Mindannyian feltettük ezt a kérdést életünk egy pontján: Mennyi ideig tart az utazás a csillagokig? Lehetséges, hogy az ember saját élete során, és ez a fajta utazás szokásossá válhat egyszer? Számos lehetséges válasz létezik erre a kérdésre – egyesek nagyon egyszerűek, mások a sci-fi birodalmában. Ám egy átfogó válasz megalkotása azt jelenti, hogy sok mindent figyelembe kell venni.
Sajnos minden reális értékelés valószínűleg olyan válaszokat ad, amelyek teljesen elriasztják a futuristák és a csillagközi utazások rajongóit. Akár tetszik, akár nem, a hely nagyon nagy, és a technológiánk még mindig nagyon korlátozott. De ha valaha is fontolgatnánk, hogy elhagyjuk a fészket, akkor számos lehetőségünk lesz arra, hogy elérjük galaxisunk legközelebbi naprendszerét.
A Földhöz legközelebbi csillag a mi Napunk, amely egy meglehetősen „átlagos” csillag a Földön Hertzsprung – Russell diagram „Fő szekvencia”. Ez azt jelenti, hogy rendkívül stabil, és éppen a megfelelő típusú napfénnyel látja el a Földet az élet kialakulásához bolygónkon. Tudjuk, hogy Naprendszerünk közelében bolygók keringenek más csillagok körül, és sok ilyen csillag hasonlít a miénkhez.
Több mint 2000 exobolygót azonosítottak, amelyek közül sokat lakhatónak tartanak. Hitel: phl.upl.edu
A jövőben, ha az emberiség el akarná hagyni a Naprendszert, hatalmas csillagválasztékunk lesz, amelyekhez eljuthatunk, és sokuknak megfelelő körülmények lesznek az élet virágzásához. De hova mennénk, és mennyi idő alatt érünk oda?
Ne feledje, ez mind spekuláció, és jelenleg nincs viszonyítási alap a csillagközi utazásokhoz. Ennek ellenére tessék!
Legközelebbi csillag:
Mint már említettük, Naprendszerünkhöz legközelebbi csillag a Proxima Centauri, ezért a legésszerűbb egy csillagközi küldetést először ehhez a rendszerhez tervezni. Az Alpha Centauri nevű hármas csillagrendszer részeként a Proxima körülbelül 4,24 fényévnyire (vagy 1,3 parszekre) van a Földtől. Alpha Centauri? a rendszer három csillaga közül a legfényesebb (egy 4,37 fényévre lévő bináris része), míg a Proxima Centauri egy elszigetelt vörös törpe.
És bár a csillagközi utazás a Fénynél gyorsabb (FTL) utazás mindenféle vízióját idézi elő, a vetemedési sebességtől a féreglyukaktól az ugrásokig, az ilyen elméletek vagy erősen spekulatívak (mint pl. Alcubierre Drive ) vagy teljes mértékben a sci-fi tartománya. Valószínűleg minden mélyűri küldetésnek több generáció kell ahhoz, hogy odaérjen, nem pedig néhány nap vagy egy pillanat alatt.
Tehát az űrutazás leglassabb formáitól kezdve mennyi ideig tart eljutni Proxima Centauriba?
Jelenlegi módszerek:
Az a kérdés, hogy mennyi ideig tart majd eljutni valahová az űrben, valamivel könnyebb, ha a Naprendszerünkben meglévő technológiával és testekkel foglalkozunk. Például annak a technológiának a használatával, amely a New Horizons küldetés – amely 16 tolómotorból állt, amelyeket hidrazin monohajtóanyaggal működtettek – eléri a Holdat mindössze 8 óra 35 percet vesz igénybe.
Másrészt ott van az Európai Űrügynökség (ESA) SMART-1 küldetés , amely az ionos meghajtás módszerével a Holdra utazott. Ezzel a forradalmi technológiával, amelynek egy változatát azóta a Dawn űrhajó A Vesta eléréséhez a SMART-1 küldetésnek egy év, egy hónap és két hét kellett ahhoz, hogy elérje a Holdat.
Tehát a gyors rakétahajtású űrhajótól a gazdaságos ionhajtásig van néhány lehetőségünk a helyi tér megkerülésére – ráadásul a Jupitert vagy a Szaturnuszt is használhatjuk egy erős gravitációs csúzlihoz. Ha azonban egy kicsit távolabbi helyre terveznénk küldetéseket, akkor fejlesztenünk kellene technológiánkat, és meg kellene vizsgálnunk, mi az, ami valóban lehetséges.
