- Osa 2 -
Jossain vaiheessa elämäämme jokainen meistä kysyi tämän kysymyksen: kuinka kauan lentää tähtiin? Onko mahdollista suorittaa tällainen lento yhdessä ihmisen elämässä, voivatko tällaisista lennoista tulla arkielämän normi? Tähän vaikeaseen kysymykseen on monia vastauksia riippuen siitä, kuka kysyy. Jotkut ovat yksinkertaisia, toiset vaikeampia. Lopullisen vastauksen löytämiseksi on liian monia asioita, jotka on harkittava.
Valitettavasti ei ole olemassa todellisia arvioita, jotka auttaisivat löytämään tällaisen vastauksen, ja tämä turhauttaa futuristit ja tähtienväliset matka-harrastajat. Pidämme siitä vai ei, tila on erittäin suuri (ja monimutkainen) ja tekniikkamme on silti rajallinen. Mutta jos päätämme joskus poistua "kodinpesästämme", meillä on useita tapoja päästä lähimpään tähtijärjestelmäämme galaksissamme.
Maapallollemme lähin tähti on aurinko, melko "keskimääräinen" tähti Hertzsprung-Russell "pääjärjestys" -järjestelmän mukaan. Tämä tarkoittaa, että tähti on erittäin vakaa ja se tarjoaa tarpeeksi auringonvaloa elämän kehittymiseksi planeetallamme. Tiedämme, että muut planeetat pyörivät tähtien ympärillä lähellä aurinkokuntamme, ja monet näistä tähtiistä ovat samanlaisia kuin omamme.
Mahdolliset asuttavat maailmat maailmankaikkeudessa
Jatkossa, jos ihmiskunta haluaa poistua aurinkokunnasta, meillä on valtava tähtivalikoima, jonne voimme mennä, ja monilla heistä saattaa olla hyvät olosuhteet elämää varten. Mutta mihin olemme menossa ja kuinka kauan meillä päästä sinne? Muista, että tämä on kaikki spekulointia eikä tähtienvälisiä matkoja ole tällä hetkellä. No, kuten Gagarin sanoi, mennään! Kampanjavideo:
Tavoita tähtiä
Kuten jo todettiin, aurinkokuntamme lähin tähti on Proxima Centauri, ja siksi on paljon järkeä alkaa suunnitella tähtienvälistä operaatiota sen kanssa. Osa Alpha Centauri -kolmi tähtijärjestelmästä, Proxima, on 4,24 valovuoden (1,3 parsin) päässä maasta. Alpha Centauri on itse asiassa järjestelmän kolmen kirkkain tähti, osa läheistä binaarijärjestelmää 4,37 valovuoden päässä maapallosta - Proxima Centauri (kolmesta pienin) on eristetty punainen kääpiö, joka on 0,13 valovuoden päässä. kaksoisjärjestelmästä.
Ja vaikka tähtienvälisistä matkoista käydyt keskustelut viittaavat kaikenlaisiin valoa nopeampiin (FAS) matkoihin loimisopeuksista madonreikiin ali-avaruusmoottoreihin, sellaiset teoriat ovat joko erittäin fiktiivisiä (kuten Alcubierre-moottori) tai olemassa vain tieteiskirjallisuudessa. … Kaikki tehtävät syvään avaruuteen ulottuvat yli sukupolvien ihmisten.
Joten aloittamalla yhdestä hitaimmista avaruusmatkoista, kuinka kauan kestää pääsy Proxima Centauriin?
Nykyaikaiset menetelmät
Kysymys avaruudessa tapahtuvan matkan keston arvioimisesta on paljon helpompaa, jos siihen kuuluvat aurinkokunnan järjestelmämme olemassa olevat tekniikat ja kehot. Esimerkiksi käyttämällä New Horizons -operaation käyttämää tekniikkaa, 16 hydratsiinimoottorimoottoria, pääset Kuuhun vain 8 tunnissa ja 35 minuutissa.
Siellä on myös Euroopan avaruusjärjestön SMART-1-operaatio, joka ajettiin kuun suuntaan ionivoiman avulla. Tällä vallankumouksellisella tekniikalla, jonka variantti Dawn-avaruuskoetin myös saavutti Vestan, SMART-1-operaatio kesti kuukauden, kuukauden ja kaksi viikkoa.
