- Časť 1 -
Ak používate existujúcu technológiu, bude trvať veľmi, veľmi dlho, kým sa vedci a kozmonauti pošlú na medzihviezdnu misiu. Cesta bude bolestne dlhá (aj podľa kozmických štandardov). Ak chceme urobiť takúto cestu aspoň v jednom živote, dobre alebo v generácii, potrebujeme radikálnejšie (čítaj: čisto teoretické) opatrenia. A ak sú červí diery a podpriestorové motory v tejto chvíli úplne fantastické, existuje mnoho ďalších nápadov, ktorým veríme.
Jadrová elektráreň
Jadrová elektráreň je teoreticky možným „motorom“na rýchle vesmírne cestovanie. Túto koncepciu pôvodne navrhol Stanislav Ulam, poľsko-americký matematik, ktorý sa zúčastnil projektu Manhattan, a predbežné výpočty vykonali F. Reines a Ulam v roku 1947. Projekt Orion sa začal v roku 1958 a existoval do roku 1963.
Pod vedením Teda Taylora zo všeobecnej atómovej fyziky a fyzika Freemana Dysona z Inštitútu pre pokročilé štúdium v Princetone by Orion využil silu pulzných jadrových výbuchov, aby poskytol obrovský ťah s veľmi vysokým špecifickým impulzom.
Propagačné video:
Stručne povedané, projekt Orion obsahuje veľkú kozmickú loď, ktorá zrýchľuje rýchlosť tým, že podporuje termonukleárne hlavice, vyhadzuje bomby za sebou a zrýchľuje sa, keď nárazová vlna uniká do tlačného panela namontovaného vzadu, do tlačného panela. Po každom stlačení sa týmto panelom absorbuje sila výbuchu a prevádza sa na pohyb vpred.
Aj keď je tento dizajn podľa moderných štandardov sotva elegantný, výhodou tohto konceptu je to, že poskytuje vysoký špecifický ťah - to znamená, že extrahuje maximálne množstvo energie zo zdroja paliva (v tomto prípade jadrové bomby) pri minimálnych nákladoch. Navyše, podľa niektorých odhadov môže tento koncept teoreticky urýchliť veľmi vysoké rýchlosti až 5% rýchlosti svetla (5,4 x 107 km / h).
Tento projekt má, samozrejme, nevyhnutné nevýhody. Na jednej strane by bolo stavanie lode takej veľkosti mimoriadne nákladné. V roku 1968 Dyson odhadoval, že kozmická loď Orion, poháňaná vodíkovými bombami, by vážila medzi 400 000 a 4 000 000 metrickými tonami. A najmenej tri štvrtiny tejto hmotnosti budú pochádzať z jadrových bômb, z ktorých každá váži asi jednu tonu.
Konzervatívny odhad Dysona ukázal, že celkové náklady na výstavbu Orionu by boli 367 miliárd dolárov. Po očistení o infláciu je táto suma 2,5 bilióna dolárov, čo je dosť. Dokonca aj pri najkonzervatívnejších odhadoch bude výroba zariadenia extrémne nákladná.
Existuje tiež malý problém so žiarením, ktoré bude emitovať, nehovoriac o jadrovom odpade. Predpokladá sa, že z tohto dôvodu bol projekt zrušený na základe zmluvy o čiastočnom zákaze skúšok z roku 1963, keď sa svetové vlády snažili obmedziť jadrové testovanie a zastaviť nadmerné uvoľňovanie rádioaktívneho spadu do atmosféry planéty.
Rakety jadrovej syntézy
Ďalšou možnosťou využitia jadrovej energie sú termonukleárne reakcie na vyvolanie ťahu. Podľa tohto konceptu musí byť energia vytvorená inertným zadržiavaním zapaľujúcich pelety zmesi deutéria a hélia-3 v reakčnej komore pomocou elektrónových lúčov (podobné tomu, čo sa robí v Národnom zapaľovacom komplexe v Kalifornii). Taký fúzny reaktor by vybuchol 250 peliet za sekundu, čím by sa vytvorila vysoko energetická plazma, ktorá by sa potom presmerovala do dýzy, čím by sa vytvoril ťah.
