- Del 1 -
Hvis du bruker eksisterende teknologi, vil det ta veldig, veldig lang tid å sende forskere og astronauter på et interstellært oppdrag. Reisen vil være smertefull lang (selv etter kosmiske standarder). Hvis vi ønsker å gjøre en slik reise i minst ett liv, vel, eller en generasjon, trenger vi mer radikale (les: rent teoretiske) tiltak. Og hvis ormehull og delområdemotorer er helt fantastiske for øyeblikket, har det vært andre ideer i mange år som vi tror på.
Atomkraftverk
Et kjernekraftverk er en teoretisk mulig "motor" for rask romfart. Konseptet ble opprinnelig foreslått av Stanislav Ulam i 1946, en polsk-amerikansk matematiker som deltok i Manhattan-prosjektet, og foreløpige beregninger ble foretatt av F. Reines og Ulam i 1947. Orion-prosjektet ble lansert i 1958 og eksisterte til 1963.
Under ledelse av Ted Taylor fra General Atomics og fysiker Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study ved Princeton, ville Orion utnytte kraften til pulserende atomeksplosjoner for å levere enormt drivkraft med veldig høy spesifikk impuls.
Salgsfremmende video:
I et nøtteskall inkluderer Project Orion et stort romfartøy som tar opp hastigheten ved å støtte termonukleære stridshoder, skyve bomber bak og akselerere mens en eksplosjonsbølge rømmer inn i en bakmontert pusher, et skyvepanel. Etter hvert trykk absorberes eksplosjonskraften av dette panelet og omdannes til bevegelse fremover.
Selv om denne designen neppe er elegant etter moderne standarder, er fordelen med konseptet at den gir en høy spesifikk skyvekraft - det vil si at den trekker ut den maksimale mengden energi fra en drivstoffkilde (i dette tilfellet atombomber) til en minimumskostnad. I tillegg kan dette konseptet teoretisk akselerere veldig høye hastigheter, ifølge noen estimater, opptil 5% av lysets hastighet (5,4 x 107 km / t).
Dette prosjektet har selvfølgelig uunngåelige ulemper. På den ene siden ville et skip av denne størrelsen være ekstremt dyrt å bygge. I 1968 anslår Dyson at romfartøyet Orion, drevet av hydrogenbomber, ville veie mellom 400 000 og 4 000 000 tonn. Og minst tre fjerdedeler av den vekten kommer fra atombomber, som hver veier omtrent ett tonn.
Dysons konservative anslag viste at de totale kostnadene for å bygge Orion ville ha vært 367 milliarder dollar. Justert for inflasjon er dette beløpet 2,5 billioner dollar, noe som er ganske mye. Selv med de mest konservative estimater, vil enheten være ekstremt dyr å produsere.
Det er også et lite stråleproblem som det vil avgi, for ikke å nevne atomavfall. Det antas at dette er grunnen til at prosjektet ble avlyst under den delvise testforbudstraktaten fra 1963, da verdensregjeringer prøvde å begrense kjernefysisk testing og stoppe overdreven frigjøring av radioaktivt nedfall i planetens atmosfære.
Kjernefusjonsraketter
En annen mulighet for å bruke atomkraft er termonukleære reaksjoner for å generere skyvekraft. I dette konseptet må energi skapes ved treghetsinnesperring som tenner pellets av en blanding av deuterium og helium-3 i et reaksjonskammer ved bruk av elektronstråler (tilsvarende det som gjøres ved National Ignition Complex i California). En slik fusjonsreaktor ville detonere 250 pellets per sekund, og danne et høyeenergi-plasma, som deretter ville bli omdirigert til en dyse, og skapt skyvekraft.
Som en rakett som er avhengig av en atomreaktor, har dette konseptet fordeler når det gjelder drivstoffeffektivitet og spesifikk impuls. Den estimerte hastigheten bør nå 10.600 km / t, godt over fartsgrensene for konvensjonelle raketter. Dessuten har denne teknologien blitt grundig studert i løpet av de siste tiårene, og mange forslag har blitt fremsatt.
Mellom 1973 og 1978 gjennomførte British Interplanetary Society for eksempel en mulighetsstudie for Project Daedalus. På grunn av moderne kunnskap og teknologi om termonukleær fusjon ba forskere om bygging av en to-trinns ubemannet vitenskapelig sonde som kunne nå Barnards Stjerne (5,9 lysår fra Jorden) i løpet av et menneskeliv.
