- Del 1 -
Hvis du bruger eksisterende teknologi, vil det tage meget, meget lang tid at sende forskere og astronauter på en interstellar mission. Rejsen vil være smertelig lang (selv efter kosmiske standarder). Hvis vi ønsker at foretage en sådan rejse i mindst et liv, vel eller en generation, har vi brug for mere radikale (læse: rent teoretiske) foranstaltninger. Og hvis ormehuller og underrumsmotorer er helt fantastiske i øjeblikket, har der været andre ideer i mange år, som vi tror på.
Atom kraftværk
Et atomkraftværk er en teoretisk mulig "motor" til hurtig rumfart. Konceptet blev oprindeligt foreslået af Stanislav Ulam i 1946, en polsk-amerikansk matematiker, der deltog i Manhattan-projektet, og de foreløbige beregninger blev foretaget af F. Reines og Ulam i 1947. Orion-projektet blev lanceret i 1958 og eksisterede indtil 1963.
Under ledelse af Ted Taylor fra General Atomics og fysiker Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study i Princeton, ville Orion udnytte kraften fra pulserede atomeksplosioner til at levere enorme drivkraft med meget høj specifik impuls.
Salgsfremmende video:
I et nøddeskal inkluderer Project Orion et stort rumfartøj, der henter hastigheden ved at understøtte termonukleare krigshoveder, kaste bomber bagefter og accelerere ved en eksplosionsbølge, der kører ind i en bagmonteret skubbe, et propelpanel. Efter hvert tryk absorberes eksplosionskraften af dette panel og konverteres til fremadgående bevægelse.
Selvom dette design næppe er elegant efter moderne standarder, er fordelen ved konceptet, at det giver et højt specifikt skub - det vil sige, det udtrækker den maksimale mængde energi fra en brændstofskilde (i dette tilfælde atombomber) til minimale omkostninger. Derudover kan dette koncept teoretisk accelerere meget høje hastigheder, ifølge nogle skøn, op til 5% af lysets hastighed (5,4 x 107 km / t).
Dette projekt har naturligvis uundgåelige ulemper. På den ene side ville et skib af denne størrelse være ekstremt dyrt at bygge. I 1968 vurderede Dyson, at rumfartøjet Orion, drevet af brintbomber, ville veje mellem 400.000 og 4.000.000 tons. Og mindst tre fjerdedele af denne vægt kommer fra atombomber, der hver vejer ca. et ton.
Dysons konservative estimat viste, at de samlede omkostninger til bygning af Orion ville have været $ 367 milliarder. Justeret for inflation er dette beløb $ 2,5 billioner, hvilket er ganske meget. Selv med de mest konservative estimater vil enheden være ekstremt dyr at fremstille.
Der er også et lille stråleproblem, som det vil udsende, for ikke at nævne atomaffald. Det antages, at det var af denne grund, at projektet blev aflyst under den delvise testforbudstraktat fra 1963, da verdensregeringer forsøgte at begrænse atomprøvning og stoppe den overdrevne frigivelse af radioaktivt nedfald i planetens atmosfære.
Kernefusionsraketter
En anden mulighed for at bruge kerneenergi er termonukleare reaktioner til generering af drivkraft. Under dette koncept skal der skabes energi ved inertial indeslutning, der antænder pellets af en blanding af deuterium og helium-3 i et reaktionskammer ved hjælp af elektronstråler (svarende til hvad der gøres ved National Ignition Complex i Californien). En sådan fusionsreaktor ville detonere 250 pellets pr. Sekund og skabe et højenergiplasma, der derefter omdirigeres til en dyse og skabe tryk.
Ligesom en raket, der er afhængig af en atomreaktor, har dette koncept fordele med hensyn til brændstofeffektivitet og specifik impuls. Den estimerede hastighed bør nå 10.600 km / t, langt over hastighedsgrænser for konventionelle raketter. Desuden er denne teknologi undersøgt omfattende i løbet af de sidste årtier, og der er fremsat mange forslag.
Mellem 1973 og 1978 foretog det britiske interplanetære selskab en gennemførlighedsundersøgelse for Project Daedalus. På baggrund af moderne viden og teknologi om termonuklear fusion opfordrede forskere til opførelsen af en to-trins ubemandet videnskabelig sonde, der kunne nå Barnards Stjerne (5,9 lysår fra Jorden) over en menneskelig levetid.