Nopeasta rakettiavaruusaluksesta taloudelliseen ioniajoneuvoon, meillä on pari vaihtoehtoa kiertää paikallista tilaa - ja voit käyttää Jupiteria tai Saturnusta jättiläisenä painovoimanäytteenä. Siitä huolimatta, jos aiomme päästä hieman pidemmälle, meidän on rakennettava tekniikan voimaa ja tutkittava uusia mahdollisuuksia.
Kun puhumme mahdollisista menetelmistä, puhumme menetelmistä, joihin liittyy olemassa oleva tekniikka tai sellaisia, joita ei vielä ole, mutta jotka ovat teknisesti toteutettavissa. Jotkut niistä, kuten näet, ovat aikatestattuja ja vahvistettuja, kun taas toiset ovat edelleen kyseenalaisia. Lyhyesti sanottuna, ne edustavat mahdollista, mutta erittäin aikaa vievää ja kallista skenaariota matkustamiseen jopa lähimpään tähtiin.
Ioninen liike
Tällä hetkellä moottorin hitain ja taloudellisin muoto on ionimoottori. Useita vuosikymmeniä sitten ionista käyttövoimaa pidettiin tieteiskirjallisuuden aiheena. Mutta viime vuosina ionin käytön tukitekniikat ovat siirtyneet teoriasta käytäntöön, ja hyvin menestyksekkäästi. Euroopan avaruusjärjestön SMART-1-tehtävä on esimerkki onnistuneesta matkasta Kuuhun 13 kuukauden spiraaliliikkeen kautta Maasta.
SMART-1 käytti aurinko-ion potkuria, joissa aurinkopaneelit keräsivät sähköä ja käyttivät Hallin efektipotkureihin voimaa. Kestää vain 82 kiloa ksenonipolttoainetta saadaksesi SMART-1: n kuuhun. 1 kg ksenonipolttoainetta antaa delta-V: n 45 m / s. Tämä on erittäin tehokas liiketyyppi, mutta kaukana nopeimmasta.
Yksi ensimmäisistä ionikäyttötekniikan käytöstä oli Deep Space 1 -operaatio komeetta Borrelliin vuonna 1998. DS1 käytti myös ksenonionimoottoria ja kulutti 81,5 kg polttoainetta. 20 kuukauden työntövoiman aikana DS1 kehitti nopeuden 56 000 km / h komeetan kulkiessa.
Ionimoottorit ovat edullisempia kuin rakettitekniikat, koska niiden työntövoima rakettipolttoaineen massayksikköä kohti (ominaisimpulssi) on paljon suurempi. Ionipuristimilla kuluu kuitenkin kauan avaruusaluksen kiihdyttämiseen huomattavaan nopeuteen, ja huippunopeus riippuu polttoaineen tuesta ja energiantuotannosta.
Siksi, jos ionikäyttöä käytetään matkalla Proxima Centauriin, moottoreissa on oltava tehokas energialähde (ydinvoima) ja suuret polttoainevarat (vaikkakin vähemmän kuin perinteiset raketit). Mutta jos aloitat oletuksella, että 81,5 kg ksenonipolttoainetta kääntyy 56 000 km / h (eikä muita liikettä tule esiin), voit tehdä laskelmia.
Huippunopeudella 56 000 km / h Deep Space 1: n matkalla 4,24 valovuotta maan ja Proxima Centaurin välillä olisi 81 000 vuotta. Ajan myötä tämä on noin 2700 sukupolvea ihmisiä. On turvallista sanoa, että planeettojen välinen ioniajoneuvo on liian hidas miehitetylle väliseen operaatioon.
Mutta jos ionityöntövoimat ovat suurempia ja voimakkaampia (ts. Ionien poistumisnopeus on huomattavasti suurempi), jos rakettipolttoainetta on riittävästi, mikä riittää koko 4,24 valovuoteen, matka-aika vähenee huomattavasti. Mutta kaikki siellä tapahtuu paljon kauemmin kuin ihmisen elämän ajanjakso.
Painovoima
Nopein tapa matkustaa avaruudessa on käyttää painovoima-apua. Tämä menetelmä käsittää avaruusaluksen, joka käyttää planeetan suhteellista liikettä (ts. Kiertorataa) ja painovoimaa sen polun ja nopeuden muuttamiseksi. Painovoima-ohjaukset ovat erittäin hyödyllinen tekniikka avaruuslennolle, etenkin kun käytetään maan tai muun massiivisen planeetan (kuten kaasujättelijän) kiihtyvyyttä.
