo ātrumu 56 000 km / h 1. dziļa telpa pārņemtu 81 000 gadu šķērsot 4,24 gaismas gadus starp Zemi un Kentauri Proxima. Skatot šo laika skalu perspektīvā, tas būtu vairāk nekā 2700 cilvēku paaudzes. Tāpēc var droši apgalvot, ka starpplanētu jonu motora misija būtu pārāk lēna, lai to apsvērtu par cilvēku vadītu starpzvaigžņu misiju.
Bet, ja jonu virzuļi būtu lielāki un jaudīgāki (ti, jonu izplūdes ātrumam būtu jābūt ievērojami lielākam), un būtu iespējams vilkt pietiekami daudz propelenta, lai kosmosa kuģis turpinātu braukt visu 4,443 gaismas gada braucienu, ceļojuma laiks varētu būt ļoti liels samazināts. Tomēr tas joprojām nav pietiekami, lai notiktu kāda cilvēka dzīves laikā.
Gravitācijas palīgmetode:
Ātrākie esošie kosmosa ceļošanas līdzekļi ir zināmi kā Gravity Assist metode, kurā kosmosa kuģis izmanto relatīvo kustību (t.i., orbītu), un planētas gravitācijas mainīšana ir ceļš un ātrums. Gravitācijas palīglīdzekļi ir ļoti noderīga kosmosa lidojuma tehnika, īpaši, ja ātruma palielināšanai izmanto Zemi vai citu masīvu planētu (piemēram, gāzes gigantu).
Jūrnieks 10 kosmosa kuģis bija pirmais, kurš izmantoja šo metodi, izmantojot Venēras gravitācijas vilkmi, lai pavērstu to virzienā uz Merkura pusi 1974. gada februārī. Voyager 1 zonde izmantoja Saturnu un Jupiteru gravitācijas pavērsieniem, lai sasniegtu tā pašreizējo ātrumu 60 000 km / h (38 000 jūdzes / h) un padarītu to starpzvaigžņu telpā.
Tomēr tā bija Helios 2 misija - kas tika uzsākta 1976. gadā, lai izpētītu starpplanētu vidi no 0,3 AU līdz 1 AU uz Sauli - kas ir rekords ar lielāko ātrumu, kas sasniegts ar gravitācijas palīglīdzekli. Tajā laikā Helios 1 (kuru uzsāka 1974. gadā) un Helios 2 notika tuvākās Saules tuvošanās rekords. Helios 2 tika palaists ar parasto NASA Titan / Centaur nesējraķeti un novietots ļoti elipsveida orbītā.
Sakarā ar zondes lielo ekscentriskumu (0,54) saules orbītā (190 dienas) perifērijā, Helios 2 spēja sasniegt maksimālo ātrumu virs 240 000 km / h (150 000 jūdzes / h). Šis orbītas ātrums tika sasniegts tikai ar Saules gravitācijas vilkmi. Tehniski Helios 2 periheliona ātrums nebija gravitācijas pavērsiens, tas bija maksimālais orbītas ātrums, taču tas joprojām saglabā rekordu par ātrāko cilvēka radīto objektu neatkarīgi no tā.
Tātad ja Voyager 1 braucot sarkanā pundura Proxima Centauri virzienā ar nemainīgu ātrumu 60 000 km / h, šī attāluma nobraukšanai būtu nepieciešami 76 000 gadu (vai vairāk nekā 2500 paaudzes). Bet, ja tas spētu sasniegt rekordlielu ātrumu Helios 2Tuvojas Saules tuvošanās - pastāvīgs ātrums 240 000 km / h - tas prasītu 19 000 gadu (vai vairāk nekā 600 paaudzes), lai ceļotu 4,243 gaismas gadus. Būtiski labāk, bet tomēr tā nav praktiskuma jomā.
Elektromagnētiskā (EM) piedziņa:
Vēl viena ierosinātā starpzvaigžņu pārvietošanās metode nāk ar radio frekvences (RF) rezonanses dobuma dzinekli, kas pazīstams arī kā EM piedziņa. Sākotnēji 2001. gadā to ierosināja Apvienotās Karalistes zinātnieks Rodžers K. Šaivers, kurš uzsāka Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), lai to realizētu, un šī piedziņa ir balstīta uz ideju, ka elektromagnētiskie mikroviļņu dobumi var ļaut tiešu elektriskās enerģijas pārvēršanu vilces spēks .