Amikor lehetséges módszerekről beszélünk, olyanokról beszélünk, amelyek meglévő technológiát tartalmaznak, vagy olyanokról, amelyek még nem léteznek, de műszakilag megvalósíthatók. Némelyik, amint látni fogja, már régóta bevált és bevált, míg mások már kialakulóban vannak, vagy még mindig a fórumon. Szinte minden esetben bemutatnak egy lehetséges (de rendkívül időigényes vagy költséges) forgatókönyvet a legközelebbi sztárok eléréséhez…
Ionos meghajtás:
Jelenleg a leglassabb meghajtási forma és a leginkább üzemanyag-takarékos az ionmotor. Néhány évtizeddel ezelőtt az ionos meghajtás a sci-fi témájának számított. Az utóbbi években azonban az ionmotorokat támogató technológia az elmélettől a gyakorlatig nagymértékben elmozdult. Az ESA SMART-1 küldetése például sikeresen befejezte a Holdra irányuló küldetését, miután 13 hónapos spirális utat tett meg a Földről.
A SMART-1 napenergiával működő ionhajtóműveket használt, ahol az elektromos energiát a napelemekből gyűjtötték be, és azt használták Hall-hatású tolómotorok . Mindössze 82 kg xenon hajtóanyagot használtak fel a SMART-1 Holdra szállításához. 1 kg xenon hajtóanyag 45 m/s delta-v-t biztosított. Ez a meghajtás rendkívül hatékony formája, de semmiképpen sem gyors.
Az egyik első küldetés, amely az ionhajtási technológiát alkalmazta, a Mélyűr 1küldetés a Borrelly üstökösre A DS1 xenonhajtású ionhajtást is használt, és 81,5 kg hajtóanyagot fogyasztott. Több mint 20 hónapos tolóerővel a DS1-nek sikerült elérnie az 56 000 km/órás (35 000 mérföld/óra) sebességet az üstökös melletti elrepülés során.
Az ionhajtóművek ezért gazdaságosabbak, mint a rakétatechnológia, mivel az egységnyi hajtóanyag tömegére jutó tolóerő (más néven fajlagos impulzus) sokkal nagyobb. De sok időbe telik, amíg az ionhajtóművek bármilyen nagy sebességre felgyorsítják az űrjárműveket, és az általuk elérhető maximális sebesség az üzemanyag-ellátástól és az elektromos energia termelésére alkalmas mennyiségtől függ.
A művész elképzelése a Ceres feletti Hajnal-küldetésről. Megérkezése óta az űrszonda megfordult, hogy ionmotorjának kék fényét az ellenkező irányba mutassa. A kép jóváírása: NASA/JPL
Tehát ha ionos meghajtást használnának a Proxima Centauriba irányuló küldetéshez, akkor a tolóhajtóműveknek hatalmas energiatermelési forrásra (azaz atomenergiára) és nagy mennyiségű hajtóanyagra lenne szükségük (bár még mindig kevesebbre, mint a hagyományos rakétákra). De abból a feltételezésből kiindulva, hogy 81,5 kg xenon hajtóanyag utánpótlása 56 000 km/órás maximális sebességet jelent, elvégezhető néhány számítás.
Röviden, 56 000 km/h maximális sebességnél,Mélyűr 1átvenné az irányítást81.000 évhogy bejárja a Föld és a Proxima Centauri közötti 4,24 fényévet. Ha ezt az időskálát perspektívába helyezzük, az több mint 2700 emberi nemzedéket jelent. Tehát nyugodtan kijelenthetjük, hogy egy bolygóközi ionmotoros küldetés túlságosan lassú lenne ahhoz, hogy egy emberes csillagközi küldetésnek tekintsék.
De ha az ionhajtóműveket nagyobbra és erősebbre tennék (azaz az ionkifúvás sebességének lényegesen nagyobbnak kellene lennie), és elegendő hajtóanyagot lehetne szállítani ahhoz, hogy az űrszonda a teljes 4,243 fényévnyi út során tovább működjön, ez az utazási idő jelentősen megnőhetne. csökkent. Még mindig nem elég ahhoz, hogy valaki életében megtörténjen.
Gravitációs asszisztens módszer:
Az űrutazás leggyorsabb létező eszköze a Gravity Assist módszer, amely egy űrhajót foglal magában, amely a bolygó relatív mozgását (azaz pályáját) és gravitációját használja az útvonal és a sebesség megváltoztatására. A gravitációs segédeszközök nagyon hasznos űrrepülési technika, különösen, ha a Földet vagy más hatalmas bolygót (például egy gázóriást) használjuk a sebesség növelésére.
Egy Helios szondát kapszuláznak az indításhoz. Hitel: Public Domain
Az Tengerész 10 Az űrhajó volt az első, amely ezt a módszert alkalmazta, és a Vénusz gravitációs vonzásával 1974 februárjában a Merkúr felé lökte azt. Az 1980-as években a Utazás 1 A szonda a Szaturnuszt és a Jupitert használta gravitációs csúzli készítésére, hogy elérje jelenlegi 60 000 km/órás (38 000 mérföld/órás) sebességét, és eljuthasson a csillagközi térbe.
