- Osa 1 -
Jos käytät olemassa olevaa tekniikkaa, tutkijoiden ja astronauttien lähettäminen tähtienväliseen tehtävään vie erittäin, hyvin kauan. Matka on tuskallisen pitkä (jopa kosmisilla normeilla). Jos haluamme tehdä tällaisen matkan ainakin yhdessä elämässä, hyvin tai sukupolvessa, tarvitsemme radikaalimpia (lue: puhtaasti teoreettisia) toimenpiteitä. Ja jos madonreikät ja osa-avaruusmoottorit ovat tällä hetkellä ehdottoman fantastisia, uskomme monien vuosien ajan ideoita.
Ydinvoimala
Ydinvoimalaitos on teoreettisesti mahdollinen "moottori" nopealle avaruusmatkalle. Konseptin ehdotti alun perin Manhattan-projektiin osallistunut puolalais-amerikkalainen matemaatikko Stanislav Ulam vuonna 1946, ja F. Reines ja Ulam tekivät alustavat laskelmat vuonna 1947. Orion-projekti käynnistettiin vuonna 1958 ja se oli voimassa vuoteen 1963.
Ted Taylorin, General Atomicsin ja fyysikon Freeman Dysonin johtamasta Princetonin syventävien tutkimusten instituutista, Orion valjastaa sykkivien ydinräjähdysten voiman saadakseen aikaan valtavan työntövoiman erittäin korkealla ominaisimpulssilla.
Mainosvideo:
Lyhyesti sanottuna Project Orion sisältää suuren avaruusaluksen, joka lisää nopeutta tukemalla lämpöydinpäätä, poistamalla pommeja taaksepäin ja kiihdyttämällä räjähdyksellä, joka menee takaosaan asetettavaan työntöön, potkuripaneeliin. Jokaisen painon jälkeen tämä paneeli absorboi räjähdysvoiman ja muuntuu eteenpäin suuntautuvaksi liikkeeksi.
Vaikka tämä muotoilu on tuskin tyylikäs nykyaikaisten standardien mukaan, konseptin etuna on, että se tarjoaa suuren ominaisvoiman - ts. Se poimii suurimman määrän energiaa polttoaineen lähteestä (tässä tapauksessa ydinpommeista) pienin kustannuksin. Lisäksi tämä käsite voi teoriassa kiihdyttää erittäin suuria nopeuksia, joidenkin arvioiden mukaan, jopa 5%: iin valon nopeudesta (5,4 x 107 km / h).
Tietysti tällä hankkeella on väistämättä haittapuolia. Toisaalta tämän kokoinen alus olisi erittäin kallista rakentaa. Vuonna 1968 Dyson arvioi, että vetypommeista saatava Orion-avaruusaluksen paino olisi 400 000 - 4 000 000 tonnia. Ja ainakin kolme neljäsosaa tästä painosta tulee ydinpommeista, joka painaa noin yhden tonnin.
Dysonin konservatiivinen arvio osoitti, että Orionin rakentamisen kokonaiskustannukset olisivat olleet 367 miljardia dollaria. Inflaatioon mukautettu määrä on 2,5 biljoonaa dollaria, mikä on aika paljon. Jopa konservatiivisimpien arvioiden mukaan laitteen valmistus on erittäin kallista.
Sitä säteilee myös pieni säteilyongelma, puhumattakaan ydinjätteistä. Uskotaan, että tästä syystä projekti peruttiin osittaisen testikieltosopimuksen nojalla vuonna 1963, kun maailman hallitukset pyrkivät rajoittamaan ydinkokeita ja estämään radioaktiivisen laskeuman liiallisen vapautumisen planeetan ilmakehään.
Ydinfuusioraketit
Toinen mahdollisuus ydinenergian käyttöön on lämpöydinreaktiot työntövoiman tuottamiseksi. Tämän konseptin mukaan energia on luotava inertiaalisella sulkemisella sytyttämällä deuteriumin ja helium-3: n seoksen pelletit reaktiokammiossa käyttämällä elektronisuihkuja (samanlainen kuin mitä tehdään Kalifornian kansallisessa sytytyskompleksissa). Tällainen fuusioreaktori räjäyttäisi 250 pellettiä sekunnissa, jolloin syntyisi korkean energian plasma, joka sitten ohjataan suuttimeen, jolloin syntyy työntövoima.