Tā kā parastie elektromagnētiskie virzītāji ir paredzēti noteikta veida masu (piemēram, jonizētu daļiņu) piedziņai, šī konkrētā piedziņas sistēma nav atkarīga no reakcijas masas un neizstaro virziena starojumu. Šāds priekšlikums ir ticis uztverts ar lielu skepsi, galvenokārt tāpēc, ka ar to tiek pārkāpti impulsu saglabāšanas likumi - kas nosaka, ka sistēmā impulsa daudzums paliek nemainīgs un netiek ne radīts, ne iznīcināts, bet mainās tikai ar spēki.
Tomēr nesenie eksperimenti ar dizainu acīmredzami ir devuši pozitīvus rezultātus. 2014. gada jūlijā 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE kopīgajā vilces konferencē Klīvlendā, Ohaio, NASA progresīvo dzinējspēka pētījumu pētnieki apgalvoja, ka viņi ir veiksmīgi pārbaudījuši jaunu elektromagnētiskās piedziņas piedziņas modeli.
Tam sekoja 2015. gada aprīlis, kad NASA Eagleworks (Džonsona kosmosa centra daļa) pētnieki apgalvoja, ka viņi ir veiksmīgi pārbaudījuši piedziņu vakuumā, kas norāda, ka tas varētu reāli darboties kosmosā. Tā paša gada jūlijā Drēzdenes Tehnoloģiju universitātes Kosmosa sistēmas nodaļas pētnieku grupa izveidoja savu dzinēja versiju un novēroja nosakāmu vilci.
Un 2010. gadā prof. Huans Jangs no Siaņas (Ķīna) Siaņas ziemeļrietumu politehniskās universitātes sāka publicēt rakstu sēriju par viņas pētījumu par EM Drive tehnoloģiju. Tās kulminācija bija viņas 2012. gada darbs, kurā viņa ziņoja par lielāku ieejas jaudu (2,5 kW) un pārbaudīja vilces (720 mN) līmeni. 2014. gadā viņa arī ziņoja par apjomīgiem testiem, kas ietvēra iekšējās temperatūras mērījumus ar iegultiem termopāriem, kas, šķiet, apstiprināja, ka sistēma darbojas.
Saskaņā ar aprēķiniem, kas balstīti uz NASA prototipu (kura jauda bija aptuveni 0,4 N / kilovats), kosmosa kuģis, kas aprīkots ar EM piedziņu, varēja veikt ceļojumu uz Plutonu mazāk nekā 18 mēnešos. Tā ir sestā daļa laika, kas vajadzīgs, lai nokļūtu zonde New Horizons, kas brauca ar ātrumu tuvu 58 000 km / h (36 000 mph).
Izklausās iespaidīgi. Bet pat tādā ātrumā būtu vajadzīgs kuģis, kas aprīkots ar EM motoriem 13 000 gadu lai kuģis nogādātu to Proxima Centauri. Pieejam tuvāk, bet ne pietiekami ātri! un kamēr nav iespējams pārliecinoši pierādīt, ka tehnoloģija darbojas, nav jēgas mūsu olas ievietot šajā grozā.
Kodoltermiskā / kodolieroču piedziņa (NTP / NEP):
Vēl viena starpzvaigžņu kosmosa lidojuma iespēja ir izmantot kosmosa kuģus, kas aprīkoti ar kodoldzinējiem, koncepciju, kuru NASA ir izpētījusi gadu desmitiem ilgi. Kodoltermiskās piedziņas (NTP) raķetē urāna vai deitērija reakcijas izmanto, lai sildītu šķidro ūdeņradi reaktora iekšpusē, pārvēršot to jonizētā ūdeņraža gāzē (plazmā), kas pēc tam tiek novirzīta caur raķetes sprauslu, lai radītu vilci.