Mariner 10 -aluksen avaruusalus oli ensimmäinen, joka käytti tätä menetelmää käyttämällä Venuksen painovoimavetoa kiihtyäkseen kohti elohopeaa helmikuussa 1974. 1980-luvulla Voyager 1 -anturi käytti Saturnusta ja Jupiteria painovoimansiirtoihin ja kiihtymiseen 60 000 km / h: iin, jota seurasi poistuminen tähtienväliseen avaruuteen.
Helios 2 -operaatio, joka alkoi vuonna 1976 ja jonka piti tutkia planeettojen välistä ympäristöä välillä 0,3 AU. e. ja 1 a. Toisin sanoen, auringosta lähtien, enimmäisnopeuden ennätys, joka on kehitetty käyttämällä painovoima-ohjainta. Tuolloin Helios 1 (julkaistiin vuonna 1974) ja Helios 2 pitivät ennätystä lähimmästä lähestymistavasta auringolle. Helios 2 käynnistettiin tavanomaisella raketilla ja laitettiin erittäin pitkänomaiselle kiertoradalle.
190 vuorokauden aurinkoradan suuren epäkeskeisyyden (0,54) takia Helios 2 saavutti perihelionilla maksimaalisen nopeuden yli 240 000 km / h. Tämän kiertoradan nopeuden kehitti vain Auringon painovoima. Teknisesti Helios 2: n perihelionopeus ei johdu painovoimatoiminnasta, vaan suurimmasta kiertoradalla, mutta laite pitää kuitenkin ennätys nopeimmasta keinotekoisesta esineestä.
Jos Voyager 1 siirtyisi kohti punaista kääpiötä Proxima Centauri vakionopeudella 60 000 km / h, tämän etäisyyden läpikäyminen vie 76 000 vuotta (tai yli 2500 sukupolvea). Mutta jos koetin saavuttaisi Helios 2: n ennätysnopeuden - vakionopeuden 240 000 km / h -, kuluu 19 000 vuotta (tai yli 600 sukupolvea) 4 243 valovuoden matkustamiseen. Paljon parempi, vaikkakaan ei läheskään käytännöllinen.
Sähkömagneettinen moottori EM-käyttö
Toinen ehdotettu menetelmä tähteiden väliseen liikkumiseen on resonanssi ontelon radiotaajuusmoottori, joka tunnetaan myös nimellä EM Drive. Brittiläinen tiedemies Roger Scheuer, joka on perustanut projektiin Satellite Propulsion Research Ltd: n (SPR), ehdotti vuonna 2001 moottoria, joka perustuu ajatukseen, että sähkömagneettiset mikroaaltouunit voivat muuttaa sähkön suoraan työntövoimaksi.
Vaikka perinteiset sähkömagneettiset moottorit on suunniteltu kuljettamaan tietty massa (kuten ionisoituneet hiukkaset), tämä tietty käyttövoimajärjestelmä ei riipu massan reaktiosta eikä anna säteilysuuntaa. Yleensä tätä moottoria otettiin vastaan kohtuullisella määrällä skeptisyyttä suurelta osin siksi, että se rikkoo vauhdin säilyttämistä koskevaa lakia, jonka mukaan järjestelmän vauhti pysyy vakiona eikä sitä voida luoda tai tuhota, vaan sitä muutetaan vain voiman vaikutuksesta.
Siitä huolimatta viimeaikaiset kokeilut tällä tekniikalla ovat selvästi johtaneet positiivisiin tuloksiin. NASA: n edistyneet suihkutieteilijät tekivät heinäkuussa 2014 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE-yhteispropulsiokonferenssissa Clevelandissa, Ohiossa, että he olivat menestyksekkäästi testanneet uutta sähkömagneettista moottorisuunnittelua.
Huhtikuussa 2015 NASA Eagleworksin (osa Johnsonin avaruuskeskusta) tutkijat kertoivat kokeilleensa moottoria onnistuneesti tyhjiössä, mikä voisi viitata mahdolliseen käyttöön avaruudessa. Saman vuoden heinäkuussa ryhmä tutkijoita Dresdenin teknillisen yliopiston avaruusjärjestelmien osastolta kehitti oman versionsa moottorista ja havaitsi konkreettisen työntövoiman.