Azonban ez volt a Helios 2 küldetés – amelyet 1976-ban indítottak a bolygóközi közeg tanulmányozására 0,3 AU-tól 1 AU-ig a Napig –, amely a gravitációs rásegítéssel elért legnagyobb sebesség rekordját tartja. Akkor,Helios 1(amely 1974-ben indult) ésHelios 2tartotta a Naphoz legközelebbi megközelítés rekordját.Helios 2egy hagyományos NASA Titan/Centaur hordozórakétával indították és erősen elliptikus pályára állították.
A szonda nappályájának nagy excentricitása (0,54) (190 nap) a perihéliumon,Helios 2több mint 240 000 km/óra (150 000 mérföld/óra) maximális sebességet tudott elérni – amit egyedül a Nap gravitációs vonzása ért el. Technikailag aHelios 2A perihélium sebessége nem gravitációs csúzli volt, hanem egy maximális keringési sebesség, de ettől függetlenül továbbra is a leggyorsabb ember alkotta objektum rekordját tartja.
Tehát, haUtazás 1állandó 60 000 km/órás sebességgel haladt a Proxima Centauri irányába, 76 000 évbe telne (több mint 2500 generáció). De ha el tudná érni a rekord sebességetHelios 2A Nap közeli közeledése – 240 000 km/h állandó sebesség – kellene19.000 év(vagy több mint 600 generáció), hogy 4243 fényévet utazzon. Lényegesen jobb, de még mindig nem a praktikusság terén.
A művész benyomása egy Crew Transfer Vehicle-ről (CTV), amely atomtermikus rakétahajtóműveit lelassítja és a Mars körüli pályára állítja. Köszönetnyilvánítás: NASA
Nukleáris termikus/nukleáris elektromos meghajtás (NTP/NEP):
Egy másik lehetőség a csillagközi űrrepülésre a következővel felszerelt űrhajók alkalmazása atommotorok , ezt a koncepciót a NASA évtizedek óta kutatja. A Nuclear Thermal Propulsion (NTP) rakétákban urán- vagy deutériumreakciókat használnak a folyékony hidrogén felmelegítésére a reaktoron belül, ionizált hidrogéngázzá (plazmává) alakítva, amelyet azután egy rakétafúvókán keresztül vezetnek át tolóerő generálására.
A Nuclear Electric Propulsion (NEP) rakéta ugyanazt az alapreaktort foglalja magában, amely hőjét és energiáját elektromos energiává alakítja, amely aztán egy elektromos hajtóművet hajtana meg. A rakéta mindkét esetben maghasadásra vagy fúzióra támaszkodik, hogy hajtóanyagot generáljon, nem pedig kémiai hajtóanyagot, amely a NASA és az összes többi űrügynökség eddigi támasza volt.
A kémiai meghajtáshoz képest mind az NTP, mind a NEC számos előnnyel jár. Az első és legnyilvánvalóbb az a gyakorlatilag korlátlan energiasűrűség, amelyet a rakéta-üzemanyaghoz képest kínál. Ezenkívül egy nukleáris meghajtású motor a felhasznált hajtóanyag mennyiségéhez képest is jobb tolóerőt biztosíthat. Ez csökkentené a szükséges hajtóanyag teljes mennyiségét, csökkentve ezzel az indító tömeget és az egyes küldetések költségeit.
Bár soha nem repült atomtermikus motor, az elmúlt néhány évtizedben számos tervezési koncepciót építettek és teszteltek, és számos koncepciót javasoltak. Ezek a hagyományos szilárd magos kialakítástól kezdve – mint például a Atommotor rakétajárművekhez (NERVA) – fejlettebb és hatékonyabb koncepciókra, amelyek akár folyadék-, akár gázmagra támaszkodnak.
Az üzemanyag-hatékonyság és a fajlagos impulzus előnyei ellenére azonban a legkifinomultabb NTP-koncepció maximális fajlagos impulzusa 5000 másodperc (50 kN·s/kg). A NASA tudósai úgy becsülik, hogy hasadás vagy fúzió által hajtott nukleáris motorok felhasználásához csak egy űrhajóra lenne szükség 90 nap a Marsra jutásig amikor a bolygó „ellenállásban” volt – vagyis 55 000 000 km-re a Földtől.
De a Proxima Centauriba tartó egyirányú utazáshoz igazítva egy nukleáris rakétának még évszázadok kellenek ahhoz, hogy elérjék a fénysebesség töredékét. Ezután több évtizedes utazási időre lenne szükség, amit még sok évszázados lassítás követne, mielőtt célba érne. Mindent egybevetve még mindig beszélünk1000 évmielőtt célba ér. Bolygóközi küldetésekre jó, csillagközi küldetésekre nem.