Rovnako ako raketa, ktorá sa spolieha na jadrový reaktor, má táto koncepcia výhody z hľadiska palivovej účinnosti a špecifického impulzu. Odhadovaná rýchlosť by mala dosiahnuť 10 600 km / h, výrazne nad rýchlostnými limitmi konvenčných rakiet. Okrem toho bola táto technológia v posledných desaťročiach dôkladne preštudovaná a bolo predložených veľa návrhov.
Napríklad v rokoch 1973 až 1978 uskutočnila britská medziplanetárna spoločnosť štúdiu uskutočniteľnosti pre projekt Daedalus. Vedci na základe moderných poznatkov a technológie termonukleárnej fúzie vyzvali na konštrukciu dvojstupňovej bezpilotnej vedeckej sondy, ktorá by mohla dosiahnuť Barnardovu hviezdu (5,9 svetelných rokov od Zeme) v priebehu ľudského života.
Prvá etapa, najväčšia z týchto dvoch, by trvala 2,05 roka a urýchlila plavidlo na 7,1% rýchlosť svetla. Potom sa táto fáza zahodí, druhá sa zapáli a prístroj sa zrýchli na 12% rýchlosti svetla za 1,8 roka. Potom sa vypne druhý stupeň motora a loď letí už 46 rokov.
Projekt Daedalus odhaduje, že misii bude trvať 50 rokov, kým dosiahne Barnardovu hviezdu. Ak bude Proxima Centauri, tá istá loď dosiahne 36 rokov. Projekt však, samozrejme, zahŕňa veľa nevyriešených otázok, najmä neriešiteľných s využívaním moderných technológií - a väčšina z nich ešte nebola vyriešená.
Napríklad na Zemi prakticky neexistuje hélium-3, čo znamená, že sa bude musieť ťažiť inde (pravdepodobne na Mesiaci). Po druhé, reakcia, ktorá riadi plavidlo, vyžaduje, aby emitovaná energia bola oveľa väčšia ako energia spotrebovaná na spustenie reakcie. A hoci experimenty na Zemi už prekonali „bod zlomu“, stále sme ďaleko od množstva energie, ktorá dokáže poháňať medzihviezdne vozidlo.
Po tretie, zostáva tu otázka nákladov na také plavidlo. Dokonca aj podľa skromných štandardov bezpilotného vozidla Project Daedalus by plne vybavené vozidlo vážilo 60 000 ton. Len aby ste vedeli, hrubá váha NASA SLS je niečo vyše 30 metrických ton a samotné spustenie bude stáť 5 miliárd dolárov (odhady za rok 2013).
Zjednodušene povedané, fúzna raketa bude nielen príliš nákladná na vybudovanie, ale bude tiež vyžadovať úroveň fúzneho reaktora ďaleko za našimi schopnosťami. Icarus Interstellar, medzinárodná organizácia civilných vedcov (z ktorých niektorí pracovali pre NASA alebo ESA), sa snaží projekt oživiť pomocou projektu Icarus. Skupina zostavená v roku 2009 dúfa, že fúzia (a iné) sa podarí v dohľadnej budúcnosti umožniť.
Termonukleárny ramjet
Motor bol tiež známy ako Bussard ramjet a motor bol prvýkrát navrhnutý fyzikom Robertom Bussardom v roku 1960. Vo svojom jadre je to zlepšenie štandardnej termonukleárnej rakety, ktorá využíva magnetické polia na stláčanie vodíka na miesto fúzie. Ale v prípade nárazového motora veľký elektromagnetický lievik nasáva vodík z medzihviezdneho média a nalieva ho do reaktora ako palivo.
Keď vozidlo zvyšuje rýchlosť, reaktívna hmota vstúpi do obmedzujúceho magnetického poľa, ktoré ho stlačí pred začiatkom fúzie. Magnetické pole potom nasmeruje energiu do raketovej dýzy a urýchli tak loď. Pretože to nijaké palivové nádrže nespomalia, termonukleárny ramjet dokáže dosiahnuť rýchlosti rádovo 4% svetla a ísť kdekoľvek v galaxii.
Táto misia má však mnoho možných nevýhod. Napríklad problém trenia. Vesmírna loď sa spolieha na vysoké rýchlosti zberu paliva, ale tiež sa stretne s veľkým množstvom medzihviezdneho vodíka a stratí rýchlosť - najmä v hustej oblasti galaxie. Po druhé, vo vesmíre nie je veľa deutéria a trícia (ktoré sa používajú v reaktoroch na Zemi) a syntéza obyčajného vodíka, ktorý je vo vesmíre hojný, je stále mimo našu kontrolu.