Den første fasen, den største av de to, skulle løpe i 2,05 år og akselerere fartøyet til 7,1% lysets hastighet. Så kastes dette trinnet, det andre antennes, og apparatet akselererer til 12% av lysets hastighet på 1,8 år. Da er andre trinns motor slått av, og skipet har flydd i 46 år.
Prosjekt Daedalus anslår at det vil ta oppdraget 50 år å nå Barnards Stjerne. Hvis til Proxima Centauri, vil det samme skipet nå om 36 år. Men selvfølgelig inkluderer prosjektet mange uløste problemer, spesielt uløselige med bruk av moderne teknologier - og de fleste av dem er ennå ikke løst.
For eksempel er det praktisk talt ingen helium-3 på jorden, noe som betyr at den må brytes andre steder (mest sannsynlig på månen). For det andre krever reaksjonen som driver fartøyet at den utsendte energien er mye større enn energien som brukes til å utløse reaksjonen. Og selv om eksperimenter på jorden allerede har overgått "break-even point", er vi fremdeles langt fra mengden energi som kan drive et interstellært kjøretøy.
For det tredje gjenstår det spørsmålet om kostnadene for et slikt fartøy. Selv etter de beskjedne standardene for et ubemannet kjøretøy fra Project Daedalus, ville et fullt utstyrt kjøretøy veie 60.000 tonn. Bare slik du vet, bruttovekten til NASA SLS er litt over 30 tonn, og utskytningen alene vil koste 5 milliarder dollar (2013 estimater).
Kort sagt, en fusjonsrakett vil ikke bare være for dyr å bygge, men den vil også kreve et fusjonsreaktornivå langt utenfor våre evner. Icarus Interstellar, en internasjonal organisasjon av sivile forskere (noen av dem har jobbet for NASA eller ESA), prøver å gjenopplive konseptet med Project Icarus. Gruppen som ble samlet i 2009, håper å gjøre fusjonsbevegelsen (og andre) mulig i overskuelig fremtid.
Termonukleær ramjet
Også kjent som Bussard ramjet, ble motoren først foreslått av fysiker Robert Bussard i 1960. I kjernen er det en forbedring av den standard termonukleære raketten, som bruker magnetiske felt for å komprimere hydrogenbrensel til fusjonspunktet. Men når det gjelder en ramjet-motor, suger en enorm elektromagnetisk trakt opp hydrogen fra det interstellare mediet og hell det i reaktoren som drivstoff.
Når kjøretøyet henter hastighet, kommer den reaktive massen inn i det innesperrende magnetfeltet, som komprimerer det før fusjonen begynner. Magnetfeltet fører deretter energi inn i rakettdysen og akselererer skipet. Siden ingen drivstofftanker vil bremse den, kan en termonukleær ramjet nå hastigheter i størrelsesorden 4% lys og gå hvor som helst i galaksen.
Likevel har dette oppdraget mange mulige ulemper. For eksempel friksjonens problem. Romfartøyet er avhengig av høye drivstoffinnsamlingshastigheter, men det vil også kollidere med store mengder interstellært hydrogen og miste hastigheten - spesielt i tette regioner av galaksen. For det andre er det ikke mye deuterium og tritium (som brukes i reaktorer på jorden) i verdensrommet, og syntesen av vanlig hydrogen, som er rikelig i verdensrommet, er fortsatt utenfor vår kontroll.
Imidlertid har science fiction vokst til å elske dette konseptet. Det mest kjente eksemplet er kanskje Star Trek-franchisen, som bruker Bussard Collectors. I virkeligheten er vår forståelse av fusjonsreaktorer ikke i nærheten så perfekt som vi ønsker.
Lasersegl
Solseil har lenge vært ansett som en effektiv måte å erobre solsystemet. I tillegg til å være relativt enkle og billige å lage, har de et stort pluss: de trenger ikke drivstoff. I stedet for å bruke raketter som trenger drivstoff, bruker seilet trykket fra strålingen fra stjernene for å drive ultratynne speil til høye hastigheter.
I tilfelle av en interstellar flyging, må et slikt seil fremdrives av fokuserte energistråler (laser eller mikrobølger) for å akselerere til nær lyshastighet. Konseptet ble først foreslått av Robert Forward i 1984, en fysiker ved Hughes Aircraft Laboratory.