Elméleti módszerek:
A meglévő technológiát használva a tudósok és űrhajósok csillagközi küldetésre való küldése rendkívül lassú lenne. Ha egyetlen életen, vagy akár egy generáción belül meg akarjuk tenni ezt az utat, akkor valami radikálisabb (más néven erősen elméleti) dologra lesz szükség. És bár a féreglyukak és az ugrómotorok még mindig csak fikció lehet, van néhány meglehetősen fejlett ötlet, amelyet az évek során figyelembe vettek.
Nukleáris impulzushajtás:
A nukleáris impulzushajtás a gyors űrutazás elméletileg lehetséges formája. A koncepciót eredetileg 1946-ban Stanislaw Ulam lengyel-amerikai matematikus javasolta, aki részt vett a Manhattan Projectben, majd az előzetes számításokat F. Reines és Ulam végezte 1947-ben. A tényleges projektet – az ún. Orion projekt – 1958-ban indult és 1963-ig tartott.
Ted Taylor (General Atomics) és Freeman Dyson fizikus, a Princeton-i Institute for Advanced Study munkatársa vezetésével az Orion azt remélte, hogy az impulzusos nukleáris robbanások erejét kihasználva hatalmas tolóerőt biztosít nagyon nagy fajlagos impulzussal (azaz a tolóerő tömegéhez viszonyítva, ill. mennyi másodpercig képes a rakéta folyamatosan tüzelni).
Dióhéjban az Orion tervezése egy nagy űrhajót foglal magában, nagy mennyiségű termonukleáris robbanófejekkel, amelyek meghajtást úgy érnek el, hogy bombát engednek mögé, majd a detonációs hullámot egy hátul elhelyezett „tolólap” segítségével hajtják meg. Minden robbanás után a robbanóerőt elnyeli ez a tolótárcsa, amely a tolóerőt lendületté alakítja.
Bár modern mércével nem elegáns, a kialakítás előnye, hogy nagy fajlagos impulzust ér el – vagyis minimális költséggel vonja ki a maximális energiát az üzemanyagforrásból (jelen esetben az atombombákból). Ezen túlmenően a koncepció elméletileg nagyon nagy sebességet is elérhet, egyes becslések szerint a fénysebesség 5%-a (vagy 5,4 × 10).7km/óra).
Ennél a sebességnél egy Orion űrszondának körülbelül 85 évbe telne, hogy a telepesekből álló legénységet a Proxima Centauriba szállítsa. Természetesen ez nem veszi figyelembe azt az időt, amely ahhoz szükséges, hogy az űrhajó felgyorsuljon, majd az érkezés előtt lelassuljon. Tehát a valóságban ez inkább egy kicsit több mint egy évszázad, ami még mindig elég lenyűgöző.
A művész elképzelése a Földet elhagyó Orion űrhajóról. Jóváírás: bisbos.com/Adrian Mann
De természetesen vannak elkerülhetetlen hátrányai a tervezésnek. Egy ekkora hajót hihetetlenül drága lenne megépíteni. által készített becslések szerint Dyson 1968-ban 400 000-4 000 000 tonnát nyomna egy Orion űrszonda, amely hidrogénbombákat használt a meghajtás létrehozására. És ennek a tömegnek legalább háromnegyede nukleáris bombákból áll, ahol minden robbanófej körülbelül 1 tonnát nyom.
Mindent összevetve, a Dyson legóvatosabb becslései szerint egy Orion-hajó megépítésének összköltsége 367 milliárd dollár. Az inflációval kiigazítva ez nagyjából 2,5 billió dollárt tesz ki – ami az Egyesült Államok kormánya jelenlegi éves bevételének több mint kétharmadát teszi ki. Ennélfogva még a legkönnyebb állapotában is rendkívül költséges lenne a jármű gyártása.
Van még egy kis probléma az általa termelt sugárzással, nem is beszélve a nukleáris hulladékról. Valójában ez az oka annak, hogy vélhetően a projekt lezárult, a Részleges kísérleti tilalomról szóló szerződés 1963-ban, amely a nukleáris kísérletek korlátozására és a nukleáris csapadék túlzott kibocsátásának a bolygó légkörébe való megállítására törekedett.
Fúziós rakéták:
Egy másik lehetőség olyan rakétákat jelent, amelyek termonukleáris reakciókra támaszkodnak a tolóerő létrehozásához. Ennél a koncepciónál energia keletkezik, amikor a deutérium/hélium-3 keverék pelleteit egy reakciókamrában elektronsugarak segítségével tehetetlenségi elzárással meggyújtják (hasonlóan ahhoz, amit a Országos Gyújtóintézet Kaliforniában). Ez a fúziós reaktor másodpercenként 250 pelletet robbantana fel, hogy nagy energiájú plazmát hozzon létre.