Kodola elektriskās piedziņas (NEP) raķetē ir iesaistīts tas pats pamata reaktors, pārveidojot tā siltumu un enerģiju elektriskajā enerģijā, kas pēc tam darbinātu elektromotoru. Abos gadījumos raķete paļaujas uz kodolskaldīšanu vai saplūšanu, lai ģenerētu vilci, nevis ķīmiskus propelentus, kas līdz šim ir bijis NASA un visu citu kosmosa aģentūru darbības pamatā.
Salīdzinot ar ķīmisko piedziņu, gan NTP, gan NEC piedāvā vairākas priekšrocības. Pirmais un acīmredzamākais ir praktiski neierobežotais enerģijas blīvums, salīdzinot ar raķešu degvielu. Turklāt ar kodolenerģiju darbināms motors varētu arī nodrošināt lielāku vilci salīdzinājumā ar izmantotā propelenta daudzumu. Tas samazinātu kopējo vajadzīgo propelenta daudzumu, tādējādi samazinot palaišanas svaru un individuālo misiju izmaksas.
Lai arī neviens kodoltermiskais dzinējs nekad nav lidojis, pēdējās desmitgadēs ir būvētas un pārbaudītas vairākas dizaina koncepcijas, un ir ierosināti daudzi jēdzieni. Tās svārstījās no tradicionālās cietā kodola konstrukcijas - piemēram, kodoldzinēja raķešu transportlīdzekļu lietojumam (NERVA) - līdz modernākām un efektīvākām koncepcijām, kuru pamatā ir vai nu šķidruma, vai gāzes serde.
Tomēr, neskatoties uz šīm priekšrocībām, kas saistītas ar degvielas patēriņa efektivitāti un īpatnējo impulsu, vismodernākajai NTP koncepcijai maksimālais īpatnējais impulss ir 5000 sekundes (50 kN · s / kg). Izmantojot kodoldzinējus, ko vada skaldīšana vai saplūšana, NASA zinātnieki lēš, ka kosmosa kuģa nokļūšanai uz Marsu vajadzēs tikai 90 dienas, kad planēta atradās “opozīcijā” - t.i., tuvu 55 000 000 km no Zemes.
Bet kodolraķetei, kas pielāgota vienvirziena braucienam uz Kentaur Proxima, joprojām vajadzēs gadsimtiem ilgi, lai tā paātrinātos līdz vietai, kur tā lidoja daļiņu no gaismas ātruma. Pēc tam būtu vajadzīgs vairāku gadu desmitu ceļojuma laiks, kam sekotu vēl daudzus gadsimtus ilgs palēninājums pirms galamērķa sasniegšanas. Viss runājot, mēs joprojām runājam par 1000 gadi pirms tas sasniedz galamērķi. Labi starpplanētu misijām, ne tik labi starpzvaigžņu misijām.
Teorētiskās metodes:
Izmantojot esošās tehnoloģijas, laiks, kas nepieciešams zinātnieku un astronautu nosūtīšanai starpzvaigžņu misijā, būs pārmērīgi lēns. Ja mēs vēlamies veikt šo ceļojumu vienas dzīves laikā vai pat paaudzes laikā, būs vajadzīgs kaut kas nedaudz radikālāks (pazīstams arī kā ļoti teorētisks). Un, lai gan tārpi un lēciena dzinēji šajā brīdī joprojām var būt tīri fantastika, ir dažas diezgan progresīvas idejas, kuras gadu gaitā ir apsvērtas.
Kodolspēka impulss:
Kodolimpulsu dzinējspēks ir teorētiski iespējams ātras kosmiskās ceļošanas veids. Koncepciju sākotnēji 1946. gadā ierosināja Staņislavs Ulams, poļu-amerikāņu matemātiķis, kurš piedalījās Manhetenas projektā, un sākotnējos aprēķinus 1947. gadā veica F. Reines un Ulams. Faktiskais projekts - pazīstams kā Project Orion - tika ierosināts 1958. gadā un ilga līdz 1963. gadam.
Teda Teilora vadībā no vispārējās atomijas un fiziķa Freeman Dyson no Princeton progresīvo pētījumu institūta, Orion cerēja izmantot pulsētu kodolsprādzienu jaudu, lai nodrošinātu milzīgu vilci ar ļoti augstu īpatnējo impulsu (ti, vilces lielumu, salīdzinot ar svaru vai sekunžu skaits, ko raķete var nepārtraukti izšaut).