Ideen hans beholder fordelene ved et solseil ved at det ikke krever drivstoff om bord, og også at laserenergi ikke spres over en avstand på samme måte som solstråling. Mens laserseglet vil ta litt tid å akselerere til nær lyshastighet, vil det følgelig bare være begrenset av lysets hastighet.
Ifølge en studie fra 2000 av Robert Frisbee, direktør for avansert fremdriftsforskning ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, ville et lasersegl treffe halvparten av lysets hastighet på under ti år. Han beregnet også at et seil med en diameter på 320 kilometer kunne nå Proxima Centauri på 12 år. I mellomtiden vil et seil på 965 kilometer i diameter ankomme om bare 9 år.
Et slikt seil må imidlertid bygges av avanserte komposittmaterialer for å unngå smelting. Noe som vil være spesielt vanskelig gitt størrelsen på seilet. Kostnadene er enda verre. I følge Frisbee vil lasere trenge en jevn strøm på 17.000 terawatts energi - omtrent hvor mye hele verden bruker på en dag.
Antimattermotor
Science-fiction elskere er godt klar over hva antimateria er. Men hvis du har glemt, er antimaterie et stoff som består av partikler som har samme masse som vanlige partikler, men med motsatt ladning. En antimateriellmotor er en hypotetisk motor som er avhengig av samspill mellom materie og antimaterie for å generere energi, eller skape krefter.
Kort fortalt bruker en antimattermotor partikler av hydrogen og antihydrogen som kolliderer med hverandre. Energien som frigjøres i utslettingsprosessen kan sammenlignes i volum med energien til eksplosjonen av en termonukleær bombe ledsaget av en strøm av subatomære partikler - pioner og muoner. Disse partiklene, som beveger seg med en tredjedel av lysets hastighet, blir omdirigert til magnetdysen og genererer skyvekraft.
Fordelen med denne rakettklassen er at mesteparten av massen av stoffet / antimateriblandingen kan omdannes til energi, noe som gir en høy energitetthet og spesifikk impuls som er overlegen alle andre raketter. Dessuten kan utslettelsesreaksjonen akselerere raketten til halve lysets hastighet.
Denne klassen av missiler vil være den raskeste og mest energieffektive mulige (eller umulige, men foreslåtte). Hvis konvensjonelle kjemiske raketter krever tonn drivstoff for å drive et romfartøy til sin destinasjon, vil en antimattermotor gjøre den samme jobben ved å bruke noen få milligram drivstoff. Gjensidig ødeleggelse av et halvt kilo hydrogen og antihydrogenpartikler frigjør mer energi enn en 10-megaton hydrogenbombe.
Det er av denne grunn at NASAs Advanced Concepts Institute undersøker denne teknologien som mulig for fremtidige oppdrag til Mars. Dessverre, når vi ser på oppdrag til nærliggende stjernersystemer, vokser mengden drivstoff som trengs eksponentielt, og kostnadene blir astronomiske (og dette er ikke en ordspill).
I følge en rapport utarbeidet for den 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, vil en totrinns antimateriellrakett kreve mer enn 815 000 tonn drivstoff for å nå Proxima Centauri på 40 år. Det er relativt raskt. Men prisen …
Selv om ett gram antimaterie produserer utrolig mye energi, vil det å produsere ett gram alene kreve 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og ville utgjøre en billion dollar. For øyeblikket er den totale mengden antimaterie som er skapt av mennesker, mindre enn 20 nanogram.
Og selv om vi kunne produsere antimaterie billig, ville vi trenge et massivt skip som kan inneholde den nødvendige mengden drivstoff. I følge en rapport fra Dr. Darrell Smith og Jonathan Webby fra Embry-Riddle Aviation University i Arizona, kunne et antimaterielldrevet interstellarskip ta opp 0,5 lyshastighet og nå Proxima Centauri om litt over 8 år. Imidlertid ville skipet selv veie 400 tonn og ville kreve 170 tonn antimateriell drivstoff.
En mulig måte rundt dette er å lage et fartøy som vil skape antimaterie og deretter bruke det som drivstoff. Dette konseptet, kjent som Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), ble foreslått av Richard Obausi fra Icarus Interstellar. VARIES, som bygger på ideen om opparbeidelse på stedet, ville bruke store lasere (drevet av store solcellepaneler) for å lage antimateriellpartikler når de fyres ut i tomt rom.