Den første fase, den største af de to, ville køre i 2,05 år og fremskynde fartøjet til 7,1% lysets hastighed. Derefter kasseres dette trin, det andet antændes, og apparatet accelererer til 12% af lysets hastighed på 1,8 år. Derefter slukkes motoren i anden fase, og skibet har flyvet i 46 år.
Projekt Daedalus anslår, at det vil tage mission 50 år at nå Barnards Stjerne. Hvis til Proxima Centauri, vil det samme skib nå inden for 36 år. Men selvfølgelig inkluderer projektet en masse uafklarede problemer, især uopløselige ved brug af moderne teknologier - og de fleste af dem er endnu ikke løst.
For eksempel er der praktisk talt ingen helium-3 på Jorden, hvilket betyder, at det skal udvindes andetsteds (mest sandsynligt på Månen). For det andet kræver reaktionen, der driver fartøjet, at den udsendte energi er meget større end energien, der bruges til at udløse reaktionen. Og selvom eksperimenter på Jorden allerede har overgået "break-even point", er vi stadig langt fra den mængde energi, der kan drive et interstellært køretøj.
For det tredje er der stadig spørgsmålet om omkostningerne ved et sådant fartøj. Selv ved de beskedne standarder for et ubemandet køretøj fra Project Daedalus ville et fuldt udstyret køretøj veje 60.000 tons. Bare så du ved, bruttovægten af NASA SLS er lidt over 30 tons, og alene lanceringen vil koste 5 milliarder dollars (2013 estimater).
Kort sagt, en fusionsraket vil ikke kun være for dyr at bygge, men den vil også kræve et fusionsreaktorniveau langt ud over vores evner. Icarus Interstellar, en international organisation af civile forskere (hvoraf nogle har arbejdet for NASA eller ESA) forsøger at genoplive konceptet med Project Icarus. Gruppen, der blev mødt i 2009, håber at gøre fusionsbevægelsen (og andre) mulig i en overskuelig fremtid.
Termonukleær ramjet
Også kendt som Bussard ramjet, blev motoren først foreslået af fysiker Robert Bussard i 1960. I sin kerne er det en forbedring af den standard termonukleare raket, der bruger magnetiske felter til at komprimere brintbrændstof til fusionspunktet. Men i tilfælde af en ramjet-motor suger en enorm elektromagnetisk tragt brint fra det interstellare medium og hælder det i reaktoren som brændstof.
Når køretøjet henter hastigheden, kommer den reaktive masse ind i det begrænsende magnetfelt, som komprimerer det, før fusionen begynder. Magnetfeltet leder derefter energi ind i raketdysen og accelererer skibet. Da ingen brændstoftanke bremser det, kan en termonuklear ramjet nå hastigheder i størrelsesordenen 4% lys og gå hvor som helst i galaksen.
Ikke desto mindre har denne mission mange mulige ulemper. For eksempel problemet med friktion. Rumfartøjet er afhængig af høje brændstofopsamlingshastigheder, men det vil også kollidere med store mængder interstellært brint og miste hastigheden - især i tætte områder af galaksen. For det andet er der ikke meget deuterium og tritium (som bruges i reaktorer på Jorden) i rummet, og syntesen af almindeligt brint, der er rigeligt i rummet, er stadig uden for vores kontrol.
Imidlertid er science fiction vokset til at elske dette koncept. Det mest berømte eksempel er måske Star Trek-franchisen, der bruger Bussard Collectors. I virkeligheden er vores forståelse af fusionsreaktorer næsten ikke så perfekt, som vi ønsker.
Lasersegl
Solsejl har længe været betragtet som en effektiv måde at erobre solsystemet. Ud over at være relativt enkle og billige at fremstille har de et stort plus: de har ikke brug for brændstof. I stedet for at bruge raketter, der har brug for brændstof, bruger sejlet trykket fra strålingen fra stjernerne til at fremdrive ultratynde spejle til høje hastigheder.
I tilfælde af en interstellar flyvning skulle et sådant sejl imidlertid fremdrives med fokuserede stråler af energi (laser eller mikrobølger) for at accelerere til nær lyshastighed. Konceptet blev første gang foreslået af Robert Forward i 1984, en fysiker ved Hughes Aircraft Laboratory.