A művész elképzelése a Daedalus űrhajóról, egy kétlépcsős fúziós rakétáról, amely akár 12%-os fénysebességet is elérhet. hitel: Adrian Mann
Ezt a plazmát ezután egy mágneses fúvóka irányítja, hogy tolóerőt hozzon létre. Az atomreaktorokhoz hasonlóan ez a koncepció az üzemanyag-hatékonyság és a fajlagos impulzus szempontjából is előnyöket kínál. A kipufogógáz sebességét 10 600 km/s-ra becsülik, ami messze meghaladja a hagyományos rakéták sebességét. Mi több, a technológiát alaposan tanulmányozták az elmúlt néhány évtizedben, és számos javaslat született.
Például 1973 és 1978 között a Brit Bolygóközi Társaság néven ismert megvalósíthatósági tanulmányt készített Projekt Daedalus . A fúziós technológia jelenlegi ismereteire és a meglévő módszerekre támaszkodva a tanulmány egy kétlépcsős, pilóta nélküli tudományos szonda létrehozását szorgalmazta, amely egyetlen élet alatt a Barnard-csillaghoz (5,9 fényévnyire a Földtől) utazna.
Az első fokozat, a kettő közül a nagyobb, 2,05 évig működne, és a fénysebesség 7,1%-ára gyorsítaná fel az űrhajót (0,071).c). Ezt a fokozatot azután elhagyják, ekkor a második fokozat begyújtja a hajtóművét, és a fénysebesség körülbelül 12%-ára (0,12) felgyorsítja az űrhajót.c) 1,8 év alatt. A második fokozatú hajtóművet ezután leállítanák, és a hajó 46 éves körutazási időszakba lépne.
A projekt becslései szerint a küldetésnek 50 évbe telne, hogy elérje a Barnard's Star-t. A Proxima Centaurihoz igazítva ugyanez a hajó megteheti az utazást36 év. De természetesen a projekt számos akadályt is azonosított, amelyek az akkori technológiával megvalósíthatatlanná tették – amelyek többsége még mindig megoldatlan.
Művészi koncepció a Project Daedalus űrszondáról, amely mellett egy Saturn V rakéta áll a méretarány miatt. hitel: Adrian Mann
Például ott van az a tény, hogy a hélium-3 alig található a Földön, ami azt jelenti, hogy máshol (valószínűleg a Holdon) kellene bányászni. Másodszor, az űrhajót mozgató reakció megköveteli, hogy a felszabaduló energia jóval meghaladja a reakció kiváltásához felhasznált energiát. És bár a kísérletek itt a Földön felülmúlták a „ nullszaldós cél , még mindig nagyon messze vagyunk attól, hogy egy csillagközi űrhajó meghajtásához milyen energia szükséges.
Harmadszor, ott van egy ilyen hajó megépítésének költségtényezője. Még a Project Daedalus pilóta nélküli hajóinak szerény mértékével is egy teljesen üzemanyaggal működő vízi jármű súlya eléri a 60 000 Mt-t, és körülbelül 5986 milliárd dollárba kerül. Röviden: egy fúziós rakétát nemcsak megfizethetetlenül drága lenne megépíteni; olyan szintű fúziós reaktortechnológiát is igényelne, amely jelenleg meghaladja a lehetőségeinket.
Az Icarus Interstellar, az önkéntes állampolgár tudósokból álló nemzetközi szervezet (akik közül néhányan a NASA-nak vagy az ESA-nak dolgoztak) azóta megpróbálta újjáéleszteni a koncepciót. Projekt Icarus . A 2009-ben alapított csoport azt reméli, hogy a közeljövőben megvalósíthatóvá válik (többek között) a fúziós meghajtás.
Fusion Ramjet:
Más néven a Bussard Ramjet A meghajtásnak ezt az elméleti formáját először Robert W. Bussard fizikus javasolta 1960-ban. Alapvetően ez egy továbbfejlesztés a szabványos magfúziós rakétához képest, amely mágneses mezőket használ a hidrogén-üzemanyagnak a fúzió létrejöttéig történő összenyomására. Ám a Ramjet esetében egy hatalmas elektromágneses tölcsér „kiveszi” a hidrogént a csillagközi közegből, és tüzelőanyagként a reaktorba önti.
A Bussard Ramjet művész koncepciója, amely a csillagközi közegből származó hidrogént hasznosítaná fúziós motorjainak meghajtására. Hitel: futurespacetransportation.weebly.com
Ahogy a hajó felgyorsítja, a reaktív tömeg fokozatosan szűkülő mágneses térbe kényszerül, és addig összenyomja, amíg a termonukleáris fúzió meg nem történik. A mágneses tér ezután a rakéta kipufogógázaként a motor fúvókáján keresztül irányítja az energiát, ezáltal felgyorsítja a hajót. Üzemanyagtartályok nélkül a fúziós ramjet a fénysebesség 4%-át megközelítő sebességet érhetne el, és bárhová eljuthatna a galaxisban.