Kuten ydinreaktoriin tukeutuva rakettina, tällä konseptilla on etuja polttoainetehokkuuden ja erityisen impulssin suhteen. Arvioidun nopeuden pitäisi saavuttaa 10 600 km / h, mikä on selvästi yli tavanomaisten rakettien nopeusrajoitukset. Lisäksi tätä tekniikkaa on tutkittu laajasti viime vuosikymmenien aikana, ja monia ehdotuksia on tehty.
Esimerkiksi vuosien 1973 ja 1978 välillä brittiläinen planetaarinen yhdistys toteutti toteutettavuustutkimuksen Daedalus-projektille. Lämpöydinfuusion nykyaikaisen tiedon ja tekniikan pohjalta tutkijat kehottivat rakentamaan kaksivaiheisen miehittämättömän tieteellisen koettimen, joka voisi saavuttaa Barnardin tähden (5,9 valovuoden päässä maasta) ihmisen elämän aikana.
Ensimmäinen vaihe, suurin näistä kahdesta, kestäisi 2,05 vuotta ja kiihdyttäisi aluksen 7,1%: n valon nopeuteen. Sitten tämä vaihe heitetään pois, toinen sytytetään ja laite kiihtyy 12%: iin valon nopeudesta 1,8 vuodessa. Sitten toisen vaiheen moottori sammutetaan, ja alus on lentänyt 46 vuotta.
Daedalus-projekti arvioi, että tehtävä kestää 50 vuotta saavuttaaksesi Barnardin tähden. Jos Proxima Centauriin, sama alus saavuttaa 36 vuodessa. Mutta tietenkin projekti sisältää paljon ratkaisematta olevia kysymyksiä, etenkin joita ei voida ratkaista nykyaikaisen tekniikan avulla - ja useimpia niistä ei ole vielä ratkaistu.
Esimerkiksi maapallolla ei käytännössä ole helium-3: a, mikä tarkoittaa, että se on kaivosta muualla (todennäköisesti Kuussa). Toiseksi veneen käyttävä reaktio vaatii emittoidun energian olevan paljon suurempaa kuin reaktion käynnistämiseen käytetty energia. Ja vaikka maapallolla tehdyt kokeilut ovat jo ylittäneet raja-arvon, olemme silti kaukana energian määrästä, joka pystyy toimittamaan tähtienvälistä ajoneuvoa.
Kolmanneksi on edelleen kysymys tällaisen aluksen kustannuksista. Jopa Project Daedalus -henkilökunnan vaatimattomien standardien mukaan täysin varustettu ajoneuvo painaa 60 000 tonnia. Vain niin, että tiedät, NASA SLS: n bruttopaino on hiukan yli 30 tonnia, ja pelkästään lanseeraus maksaa 5 miljardia dollaria (arviot 2013).
Lyhyesti sanottuna, fuusioraketti ei ole vain liian kallista rakentaa, vaan se vaatii myös fuusioreaktorin tason, joka ylittää mahdollisuudet. Icarus Interstellar, kansainvälinen siviilitutkijoiden järjestö (joista osa on työskennellyt NASA: n tai ESA: n palveluksessa), yrittää elvyttää konseptia Icarus-projektin avulla. Vuonna 2009 koottu ryhmä toivoo mahdollistavansa fuusioliikkeen (ja muiden) mahdollisuuden lähitulevaisuudessa.
Lämpöydin ramjet
Fysiikka Robert Bussard ehdotti moottoria ensimmäisen kerran vuonna 1960, joka tunnetaan myös nimellä Bussard-ramjet. Sen ytimessä se on parannus tavallisessa lämpöydinraketissa, joka käyttää magneettikenttiä vetypolttoaineen puristamiseen fuusiokohtaan. Mutta mäntämoottorin tapauksessa valtava sähkömagneettinen suppilo imee vetyä tähtienvälisestä väliaineesta ja kaataa sen reaktoriin polttoaineena.
Kun ajoneuvo nousee nopeuteen, reaktiivinen massa tulee rajoittuneeseen magneettikentään, joka puristaa sen ennen sulamisen alkamista. Magneettikenttä ohjaa sitten energiaa raketin suuttimeen, kiihdyttäen laivaa. Koska mikään polttoainesäiliö ei hidasta sitä, lämpöydinlaite voi saavuttaa luokkaa 4% valonopeutta ja mennä mihin tahansa galaksin alueelle.