Hans idé beholder fordelene ved et solsejl ved, at det ikke kræver brændstof om bord, og også at laserenergi ikke er spredt over en afstand på samme måde som solstråling. Selvom laserseglet vil tage nogen tid at accelerere til nær lyshastighed, vil det efterfølgende kun være begrænset af selve lysets hastighed.
Ifølge en 2000-undersøgelse af Robert Frisbee, direktør for avanceret fremdriftsforskning ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, ville et lasersegl ramme halvdelen af lysets hastighed på mindre end ti år. Han beregnet også, at et sejl med en diameter på 320 kilometer kunne nå Proxima Centauri på 12 år. I mellemtiden ankommer et sejl på 965 kilometer i diameter på blot 9 år.
Imidlertid skal et sådant sejl bygges af avancerede kompositmaterialer for at undgå smeltning. Hvilket vil være særlig vanskeligt i betragtning af sejlets størrelse. Omkostningerne er endnu værre. Ifølge Frisbee har lasere brug for en stabil strøm på 17.000 terawatts energi - omtrent hvor meget hele verden forbruger på en dag.
Antimattermotor
Science-fictionelskere er godt klar over, hvad antimaterie er. Men hvis du har glemt, er antimaterie et stof, der består af partikler, der har samme masse som almindelige partikler, men med den modsatte ladning. En antimattermotor er en hypotetisk motor, der er afhængig af interaktioner mellem stof og antimaterie for at generere energi eller skabe tryk.
Kort sagt bruger en antimattermotor partikler af brint og antihydrogen, der kolliderer med hinanden. Energien, der frigives i udslettelsesprocessen, kan sammenlignes i volumen med energien i eksplosionen af en termonuklear bombe ledsaget af en strøm af subatomære partikler - pioner og muoner. Disse partikler, der bevæger sig med en tredjedel af lysets hastighed, omdirigeres til den magnetiske dyse og genererer tryk.
Fordelen ved denne klasse af raketter er, at størstedelen af massen af stoffet / antimaterieblandingen kan omdannes til energi, hvilket giver en høj energitetthed og specifik impuls, der er bedre end enhver anden raket. Desuden kan udslettelsesreaktionen fremskynde raketten til halve lysets hastighed.
Denne klasse af missiler vil være den hurtigste og mest energieffektive muligt (eller umulig, men foreslået). Hvis konventionelle kemiske raketter kræver tonsvis af brændstof for at drive et rumfartøj til sin destination, vil en antimattermotor udføre det samme job ved hjælp af et par milligram brændstof. Gensidig ødelæggelse af et halvt kilogram brint og antihydrogenpartikler frigiver mere energi end en 10-megaton brintbombe.
Det er af denne grund, at NASAs Advanced Concepts Institute undersøger denne teknologi som muligt for fremtidige missioner til Mars. Desværre, når man ser på missioner til nærliggende stjernesystemer, vokser den nødvendige mængde brændstof eksponentielt, og omkostningerne bliver astronomiske (og dette er ikke en ordspill).
Ifølge en rapport udarbejdet til den 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE fælles fremdriftskonference og udstilling, kræver en totrinns antimaterielraket mere end 815.000 tons brændstof for at nå Proxima Centauri på 40 år. Det er relativt hurtigt. Men prisen …
Selvom et gram antimaterie producerer en utrolig mængde energi, ville det at producere et gram alene kræve 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og ville beløbe sig til en billion dollars. I øjeblikket er den samlede mængde antimaterie, der er skabt af mennesker, mindre end 20 nanogram.
Og selv hvis vi kunne producere antimaterie billigt, ville vi have brug for et massivt skib, der kunne indeholde den krævede mængde brændstof. Ifølge en rapport fra Dr. Darrell Smith og Jonathan Webby fra Embry-Riddle Aviation University i Arizona, kunne et antimateraldrevet interstellært skib afhente 0,5 lyshastighed og nå Proxima Centauri på lidt over 8 år. Dog skibet selv vejer 400 tons og ville kræve 170 ton antimateralt brændstof.
En mulig måde omkring dette er at skabe et kar, der vil skabe antimaterie og derefter bruge det som brændstof. Dette koncept, kendt som Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), blev foreslået af Richard Obausi fra Icarus Interstellar. Med udgangspunkt i ideen om oparbejdning på stedet ville VARIES bruge store lasere (drevet af store solcellepaneler) til at skabe antimaterielle partikler, når de fyres ind i tomt rum.