I likhet med konseptet med en termonuklear ramjet-motor løser dette forslaget problemet med transport av drivstoff ved å trekke det direkte ut fra verdensrommet. Men igjen vil kostnadene for et slikt skip være ekstremt høye hvis det bygges med våre moderne metoder. Vi kan rett og slett ikke lage antimaterie i massiv skala. Strålingsproblemet må også løses, siden ødeleggelse av materie og antimaterie gir utbrudd av høyenergi-gammastråler.
De utgjør ikke bare en fare for mannskapet, men også for motoren, slik at de ikke faller fra hverandre i subatomære partikler under påvirkning av all denne strålingen. Kort sagt, en antimattermotor er fullstendig upraktisk med vår nåværende teknologi.
Alcubierre Warp Drive
Science-fiction elskere er uten tvil kjent med konseptet med warp drive (eller Alcubierre drive). Denne ideen ble foreslått av den meksikanske fysikeren Miguel Alcubierre i 1994, og var et forsøk på å forestille seg øyeblikkelig bevegelse i rommet uten å krenke Einsteins spesielle relativitetsteori. Kort sagt innebærer dette konseptet å strekke stoffet fra romtiden til en bølge, som i teorien vil føre til at rommet foran objektet trekker seg sammen og bak det utvides.
Et objekt inne i denne bølgen (skipet vårt) vil kunne sykle på denne bølgen, i en "varpboble", i en hastighet som er mye høyere enn den relativistiske. Siden skipet ikke beveger seg i selve boblen, men blir båret av det, vil ikke relativitetslovene og rom-tiden bli krenket. Denne metoden innebærer faktisk ikke bevegelse raskere enn lysets hastighet i lokal forstand.
Det er "raskere enn lys" bare i den forstand at skipet kan nå sin destinasjon raskere enn en lysstråle som reiser utenfor varpeboblen. Forutsatt at romskipet vil være utstyrt med Alcubierre-systemet, vil det nå Proxima Centauri om mindre enn fire år. Derfor, hvis vi snakker om teoretisk interstellar romfart, er dette den klart mest lovende teknologien når det gjelder hastighet.
Naturligvis er hele konseptet ekstremt kontroversielt. Argumenter mot for eksempel inkluderer at det ikke tar kvantemekanikk i betraktning og kan tilbakevises av en teori om alt (som sløyfekvantumtyngdekraft). Beregninger av den nødvendige mengden energi viste også at varpdrevet ville være uoverkommelig glupsk. Andre usikkerheter inkluderer sikkerheten til et slikt system, rom-tidseffekter på destinasjonen og kausalitetsbrudd.
I 2012 sa imidlertid NASA-forsker Harold White at han og kollegene begynte å undersøke muligheten for å lage Alcubierre-motoren. White uttalte at de har bygget et interferometer som vil fange opp de romlige forvrengningene som produseres ved utvidelse og sammentrekning av romtiden til Alcubierre-metrikken.
I 2013 publiserte Jet Propulsion Laboratory resultatene av varpfeltforsøk, som ble utført under vakuumforhold. Resultatene ble dessverre ansett for å være "usikre". På lang sikt kan vi oppleve at Alcubierre-metrikken bryter med en eller flere grunnleggende naturlover. Og selv om fysikken viser seg å være riktig, er det ingen garanti for at Alcubierre-systemet kan brukes til flyging.
Generelt sett er alt som vanlig: du ble født for tidlig til å reise til nærmeste stjerne. Likevel, hvis menneskeheten føler behov for å bygge en "interstellar ark" som vil huse et selvopprettholdende menneskelig samfunn, vil det ta hundre år å komme seg til Proxima Centauri. Hvis vi selvfølgelig ønsker å investere i et slikt arrangement.
Med tanke på tid virker alle tilgjengelige metoder ekstremt begrensede. Og hvis vi bruker hundretusenvis av år på å reise til nærmeste stjerne, kan vi være av liten interesse når vår egen overlevelse står på spill, ettersom romteknologien går fremover, vil metodene forbli ekstremt upraktiske. Når vår ark når den nærmeste stjernen, vil dens teknologier bli foreldet, og menneskeheten i seg selv kan ikke lenger eksistere.
Så med mindre vi gjør et stort gjennombrudd innen fusjon, antimateriell eller laserteknologi, vil vi være fornøyd med å utforske vårt eget solsystem.
Basert på materialer fra Universe Today
- Del 1 -