Siitä huolimatta tällä tehtävällä on monia mahdollisia haittoja. Esimerkiksi kitkaongelma. Avaruusalusta luottaa korkeisiin polttoaineenkeräysasteisiin, mutta se törmää myös suuriin määriin tähtienvälistä vetyä ja menettää nopeuden - etenkin galaksin tiheillä alueilla. Toiseksi, avaruudessa ei ole paljon deuteriumia ja tritiumia (joita käytetään maapallon reaktoreissa), ja tavallisen vedyn synteesi, jota on runsaasti avaruudessa, on edelleen meidän valvontamme ulkopuolella.
Tieteiskirjallisuus on kuitenkin kasvanut rakastamaan tätä käsitettä. Tunnetuin esimerkki on ehkä Star Trek-franchising, joka käyttää Bussard Collectorsia. Todellisuudessa ymmärryksemme fuusioreaktoreista ei ole läheskään niin täydellistä kuin haluaisimme.
Laserpurje
Aurinkopurjeita on pitkään pidetty tehokkaana tapana aurinkojärjestelmän valloittamiseksi. Sen lisäksi, että ne ovat suhteellisen yksinkertaisia ja halpoja valmistaa, niillä on iso plussi: he eivät tarvitse polttoainetta. Polttoainetta tarvitsevien rakettien käytön sijasta purje käyttää tähtiä aiheuttaman säteilyn aiheuttamaa paineta ultraohut peilien kuljettamiseen suurille nopeuksille.
Tähtienvälisen lennon tapauksessa tällainen purje joutui kuitenkin ajamaan keskittyneillä energian säteillä (laser tai mikroaalto) kiihtymään melkein valonopeuteen. Konseptin ehdotti ensimmäisen kerran Robert Forward vuonna 1984, fyysikko Hughesin lentokonelaboratoriossa.
Hänen ajatuksessaan säilytetään aurinkopurun edut siinä mielessä, että se ei vaadi polttoainetta aluksella ja että laserenergiaa ei hajallaan etäisyydeltä samalla tavalla kuin aurinkosäteilyä. Siten, vaikka laserpurje vie jonkin aikaa kiihtyä melkein valonopeudelle, sitä rajoittaa myöhemmin vain itse valon nopeus.
NASA: n Jet-propulsiolaboratorion pitkälle edenneeseen työntötutkimukseen johtajan Robert Frisbeen vuonna 2000 tekemän tutkimuksen mukaan laserpurje osuisi valon nopeuteen puolessa vuodessa alle kymmenessä vuodessa. Hän laski myös, että purje, jonka halkaisija on 320 km, voisi saavuttaa Proxima Centaurin 12 vuodessa. Samaan aikaan halkaisijaltaan 965 kilometrin purje saapuu vain 9 vuodessa.
Tällainen purje on kuitenkin rakennettava edistyneistä komposiittimateriaaleista sulamisen välttämiseksi. Mikä on erityisen vaikeaa purjeen koon vuoksi. Hinta on vielä huonompi. Frisbeen mukaan laserit tarvitsevat tasaisen 17 000 terawatin virran virran - suunnilleen kuinka paljon koko maailma kuluttaa yhdessä päivässä.
Antimateriaalimoottori
Tieteiskirjailun ystävät tietävät hyvin, mikä on antimateria. Mutta jos unohdat, antimateria on aine, joka koostuu hiukkasista, joilla on sama massa kuin tavallisilla hiukkasilla, mutta vastakkaisella varauksella. Antimateriaalimoottori on hypoteettinen moottori, joka luottaa aineen ja antimaterian vuorovaikutukseen energian tuottamiseksi tai työntövoiman luomiseksi.
Lyhyesti sanottuna, antimateriaalimoottori käyttää vety- ja antivetyhiukkasia, jotka törmäävät toisiinsa. Tuhoamisprosessissa vapautuva energia on tilavuudeltaan verrattavissa lämpöydinpommin räjähdyksen energiaan, johon liittyy alaatomisten hiukkasten - pionien ja kuonojen virta. Nämä hiukkaset, jotka kulkevat kolmanneksella valon nopeudesta, ohjataan magneettiseen suuttimeen ja muodostavat työntövoiman.