Īsumā, Orion dizains ir saistīts ar lielu kosmosa kuģi ar lielu daudzumu kodolgalviņu galviņu, kas panāk dzinējspēku, atlaižot aiz tā bumbu un pēc tam ar aizmugures aizmugurē piestiprināta spilventiņa, kas tiek saukts par “stūmēju”, detonācijas vilni. Pēc katra sprādziena sprādzienbīstamo spēku absorbētu šis stumšanas spilventiņš, kas pēc tam vilces spēku pārvērš impulss.
Lai arī mūsdienu standartos tas nav diez ko elegants, dizaina priekšrocība ir tā, ka tas sasniedz augstu specifisko impulsu - tas nozīmē, ka tas no sava enerģijas avota (šajā gadījumā kodolbumbas) ar minimālām izmaksām iegūst maksimālo enerģijas daudzumu. Turklāt šī koncepcija teorētiski varētu sasniegt ļoti lielu ātrumu, ar dažām aplēsēm liecina, ka bumbiņas laukuma skaitlis var sasniegt 5% no gaismas ātruma (vai 5,4 × 107 km / h).
Bet, protams, dizainam ir neizbēgamas negatīvas puses. Vienam šāda izmēra kuģa būvēšana būtu neticami dārga. Saskaņā ar aplēsēm, kuras 1968. gadā sagatavoja Dyson, Orion kosmosa kuģim, kas dzinēja ražošanā izmantoja ūdeņraža bumbas, būtu 400 000 līdz 4 000 000 metriskās tonnas. Un vismaz trīs ceturtdaļas no šī svara veido kodolbumbas, kur katra kaujas galviņa sver aptuveni 1 tonnu.
Visu sakot, viskonservatīvākie Dyson aprēķini lika Oriona kuģa celtniecības kopējām izmaksām 367 miljardus dolāru. Pielāgota inflācijai, un tā aptuveni sasniedz USD 2,5 triljonus dolāru, kas veido vairāk nekā divas trešdaļas no ASV valdības pašreizējiem gada ieņēmumiem. Tāpēc pat visvieglākos amatus būtu ārkārtīgi dārgi izgatavot.
Ir arī visa radītā starojuma problēma, nemaz nerunājot par kodolatkritumiem. Faktiski tieši šī iemesla dēļ tiek uzskatīts, ka projekts tika izbeigts, jo tika pieņemts 1963. gada Līgums par daļēju izmēģinājumu aizliegumu, kura mērķis bija ierobežot kodolizmēģinājumus un apturēt pārmērīgu kodolizkritumu nokļūšanu planētas atmosfērā.
Kodolsintēzes raķetes:
Cita iespēja izmantot kodolenerģiju ir saistīta ar raķetēm, kuras vilces radīšanai paļaujas uz kodolreakcijām. Šai koncepcijai tiek radīta enerģija, kad deitērija / hēlija-3 maisījuma granulas tiek aizdedzinātas reakcijas kamerā ar inerciālu norobežošanu, izmantojot elektronu starus (līdzīgi tam, kas tiek darīts Kalifornijas Nacionālajā aizdedzes objektā). Šis saplūšanas reaktors detonēs 250 granulas sekundē, lai izveidotu plazmas enerģiju, kuru pēc tam virzītu magnētiskā sprausla, lai radītu vilci.
Tāpat kā raķete, kas balstās uz kodolreaktoru, šī koncepcija piedāvā priekšrocības, ciktāl tas attiecas uz degvielas efektivitāti un specifisko impulsu. Tiek aprēķināts izplūdes ātrums līdz 10 600 km / s, kas ievērojami pārsniedz parasto raķešu ātrumu. Turklāt tehnoloģija ir plaši pētīta pēdējās desmitgadēs, un ir izteikti daudzi priekšlikumi.