I lighed med konceptet med en termonuklear ramjet-motor løser dette forslag problemet med transport af brændstof ved at udtrække det direkte fra rummet. Men igen vil omkostningerne ved et sådant skib være ekstremt høje, hvis de bygges med vores moderne metoder. Vi kan simpelthen ikke skabe antimaterie i massiv skala. Strålingsproblemet skal også løses, da ødelæggelse af stof og antimaterie frembringer brister af høj-energi gammastråler.
De udgør ikke kun en fare for besætningen, men også for motoren, så de ikke falder fra hinanden i subatomære partikler under påvirkning af al denne stråling. Kort sagt, en antimattermotor er fuldstændig upraktisk med vores nuværende teknologi.
Alcubierre Warp Drive
Science-fictionelskere er uden tvivl fortrolige med begrebet warp-drev (eller Alcubierre-drevet). Denne idé blev foreslået af den mexicanske fysiker Miguel Alcubierre i 1994 og var et forsøg på at forestille sig øjeblikkelig bevægelse i rummet uden at krænke Einsteins specielle relativitetsteori. Kort sagt involverer dette koncept strækning af rumtidsstoffet i en bølge, som teoretisk set ville få rummet foran objektet til at trække sig sammen og bag det udvide.
Et objekt inde i denne bølge (vores skib) vil være i stand til at ride på denne bølge, idet han befinder sig i en "varpboble", i en hastighed, der er meget højere end den relativistiske. Da skibet ikke bevæger sig i selve boblen, men bæres af det, overtrædes ikke relativitetslovene og rumtiden. Faktisk involverer denne metode ikke bevægelse hurtigere end lysets hastighed i lokal forstand.
Det er "hurtigere end lys" kun i den forstand, at skibet kan nå sin destination hurtigere end en lysstråle, der rejser uden for varpeboblen. Antages, at rumfartøjet er udstyret med Alcubierre-systemet, når det Proxima Centauri på mindre end 4 år. Derfor, hvis vi taler om teoretisk interstellar rumrejser, er dette langt den mest lovende teknologi med hensyn til hastighed.
Naturligvis er hele dette koncept ekstremt kontroversielt. Argumenter mod for eksempel inkluderer, at det ikke tager kvantemekanik i betragtning og kan tilbagevises ved en teori om alting (som løkke kvantetyngdekraft). Beregninger af den krævede mængde energi viste også, at varpdrevet ville være uoverkommeligt glupskt. Andre usikkerheder inkluderer sikkerheden ved et sådant system, plads-tidseffekter på destinationen og overtrædelser af årsagssammenhæng.
I 2012 sagde NASA-forsker Harold White imidlertid, at han og hans kolleger begyndte at undersøge muligheden for at oprette Alcubierre-motoren. White oplyste, at de har bygget et interferometer, der vil fange de rumlige forvrængninger, der er produceret ved udvidelse og sammentrækning af rumtiden for Alcubierre-metrikken.
I 2013 offentliggjorde Jet Propulsion Laboratory resultaterne af warp field tests, der blev udført under vakuumforhold. Desværre blev resultaterne betragtet som”uomstrækkelige”. På lang sigt kan vi opleve, at Alcubierre-metrikken er i strid med en eller flere grundlæggende naturlover. Og selv hvis dens fysik viser sig at være korrekt, er der ingen garanti for, at Alcubierre-systemet kan bruges til flyvning.
Generelt er alt som sædvanligt: Du blev født for tidligt til at rejse til den nærmeste stjerne. Ikke desto mindre, hvis menneskeheden føler behov for at bygge en "interstellar ark", der vil rumme et selvbærende menneskeligt samfund, vil det tage hundrede år at komme til Proxima Centauri. Hvis vi selvfølgelig ønsker at investere i en sådan begivenhed.
Med hensyn til tid virker alle de tilgængelige metoder yderst begrænsede. Og hvis vi bruger hundreder af tusinder af år på at rejse til den nærmeste stjerne, kan vi være af lille interesse, når vores egen overlevelse står på spil, når rumteknologien skrider frem, vil metoderne forblive ekstremt upraktiske. Når vores ark når den nærmeste stjerne, bliver dens teknologier forældede, og menneskeheden i sig selv eksisterer muligvis ikke længere.
Så medmindre vi laver et stort gennembrud inden for fusion, antimaterie eller laserteknologi, vil vi være tilfredse med at udforske vores eget solsystem.
Baseret på materialer fra Universe Today
- Del 1 -