Tämän luokan rakettien etuna on, että suurin osa aineen / antimateriaaliseoksen massasta voidaan muuntaa energiaksi, mikä tarjoaa suuren energiatiheyden ja ominaisimpulssin, joka on parempi kuin mikä tahansa muu rakettia. Lisäksi tuhoamisreaktio voi kiihdyttää raketin puoleen valon nopeudesta.
Tämä ohjusluokka on nopein ja energiatehokkain mahdollinen (tai mahdoton, mutta ehdotettu). Jos tavanomaiset kemialliset raketit vaativat tonnia polttoainetta kuljettamaan avaruusalusta määränpäähänsä, antimateriaalimoottori tekee saman työn käyttämällä muutamaa milligrammaa polttoainetta. Puoli kilogramman vety- ja antivetyhiukkasten keskinäinen tuhoaminen vapauttaa enemmän energiaa kuin 10-megatoninen vetypommi.
Juuri tästä syystä NASA: n Advanced Concepts Institute tutkii tätä tekniikkaa mahdollisesti tulevia Mars-operaatioita varten. Valitettavasti, kun tarkastellaan matkoja läheisiin tähtijärjestelmiin, tarvittava polttoaineen määrä kasvaa räjähdysmäisesti, ja kustannuksista tulee tähtitieteellisiä (ja tämä ei ole kiusata).
39. AIAA / ASME / SAE / ASEE-yhteispropulsiokonferenssille ja -näyttelylle laaditun raportin mukaan kaksivaiheinen antimateriaraketti vaatii yli 815 000 tonnia polttoainetta päästäkseen Proxima Centauriin 40 vuodessa. Se on suhteellisen nopea. Mutta hinta …
Vaikka yksi gramma antimateriaa tuottaa uskomattoman määrän energiaa, yksin gramman tuottaminen vaatisi 25 miljoonaa miljardia kilowattituntia energiaa ja olisi biljoonaa dollaria. Tällä hetkellä ihmisen luomaa antimateriaalia on vähemmän kuin 20 nanogrammaa.
Ja vaikka voisimme tuottaa antimateriaalia halvalla, tarvitsisimme massiivisen aluksen, joka mahtuisi tarvittavaan määrään polttoainetta. Arizonassa sijaitsevan Embry-Riddle Aviation Universityn tutkijoiden, Darrell Smithin ja Jonathan Webbin raportin mukaan antimateriaalilla toimiva tähtienvälinen alus pystyi ottamaan vastaan 0,5 valonopeuden ja saavuttamaan Proxima Centaurin hieman yli 8 vuodessa. Laiva itse painaa kuitenkin 400 tonnia ja vaatisi 170 tonnia antimateriaa polttoainetta.
Mahdollinen tapa kiertää tämä on luoda alus, joka luo antimaterian ja käyttää sitä sitten polttoaineena. Tämän konseptin, joka tunnetaan nimellä Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), ehdotti Richard Obausi Icarus Interstellarista. Perustuen ajatukseen jälleenkäsittelystä paikan päällä, VARIES käyttäisi suuria lasereita (powered by valtavat aurinkopaneelit) luodakseen antimateriaalihiukkasia tyhjennettäessä tyhjään tilaan.
Samoin kuin lämpöydinmallimoottorilla varustettu konsepti, tämä ehdotus ratkaisee polttoaineen kuljetusongelman poistamalla se suoraan avaruudesta. Mutta jälleen kerran, tällaisen aluksen kustannukset ovat erittäin korkeat, jos ne rakennetaan nykyaikaisilla menetelmillä. Emme yksinkertaisesti pysty luomaan antimateriaa laajassa mittakaavassa. Säteilyongelmaan on myös puututtava, koska aineen ja antimaterian tuhoaminen tuottaa korkeaenergisten gammasäteiden purskeita.
Ne eivät aiheuta vaaraa miehistölle, vaan myös moottorille, joten ne eivät hajota subatomisiin hiukkasiin kaiken tämän säteilyn vaikutuksesta. Lyhyesti sanottuna, antimateriaalimoottori on täysin epäkäytännöllinen nykyisen tekniikkamme kanssa.