Ennek a kialakításnak azonban számos lehetséges hátránya van. Például ott van a húzás problémája. A hajó megnövekedett sebességre támaszkodik az üzemanyag felhalmozásához, de ahogy egyre több csillagközi hidrogénnel ütközik, sebességet is veszíthet – különösen a galaxis sűrűbb részein. Másodszor, a deutérium és a trícium (a Földön a fúziós reaktorokban használatos) ritka az űrben, míg a hagyományos hidrogén (amely bőséges az űrben) összeolvasztása meghaladja jelenlegi módszereinket.
Ezt a koncepciót széles körben népszerűsítették a sci-fiben. Ennek talán legismertebb példája a franchiseStar Trek, ahol ' Bussard gyűjtők ” – a fénylő gondolák a warp motorokon. A valóságban azonban a fúziós reakciókkal kapcsolatos ismereteinknek jelentősen fejlődniük kell, mielőtt egy ramjet lehetséges. Ki kell találnunk azt a bosszantó húzási problémát is, mielőtt elkezdenénk egy ilyen hajó építését!
Lézer vitorla:
A napvitorlákat régóta a Naprendszer feltárásának költséghatékony módjaként tartják számon. Amellett, hogy viszonylag egyszerű és olcsó a gyártás, a napelemes vitorlák további előnye, hogy nem igényelnek üzemanyagot. A hajtóanyagot igénylő rakéták helyett a vitorla a csillagok sugárzási nyomását használja a nagy, ultravékony tükrök nagy sebességre tolására.
IKAROS űrszonda repülés közbeni napvitorlával (művész ábrázolása), amely tipikus négyzet alakú vitorlás konfigurációt mutat. Forrás: Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki
A csillagközi repülés érdekében azonban egy ilyen vitorlát fókuszált energiasugarakkal (azaz lézerekkel vagy mikrohullámokkal) kell hajtani, hogy a fénysebességet megközelítő sebességre tolják. A koncepciót eredetileg javasolta Robert Forward 1984-ben , aki akkoriban a Hughes Aircraft kutatólaboratóriumainak fizikusa volt.
A koncepció megőrzi a napvitorla előnyeit, mivel nem igényel fedélzeti üzemanyagot, de abból is, hogy a lézerenergia közel sem oszlik el a távolsággal, mint a napsugárzás. Tehát míg a lézerrel hajtott vitorlának időbe telik, hogy felgyorsuljon a közel fénysebességre, ez csak magára a fénysebességre korlátozódna.
szerint a 2000 tanulmány Robert Frisbee, a NASA JPL fejlett hajtáskoncepció-tanulmányainak igazgatója által készített lézervitorla kevesebb mint egy évtized alatt a fénysebesség felére gyorsítható fel. Kiszámolta azt is, hogy egy körülbelül 320 km-es (200 mérföld) átmérőjű vitorla valamivel több időn belül elérheti a Proxima Centaurit.12 év. Eközben egy körülbelül 965 km-es (600 mérföld) átmérőjű vitorla érkezett meg.9 év.
Egy ilyen vitorlát azonban fejlett kompozitokból kellene építeni, hogy elkerüljük az olvadást. A méretével együtt ez egy szép fillért is kijön! Még ennél is rosszabb az a puszta költség, amely egy elég nagy és elég erős lézer építéséből származik, hogy fele fénysebességre hajtsa a vitorlát. A Frisbee saját tanulmánya szerint a lézerekhez 17 000 terawatt folyamatos áramra lenne szükség – közel ahhoz, amit az egész világ egyetlen nap alatt fogyaszt el.
A művész elképzelése egy antianyag-meghajtású űrhajóról a Marsra irányuló küldetésekhez, a Mars Reference Mission részeként. Köszönetnyilvánítás: NASA
Antianyag motor:
A sci-fi rajongói biztosan hallottak már az antianyagról. De ha nem, az antianyag alapvetően antirészecskékből álló anyag, amelyek tömege azonos, de ellentétes töltésű, mint a normál részecskéké. Az antianyag-motor eközben a meghajtás egy olyan formája, amely az anyag és az antianyag közötti kölcsönhatásokat használja fel energia előállítására vagy tolóerő létrehozására.
Röviden, az antianyag-motorban a hidrogén és az antihidrogén részecskéi összecsapódnak. Ez a reakció annyi energiát szabadít fel, mint egy termonukleáris bomba, a pionoknak és müonoknak nevezett szubatomi részecskék záporával együtt. Ezeket a részecskéket, amelyek a fénysebesség egyharmadával haladnának, ezután egy mágneses fúvóka irányítja, hogy tolóerőt generáljon.
Ennek a rakétaosztálynak az az előnye, hogy az anyag/antianyag keverék nyugalmi tömegének nagy része energiává alakítható, ami lehetővé teszi, hogy az antianyag rakéták sokkal nagyobb energiasűrűséggel és fajlagos impulzussal rendelkezzenek, mint bármely más javasolt rakétaosztály. Sőt, az ilyen reakciók szabályozása elképzelhető, hogy egy rakétát akár a fénysebesség felére is tolhat.