Piemēram, laikā no 1973. līdz 1978. gadam Lielbritānijas Starpplanētu biedrība veica priekšizpēti, kas pazīstama kā Project Daedalus. Balstoties uz pašreizējām zināšanām par kodolsintēzes tehnoloģiju un esošajām metodēm, pētījumā tika aicināts izveidot divpakāpju bezpilota zinātnisko zondi, kas vienā dzīves laikā veiktu ceļojumu uz Barnarda zvaigzni (5,9 gaismas gadu attālumā no Zemes).
Pirmais posms, lielākais no diviem, darbosies 2,05 gadus un paātrinās kosmosa kuģi līdz 7,1% gaismas ātruma (o,071 c). Pēc tam šo posmu iznīcina, un otrajā posmā otrais posms aizdedzina tā motoru un paātrina kosmosa kuģi līdz aptuveni 12% no gaismas ātruma (0,12 c) 1,8 gadu laikā. Pēc tam tiks izslēgts otrās pakāpes dzinējs, un kuģis uzsāks 46 gadu kruīza periodu.
Saskaņā ar projekta aplēsēm misijai būtu nepieciešami 50 gadi, lai sasniegtu Barnard's Star. Pielāgots Proxima Centauri, tas pats kuģis varēja doties ceļojumā 36 gadi. Bet, protams, projektā tika identificēti arī daudzi klupšanas akmeņi, kas padarīja to neiespējamu, izmantojot toreizējo tehnoloģiju - no kurām lielākā daļa joprojām nav atrisināta.
Piemēram, pastāv fakts, ka hēlija-3 uz Zemes ir maz, kas nozīmē, ka tas būtu jāizrok citur (visticamāk, uz Mēness). Otrkārt, reakcijai, kas virza kosmosa kuģi, ir nepieciešams, lai atbrīvotā enerģija ievērojami pārsniegtu enerģiju, kas izmantota reakcijas ierosināšanai. Un, kaut arī eksperimenti šeit uz Zemes ir pārsnieguši “līdzsvara mērķi”, mēs joprojām esam tālu prom no enerģijas veidiem, kas nepieciešami starpzvaigžņu kosmosa kuģa darbināšanai.
Treškārt, šāda kuģa būvniecībai ir izmaksu faktors. Pat ievērojot pieticīgos Project Daedalus bezpilota kuģu standartus, pilnībā darbināma kuģa svars būtu pat 60 000 Mt. Raugoties perspektīvā, NASA SLS bruto svars ir nedaudz virs 30 Mt, un vienas palaišanas cena ir USD 5 miljardi (pamatojoties uz 2013. gadā veiktajām aplēsēm).
Īsāk sakot, kodoltermiskās raķetes būvēšana būtu ne tikai pārmērīgi dārga; tam būtu vajadzīgs arī tāds kodolsintēzes reaktora tehnoloģijas līmenis, kas šobrīd pārsniedz mūsu iespējas. Icarus Interstellar, starptautiska brīvprātīgo pilsoņu zinātnieku organizācija (no kuriem daži strādāja NASA vai ESA) kopš tā laika ir mēģinājuši atdzīvināt šo koncepciju, izmantojot projektu Icarus. Dibināta 2009. gadā, grupa cer tuvākajā nākotnē padarīt saplūšanas dzinēju (cita starpā) iespējamu.
Fusion Ramjet:
Šo vilces teorētisko formu, kas pazīstama arī kā Bussard Ramjet, pirmo reizi ierosināja fiziķis Roberts W. Bussard 1960. gadā. Būtībā tas ir uzlabojums salīdzinājumā ar parasto kodolsintēzes raķeti, kas izmanto magnētiskos laukus, lai saspiestu ūdeņraža degvielu līdz vietai, kurā notiek saplūšana. notiek. Bet Ramjeta gadījumā milzīga elektromagnētiskā piltuve “izšļāc” ūdeņradi no starpzvaigžņu barotnes un nogādā to reaktorā kā degvielu.
Kuģim palielinoties ātrumam, reaktīvā masa tiek spiesta pakāpeniski sašaurinātā magnētiskajā laukā, to saspiežot, līdz notiek kodoltermiskā saplūšana. Pēc tam magnētiskais lauks virza enerģiju kā raķešu izplūdi caur motora sprauslu, tādējādi paātrinot trauku. Ja nebūtu degvielas tvertņu, kas to nosvērtu, kodolsintēzes sprausla varētu sasniegt ātrumu, kas tuvojas 4% no gaismas ātruma, un ceļot jebkur galaktikā.