Kiinassa Xi'anissa sijaitsevan luoteisen ammattikorkeakoulun professori Zhuang Yang aloitti vuonna 2010 julkaisusarjojen julkaisemisen tutkimuksestaan EM Drive -teknologiaan. Vuonna 2012 se ilmoitti olevan korkea syöttöteho (2,5 kW) ja kiinteä työntövoima 720 mn. Vuonna 2014 hän suoritti myös laajoja testejä, mukaan lukien sisäiset lämpötilan mittaukset sisäänrakennetuilla termoelementeillä, jotka osoittivat järjestelmän toimivan.
NASA-prototyyppiin (jolle annettiin tehonluokka 0,4 N / kilowatti) perustuvien laskelmien mukaan sähkömagneettisella avaruusaluksella voidaan tehdä matka Plutoon alle 18 kuukaudessa. Tämä on kuusi kertaa vähemmän kuin mitä vaadittiin New Horizons -anturilla, joka liikkui nopeudella 58 000 km / h.
Kuulostaa vaikuttavalta. Mutta jopa tässä tapauksessa sähkömagneettisilla moottoreilla varustettu alus lentää Proxima Centauriin 13 000 vuotta. Sulje, mutta ei silti tarpeeksi. Lisäksi, kunnes kaikki pisteet on pistetty tässä tekniikassa, on liian aikaista puhua sen käytöstä.
Ydinvoiman lämpö ja ydinvoima
Toinen mahdollisuus suorittaa tähtienvälinen lento on käyttää ydinmoottoreilla varustettua avaruusalusta. NASA on tutkinut sellaisia vaihtoehtoja vuosikymmenien ajan. Ydinvoiman lämpövoimaraketti voisi käyttää uraani- tai deuteriumreaktoreita vedyn lämmittämiseen reaktorissa, muuttamalla se ionisoiduksi kaasuksi (vetyplasmaksi), joka sitten ohjattaisiin raketin suuttimeen tuottaen työntövoimaa.
Ydinkäyttöisessä raketissa on sama reaktori, joka muuntaa lämmön ja energian sähköksi, joka sitten antaa sähkömoottorille virran. Molemmissa tapauksissa raketti luottaa työntövoiman tuottamiseen ydinfuusioon tai ydinfissioon, eikä kemialliseen polttoaineeseen, jolla kaikki nykyaikaiset avaruusjärjestöt toimivat.
Verrattuna kemiallisiin moottoreihin ydinmoottoreilla on kiistattomia etuja. Ensinnäkin se on käytännöllisesti katsoen rajaton energian tiheys verrattuna rakettipolttoaineeseen. Ydinmoottori tuottaa lisäksi enemmän työntövoimaa kuin käytetyn polttoaineen määrä. Tämä vähentää tarvittavan polttoaineen määrää ja samalla tietyn laitteen painoa ja kustannuksia.
Vaikka lämpöydinvoimaloita ei ole vielä tullut avaruuteen, niiden prototyypit on luotu ja testattu, ja vielä enemmän on ehdotettu.
Ja silti huolimatta polttoainetalouden eduista ja ominaisimpulssista, parhaimmista ehdotetuista ydinlämpömoottorin konsepteista maksimi ominaisimpulssi on 5000 sekuntia (50 kNs / kg). NASA: n tutkijat voisivat toimittaa avaruusaluksen Marsiin vain 90 päivässä, jos Punainen planeetta on 55 000 000 kilometrin päässä maasta käyttämällä ydinfissio- tai fuusiovoiman avulla toimivia ydinmoottoreita.
Mutta kun kyse on matkustamisesta Proxima Centauriin, ydinrakettien kuluminen vuosisatojen kuluessa kiihtyy huomattavaan osaan valon nopeudesta. Sitten kuluu useita vuosikymmeniä tieltä, ja heidän jälkeensä monien vuosisatojen estyminen matkalla tavoitteeseen. Olemme edelleen 1000 vuotta määränpäästämme. Mikä sopii planeettojenvälisille virkamatkoille, ei niin hyvä tähtienvälisille virkamatkoille.
- Osa 2 -