Font fontért ez a hajóosztály lenne a valaha kigondolt leggyorsabb és legüzemanyag-hatékonyabb. Míg a hagyományos rakétákhoz több tonna vegyi üzemanyagra van szükség ahhoz, hogy egy űrhajót a rendeltetési helyére hajtsanak, egy antianyag-motor képes lenne ugyanezt a feladatot elvégezni néhány milligramm üzemanyaggal. Valójában egy fél kiló hidrogén- és antihidrogénrészecskék kölcsönös megsemmisítése több energiát szabadítana fel, mint egy 10 megatonnás hidrogénbomba.
Az anyag és az antianyag úgy tűnhet, mintha megsemmisítené egymást. Köszönetnyilvánítás: NASA/CXC/M. Weiss
Pontosan ez az oka annak A NASA Fejlett Koncepciók Intézete (NIAC) megvizsgálta a technológiát, mint a jövőbeli Mars-missziók lehetséges eszközét. Sajnos, amikor a közeli csillagrendszerekre irányuló küldetéseket fontolgatjuk, az utazáshoz szükséges üzemanyag mennyisége exponenciálisan megsokszorozódik, és az előállítás költségei csillagászatiak lennének (nem szójáték!).
Az évre készített jelentés szerint 39. AIAA/ASME/SAE/ASEE közös meghajtási konferencia és kiállítás (szintén Robert Frisbee) egy kétfokozatú antianyag rakétának több mint 815 000 metrikus tonna (900 000 USA tonna) üzemanyagra lenne szüksége ahhoz, hogy megközelítőleg elérje Proxima Centauriba40 év. Ez nem rossz, már ami az idővonalat illeti. De ismét a költségek…
Míg egyetlen gramm antianyag óriási energiát termelne, a becslések szerint csak ennyi előállításhoz kb. 25 billió kilowattóra energia és több mint egy billió dollárba kerül . Jelenleg kevesebb mint 20 nanogramm antianyagot hoztak létre az emberek. Még ha tömegesen is tudnánk antianyagot előállítani olcsón, egy hatalmas hajóra akkor is szükség lenne a szükséges mennyiségű üzemanyag megtartásához.
A jelentése szerint Dr. Darrel Smith és Jonathan Webby Az arizonai Embry-Riddle Aeronautical Egyetemen egy antianyag-motorral felszerelt csillagközi hajó elérheti a fénysebesség 0,5-ét, és egy kicsivel több időn belül elérheti a Proxima Centaurit.8 év. Maga a hajó azonban 400 metrikus tonnát (441 amerikai tonnát) nyomna, és 170 metrikus tonna (187 amerikai tonna) antianyag üzemanyagra lenne szüksége az utazáshoz.
A művész koncepciója a Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES) rendszerről, amely napelemsorokat használna olyan lézerek táplálására, amelyek antianyag részecskéket hoznak létre üzemanyagként. hitel: Adrian Mann
Ennek egy lehetséges módja egy olyan edény létrehozása, amely antianyagot tud létrehozni, amelyet aztán üzemanyagként tárolhat. Ez a koncepció, az úgynevezett Vákuum-antianyag rakéta csillagközi felfedező rendszer (VARIES) Richard Obousy, az Icarus Interstellar munkatársa javasolta. A helyszíni üzemanyag-utántöltés ötlete alapján a VARIES hajó nagy lézerekre támaszkodik (amelyek hatalmas napelemsorokkal működnek), amelyek antianyag-részecskéket hoznának létre, ha üres térbe lőnék ki.
A Ramjet koncepcióhoz hasonlóan ez a javaslat is az űrből való hasznosítással oldja meg az üzemanyag szállításának problémáját. De még egyszer, egy ilyen hajó puszta költsége a jelenlegi technológiával túl drága lenne. Ezen túlmenően, az antianyag nagy mennyiségben történő létrehozásának képessége jelenleg nem olyan, hogy megtennénk. Itt van a sugárzás kérdése is, mivel az anyag-antianyag megsemmisülés nagy energiájú gamma-sugárzást hozhat létre.
Ez nemcsak a személyzetre jelent veszélyt, és jelentős sugárzás-árnyékolást tesz szükségessé, hanem a hajtóművek árnyékolását is megköveteli, hogy ne menjenek át atomi lebomláson a rájuk kitett sugárzás miatt. Tehát az antianyag motor a jelenlegi technológiánkkal és a jelenlegi költségvetési környezetben teljesen nem praktikus.
Alcubierre Warp Drive:
A sci-fi rajongói kétségtelenül ismerik az an fogalmát is Alcubierre (vagy „Warp”) meghajtó . Miguel Alcubierre mexikói fizikus 1994-ben javasolta, ez a javasolt módszer arra tett kísérletet, hogy lehetővé tegye az FTL-utazást a jogsértések nélkül. Einstein speciális relativitáselmélete . Röviden, a koncepció magában foglalja a téridő szövetének hullámban történő megnyújtását, ami elméletileg az objektum előtti tér összehúzódását, a mögötte lévő tér kitágulását okozná.