Tomēr šī dizaina iespējamie trūkumi ir daudz. Piemēram, pastāv vilkšanas problēma. Kuģis paļaujas uz palielinātu ātrumu, lai uzkrātu degvielu, bet, tā kā tas saduras ar arvien vairāk un vairāk starpzvaigžņu ūdeņradi, tas var arī zaudēt ātrumu - īpaši blīvākos galaktikas reģionos. Otrkārt, deitērijs un tritijs (ko izmanto kodolsintēzes reaktoros šeit uz Zemes) kosmosā ir reti sastopami, turpretī regulārā ūdeņraža (kura kosmosā ir daudz) sakausēšana pārsniedz mūsu pašreizējās metodes.
Šis jēdziens ir plaši popularizēts zinātniskajā fantastikā. Varbūt vispazīstamākais piemērs tam ir franšīzē Zvaigžņu treks, kur “Bussard kolekcionāri” ir kvēlojošās dzeloņstieņi šķēru motoros. Bet patiesībā mūsu zināšanām par kodolsintēzes reakcijām ir ievērojami jāattīstās, pirms ir iespējams veikt strūklu. Mums arī vajadzēja izdomāt šo nepatīkamo vilkšanas problēmu, pirms mēs sākām apsvērt šāda kuģa būvēšanu!
Lāzera bura:
Saules buras jau sen tiek uzskatītas par rentablu Saules sistēmas izpētes veidu. Papildus samērā vieglai un lētai ražošanai, tas ir arī papildu bonuss saules burām, kurām nav nepieciešama degviela. Tā vietā, lai izmantotu raķetes, kurām ir nepieciešams propelents, bura izmanto staru spiedienu no zvaigznēm, lai lielos ultra-plānos spoguļus virzītu uz lielu ātrumu.
Starpzvaigžņu lidojuma labad šāda bura būtu jāvirza ar fokusētiem enerģijas stariem (t.i., lāzeriem vai mikroviļņiem), lai to virzītu uz ātrumu, kas tuvojas gaismas ātrumam. Koncepciju sākotnēji ierosināja Roberts Forvards 1984. gadā, kurš tajā laikā bija fiziķis Hughes Aircraft pētījumu laboratorijās.
Koncepcija saglabā saules buras priekšrocības tajā ziņā, ka tai nav nepieciešama degviela uz kuģa, bet arī tāpēc, ka lāzera enerģija gandrīz neizkliedē ar attālumu kā saules starojums. Tātad, lai arī ar lāzeru darbināma bura paātrināšana līdz gandrīz gaismas ātrumam būtu nepieciešams laiks, tā tiks ierobežota tikai ar pašu gaismas ātrumu.
Saskaņā ar 2000. gada pētījumu, ko izstrādājis Roberts Frisbijs, progresīvo dzinējspēka koncepcijas pētījumu direktors NASA Jet dzinējspēka laboratorijā, lāzera bura tika paātrināta līdz pusei gaismas ātruma mazāk nekā desmit gadu laikā. Viņš arī aprēķināja, ka bura, kuras diametrs ir aptuveni 320 km (200 jūdzes), varētu sasniegt Proxima Centauri nedaudz vairāk 12 gadi. Tikmēr nedaudz zemāk nonāktu bura, kuras diametrs ir aptuveni 965 km (600 jūdzes) 9 gadi.
Tomēr šāda bura būtu jāveido no moderniem kompozītiem, lai izvairītos no kušanas. Apvienojumā ar izmēru, tas būtu diezgan santīms! Vēl sliktāk ir milzīgie izdevumi, kas rodas, būvējot pietiekami lielu un jaudīgu lāzeru, lai vadītu buru līdz pusei gaismas ātruma. Saskaņā ar paša Frisbija pētījumu lāzeriem būtu nepieciešama vienmērīga 17 000 teravatu jaudas plūsma - tuvu tam, ko visa pasaule patērē vienā dienā.