Alcubierre-loimilaite
Tieteiskirjailijat ovat epäilemättä perehtyneet loimilaitteen (tai Alcubierre-aseman) käsitteeseen. Meksikolaisen fyysikon Miguel Alcubierren vuonna 1994 ehdottama ajatus oli yritys kuvitella hetkellinen liikkuminen avaruudessa rikkomatta Einsteinin erityistä suhteellisuusteoriaa. Lyhyesti sanottuna tämä käsite käsittää avaruusajan kankaan venyttämisen aaltoksi, mikä teoriassa aiheuttaisi esineen edessä olevan tilan supistumisen ja sen takana olevan avaruuden.
Tämän aallon sisällä oleva esine (laivamme) pystyy ajamaan tällä aallolla ollessaan "loimikuplissa" nopeudella, joka on paljon suurempi kuin relativistinen. Koska alus ei liiku itse kuplassa, vaan kuljettaa sitä, suhteellisuussääntöjä ja avaruus-aikaa koskevia lakeja ei rikota. Itse asiassa tämä menetelmä ei sisällä liikettä nopeammin kuin valon nopeus paikallisessa merkityksessä.
Se on "valoa nopeampi" vain siinä mielessä, että alus pääsee määränpäähänsä nopeammin kuin loimukuplan ulkopuolella kulkeva valonsäde. Jos oletetaan, että avaruusalus varustetaan Alcubierre-järjestelmällä, se saavuttaa Proxima Centaurin alle 4 vuodessa. Siksi, jos puhumme teoreettisesta tähteidenvälisestä avaruusmatkustamisesta, tämä on nopeuden kannalta ylivoimaisesti lupaavin tekniikka.
Koko käsite on tietysti erittäin kiistanalainen. Väitteitä esimerkiksi ovat, että siinä ei oteta huomioon kvanttimekaniikkaa ja että se voidaan kumota teoriassa kaikesta (kuten silmukan kvanttipaino). Tarvittavan määrän energiaa koskevat laskelmat osoittivat myös, että loimilaite olisi kohtuuttoman huono. Muita epävarmuustekijöitä ovat tällaisen järjestelmän turvallisuus, avaruus-aika-vaikutukset määräpaikassa ja syy-yhteyden rikkomukset.
NASA-tutkija Harold White kertoi kuitenkin vuonna 2012, että hän ja hänen kollegansa alkoivat tutkia mahdollisuutta luoda Alcubierre-moottori. White ilmoitti, että he ovat rakentaneet interferometrin, joka havaitsee Alcubierre-metrin avaruusajan laajenemisen ja supistumisen aiheuttamat alueelliset vääristymät.
Vuonna 2013 Jet Propulsion Laboratory julkaisi tyhjiöolosuhteissa suoritettujen loimikenttäkokeiden tulokset. Valitettavasti tuloksia pidettiin vakuuttamattomina. Pitkällä tähtäimellä saatamme huomata, että Alcubierre-mittari rikkoo yhtä tai useampaa luonnonlakia. Ja vaikka sen fysiikka osoittautuisi oikeaksi, ei ole mitään takeita siitä, että Alcubierre-järjestelmää voidaan käyttää lentoon.
Yleensä kaikki on kuten tavallista: olet syntynyt liian aikaisin matkustaaksesi lähimpään tähtiin. Siitä huolimatta, että jos ihmiskunta tuntee tarpeen rakentaa "tähtienvälinen arkki", joka pitää sisällään itsensä ylläpitävän ihmisyhteiskunnan, Proxima Centauriin kuluu sata vuotta. Jos tietysti haluamme investoida tällaiseen tapahtumaan.
Ajan suhteen kaikki käytettävissä olevat menetelmät vaikuttavat erittäin rajallisilta. Ja jos vietämme satoja tuhansia vuosia matkalla lähimpään tähtiin, meillä saattaa olla vähän kiinnostusta, kun omat selviytymisemme ovat vaarassa, kun avaruustekniikka kehittyy, menetelmät ovat erittäin epäkäytännöllisiä. Siihen mennessä, kun arkimme saavuttaa lähimmän tähden, sen tekniikat vanhentuvat, eikä itse ihmiskuntaa enää voi olla.
Joten ellemme tee suurta läpimurtoa fuusio-, antimateriaali- tai laserteknologiassa, me tyytyväisiä tutkimaan omaa aurinkokuntamme.
Perustuu Universe Today -materiaaliin
- Osa 1 -