Mark Rademaker művész koncepciója az IXS Enterprise-hoz, egy elméleti csillagközi vetemítő űrhajóhoz. Köszönetnyilvánítás: Mark Rademaker/flickr.com
A hullám belsejében lévő objektum (azaz egy űrhajó) a relativisztikus sebességen túl képes lenne meglovagolni ezt a hullámot, amelyet „láncbuboréknak” neveznek. Mivel a hajó nem ebben a buborékban mozog, hanem mozgás közben magával viszi, a téridő és a relativitáselmélet szabályai megszűnnének érvényesülni. Ennek oka az, hogy ez a módszer nem a helyi értelemben vett fénynél gyorsabb mozgásra támaszkodik.
Csak abban az értelemben „gyorsabb a fénynél”, hogy a hajó gyorsabban érhette el célját, mint egy fénysugár, amely a láncbuborékon kívül haladt. Feltéve tehát, hogy egy űrrepülőgépet fel lehetne szerelni Alcubierre Drive rendszerrel, akkor képes lenne eljutni Proxima Centauribakevesebb mint 4 év. Tehát ami az elméleti csillagközi űrutazást illeti, ez messze a legígéretesebb technológia, legalábbis a sebesség szempontjából.
A koncepció természetesen az évek során megkapta a maga részét ellenérveknek. Ezek közül a legfontosabb az a tény, hogy nem veszi figyelembe a kvantummechanikát, és érvénytelenítheti Mindennek elmélete (mint például hurok kvantumgravitáció ). A szükséges energiamennyiségre vonatkozó számítások azt is jelezték, hogy egy lánchajtás túl sok energiát igényel a működéséhez. További bizonytalanságok közé tartozik egy ilyen rendszer biztonsága, a célállomás tér-időre gyakorolt hatásai és az ok-okozati összefüggés megsértése.
2012-ben azonban a NASA tudósa, Harold Sonny White bejelentette, hogy kollégáival elkezdték kutatni egy Alcubierre Drive lehetőségét. „című dolgozatban Warp Field Mechanics 101 White azt állította, hogy olyan interferométert készítettek, amely érzékeli az Alcubierre-metrika táguló és összehúzódó térideje által okozott térbeli torzulásokat.
2013-ban a Jet Propulsion Laboratory közzétette egy vákuumkörülmények között végzett vetemedési teszt eredményeit. Sajnos az eredményeket „nem meggyőzőnek” tették. Hosszú távon azt tapasztalhatjuk, hogy Alcubierre mérőszáma megsértheti a természet egy vagy több alapvető törvényét. És még ha a fizika jónak bizonyul is, nincs garancia arra, hogy az FTL-repülés érdekében hasznosítható lesz.
Összefoglalva, ha azt remélte, hogy élete során eljuthat a legközelebbi csillagig, a kilátások nem túl jók. Ha azonban az emberiség késztetést érezne egy „csillagközi bárka” megépítésére, amelyet önfenntartó, űrutazó emberek közösségével töltenek meg, akkor talán egy évszázadon belül is odautazhatnánk, ha hajlandóak lennénk befektetni a szükséges technológiába. .
De az összes rendelkezésre álló módszer továbbra is nagyon korlátozott, ha a szállítási időről van szó. És bár lehet, hogy a legközelebbi csillag eléréséig több száz vagy több ezer év kevésbé számít nekünk, ha a túlélésünk forog kockán, ez egyszerűen nem praktikus az űrkutatás és az utazás szempontjából. Mire egy küldetés elérné galaxisunk legközelebbi csillagait is, az alkalmazott technológia elavult lenne, és az emberiség talán már nem is létezne odahaza.
Tehát hacsak nem érünk el jelentős áttörést a fúzió, az antianyag vagy a lézertechnológia területén, akkor vagy meg kell elégednünk saját Naprendszerünk feltárásával, vagy kénytelenek vagyunk elfogadni egy nagyon hosszú távú tranzitstratégiát…
Sok érdekes cikket írtunk az űrutazásról itt a Universe Today-ben. Íme Elérünk valaha még egy csillagot? , A Warp meghajtók gyilkos hátránnyal járhatnak , Az Alcubierre Warp Drive , Milyen messze van egy fényév? , Amikor a fény egyszerűen nem elég gyors , Mikor leszünk csillagközi? , és Tudunk-e gyorsabban utazni, mint a fénysebesség?
További információkért keresse fel a NASA oldalait a következő oldalon A jövő hajtórendszerei , és Valódi a Warp Drive?
A csillagközi utazás rajongóinak pedig mindenképpen érdemes megnézniük Ikarusz csillagközi és a Nulladik Szám Alapítvány weboldalak. Nyújtsd tovább a csillagokat!