Antimatērijas dzinējs:
Zinātniskās fantastikas fani noteikti ir dzirdējuši par antimateriālu. Bet, ja jums tā nav, antimateriāls ir materiāls, kas sastāv no antidaļiņām, kurām ir tāda pati masa, bet pretējs lādiņš kā parastajām daļiņām. Tikmēr antimateriāla dzinējs ir vilces forma, kas izmanto mijiedarbību starp matēriju un antimatēriju, lai ģenerētu enerģiju vai radītu vilci.
Īsāk sakot, antimateriāla motors ir saistīts ar ūdeņraža un antiūdeņraža daļiņu sadedzināšanu. Šī reakcija izdalās tikpat daudz enerģijas kā termobumbu bumba kopā ar subatomisko daļiņu dušu, ko sauc par pioniem un muoniem. Šīs daļiņas, kas vienā trešdaļā pārvietojas ar gaismas ātrumu, pēc tam novirza ar magnētisko sprauslu, lai radītu vilci.
Šīs raķešu klases priekšrocība ir tā, ka lielu daļu vielas / antimateriāla maisījuma pārējās masas var pārveidot enerģijā, ļaujot antimateriālajām raķetēm būt daudz augstākam enerģijas blīvumam un īpatnējam impulsam nekā jebkurai citai ierosinātai raķešu klasei. Turklāt šāda veida reakcijas kontrole varētu radīt raķeti līdz pusei gaismas ātruma.
Mārciņa par mārciņu šī kuģu klase būtu visātrākā un visu laiku efektīvākā degvielas ekonomija. Kamēr parastajām raķetēm ir vajadzīgas tonnas ķīmiskās degvielas, lai novirzītu kosmosa kuģi uz savu galamērķi, antimateriāla dzinējs varētu veikt to pašu darbu tikai ar dažiem miligramiem degvielas. Faktiski pusmiljona ūdeņraža un antiūdeņraža daļiņu savstarpēja iznīcināšana atbrīvotu vairāk enerģijas nekā 10-megatoniska ūdeņraža bumba.
Tieši šī precīza iemesla dēļ NASA Uzlaboto koncepciju institūts (NIAC) ir izpētījis tehnoloģiju kā iespējamo līdzekli turpmākajām Marsa misijām. Diemžēl, apsverot komandējumus uz tuvumā esošajām zvaigžņu sistēmām, brauciena veikšanai nepieciešamais degvielas daudzums tiek sareizināts eksponenciāli, un tā izgatavošanai nepieciešamās izmaksas būtu astronomiskas (bez soda!).
Saskaņā ar ziņojumu, kas sagatavots 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE apvienotajai vilces spēku konferencei un izstādei (arī Roberts Frisbijs), divpakāpju antimateriāla raķetei ceļojuma laikā būtu nepieciešami vairāk nekā 815 000 metrisko tonnu (900 000 ASV tonnu) degvielas. līdz Proxima Centauri apmēram 40 gadu laikā. Cik slikti ir laika grafiki, tas nav slikti. Bet atkal, izmaksas ...
Lai gan viens grams antimateriāla ražotu neticami daudz enerģijas, tiek lēsts, ka tikai viena grama ražošanai būtu nepieciešami aptuveni 25 miljoni miljardu kilovatstundu enerģijas un tas maksātu vairāk nekā triljonus dolāru. Pašlaik kopējais cilvēku radītais antimateriālais daudzums ir mazāks par 20 nanogramiem.
Un pat ja mēs varētu saražot antimatēriju par lētu, jums būs nepieciešams milzīgs kuģis, lai turētu nepieciešamo degvielas daudzumu. Saskaņā ar Dr. Darrela Smita un Džonatana Vebija ziņojumu no Arizonas Embry-Riddle aeronavigācijas universitātes, starpzvaigžņu kuģis, kas aprīkots ar antimateriāla motoru, varētu sasniegt gaismas gaismas ātrumu 0,5 un sasniegt Proxima Centauri nedaudz vairāk 8 gadi. Tomēr pats kuģis sver 400 metriskās tonnas (441 ASV tonnas) un brauciena veikšanai viņam būs vajadzīgas 170 metriskās tonnas (187 ASV tonnas) antimateriāla degvielas.
Iespējams veids, kā to panākt, ir izveidot trauku, kas var radīt antimatēriju, kuru tas pēc tam varētu uzglabāt kā degvielu. Šo koncepciju, kas pazīstama kā Vacuum to Antimatter raķešu starpzvaigžņu izpētes sistēma (VARIES), ierosināja Ričards Obousijs no Icarus Interstellar. Balstoties uz ideju par degvielas uzpildīšanu in situ, VARIES kuģis paļautos uz lieliem lāzeriem (kurus darbina milzīgi saules bloki), kas, veidojot tukšo vietu, radītu antimateriāla daļiņas.
Līdzīgi kā Ramjet koncepcija, šis priekšlikums atrisina degvielas pārvadāšanas problēmu, izmantojot to no kosmosa. Bet vēlreiz jāatzīmē, ka šāda kuģa milzīgās izmaksas būtu pārāk dārgas, izmantojot pašreizējās tehnoloģijas. Turklāt spēja radīt antimatēriju lielos apjomos nav kaut kas tāds, kāds mums šobrīd ir spēks. Ir arī jautājums par radiāciju, jo iznīcināšana ar antimēriju var radīt augstas enerģijas gamma staru triecienus.
Tas ne tikai rada briesmas apkalpei, pieprasa ievērojamu ekranējumu pret radiāciju, bet prasa arī motorus, kas ir ekranēti, lai nodrošinātu, ka tiem netiek pakļauts atomu sadalīšanās no visa starojuma, kuram tie ir pakļauti. Tātad, antimateriāla dzinējs ir pilnīgi nepraktisks attiecībā uz mūsu pašreizējām tehnoloģijām un pašreizējā budžeta vidē.
Alcubierre velku piedziņa:
Zinātniskās fantastikas fani, bez šaubām, labi pārzina arī Alcubierre (vai “Warp”) piedziņas koncepciju. Šī ierosinātā metode, kuru 1994. gadā ierosināja meksikāņu fiziķis Migels Alkubjērs, bija mēģinājums padarīt FTL pārvietošanos iespējamu, nepārkāpjot Einšteina īpašās relativitātes teoriju. Īsāk sakot, jēdziens ietver telpas-laika auduma izstiepšanu viļņā, kas teorētiski izraisītu objekta priekšā esošās telpas saraušanos un telpas aiz tā paplašināšanos.
Objekts, kas atrodas šī viļņa iekšpusē (t.i., kosmosa kuģis), tad varētu pārvietoties pa šo vilni, kas pazīstams kā “šķēru burbulis”, pārsniedzot relativistiskos ātrumus. Tā kā kuģis nepārvietojas šajā burbulī, bet tiek pārvietots tā kustības laikā, vairs nepiemēro telpas un laika noteikumus. Iemesls ir tas, ka šī metode nepaļaujas kustībai ātrāk par gaismu vietējā izpratnē.
Tas ir tikai “ātrāk nekā gaisma” tādā nozīmē, ka kuģis savu galamērķi varētu sasniegt ātrāk nekā gaismas stars, kas devās ārpus šķēru burbuļa. Tātad, pieņemot, ka kosmosa kuģis varētu būt aprīkots ar Alcubierre Drive sistēmu, tas varētu veikt ceļojumu uz Proxima Centauri mazāk par 4 gadiem. Tātad, runājot par starpzvaigžņu kosmosa teorētiskajiem ceļojumiem, šī ir daudzsološākā tehnoloģija, vismaz ātruma ziņā.
Protams, gadiem ilgi koncepcijai ir piešķirta liela daļa pretargumentu. Galvenais no tiem ir fakts, ka tas neņem vērā kvantu mehāniku un to var atzīt par teoriju par visu (piemēram, cilpas kvantu gravitācija). Nepieciešamās enerģijas daudzuma aprēķini arī ir norādījuši, ka velku piedziņai darbībai būs nepieciešams pārāk daudz enerģijas. Citas neskaidrības ietver šādas sistēmas drošību, ietekmi uz telpas laiku galapunktā un cēloņsakarības pārkāpumus.
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!