Sci-fi sa však tento koncept miloval. Najslávnejším príkladom je pravdepodobne licencia Star Trek, ktorá využíva zberateľov Bussard. V skutočnosti naše chápanie fúznych reaktorov nie je ani zďaleka tak dokonalé, ako by sme chceli.
Laserová plachta
Slnečné plachty sa už dlho považujú za efektívny spôsob dobývania slnečnej sústavy. Okrem toho, že sú relatívne jednoduché a lacné, majú veľké plus: nepotrebujú palivo. Namiesto použitia rakiet, ktoré potrebujú palivo, plachta používa tlak žiarenia hviezd na poháňanie ultra tenkých zrkadiel pri vysokých rýchlostiach.
Avšak v prípade medzihviezdneho letu by taká plachta musela byť poháňaná sústredenými lúčmi energie (laser alebo mikrovlny), aby sa zrýchlila na rýchlosť blízku svetlu. Tento koncept bol prvýkrát navrhnutý Robertom Forwardom v roku 1984, fyzikom v laboratóriu Hughes Aircraft Laboratory.
Jeho myšlienka si zachováva výhody solárnej plachty v tom, že nevyžaduje palivo na palube, a tiež, že laserová energia nie je rozptýlená na vzdialenosť rovnakým spôsobom ako slnečné žiarenie. Zatiaľ čo laserová plachta bude nejaký čas trvať, kým sa zrýchli na rýchlosť blízku svetlu, bude následne obmedzená iba rýchlosťou samotného svetla.
Podľa štúdie z roku 2000 Roberta Frisbeeho, riaditeľa progresívneho výskumu pohonných hmôt v laboratóriu Jet Propulsion Laboratory, by laserová plachta zasiahla polovicu rýchlosti svetla za menej ako desať rokov. Vypočítal tiež, že plachta s priemerom 320 kilometrov by mohla dosiahnuť Proxima Centauri za 12 rokov. Medzitým bude plachta o priemere 965 kilometrov doraziť za pouhých 9 rokov.
Takáto plachta však bude musieť byť vyrobená z pokrokových kompozitných materiálov, aby nedošlo k jej roztaveniu. Čo bude obzvlášť ťažké vzhľadom na veľkosť plachty. Náklady sú ešte horšie. Podľa Frisbeeho budú lasery potrebovať stály prúd 17 000 terawattov energie - zhruba to, koľko celý svet spotrebuje za jeden deň.
Antihmotový motor
Milovníci sci-fi sú si dobre vedomí toho, čo je antihmota. Ale ak zabudnete, antihmota je látka zložená z častíc, ktoré majú rovnakú hmotnosť ako obyčajné častice, ale s opačným nábojom. Antihmotový motor je hypotetický motor, ktorý sa spolieha na interakciu medzi hmotou a antihmotou, aby generoval energiu alebo vytvoril ťah.
Stručne povedané, antihmotový motor používa častice vodíka a antihydrogénu, ktoré sa navzájom zrážajú. Energia uvoľnená v procese ničenia je z hľadiska objemu porovnateľná s energiou explózie termonukleárnej bomby sprevádzanou prúdom subatomárnych častíc - piónov a miónov. Tieto častice, ktoré sa pohybujú rýchlosťou jednej tretiny rýchlosti svetla, sú presmerované do magnetickej dýzy a vytvárajú ťah.
Výhodou tejto triedy rakiet je to, že väčšina hmoty zmesi hmoty / antihmoty sa môže premeniť na energiu, ktorá poskytuje vysokú hustotu energie a špecifický impulz, ktorý je lepší ako ktorákoľvek iná raketa. Okrem toho môže anihilačná reakcia urýchliť raketu na polovicu rýchlosti svetla.
Táto trieda rakiet bude najrýchlejšia a energeticky najúčinnejšia (alebo nemožná, ale navrhnutá). Ak konvenčné chemické rakety vyžadujú tony paliva na pohon kozmickej lode na miesto určenia, antihmotový motor vykoná rovnakú prácu s použitím niekoľkých miligramov paliva. Vzájomná deštrukcia pol kilogramu vodíka a antihydrogénových častíc uvoľní viac energie ako 10-megatónová vodíková bomba.
Z tohto dôvodu inštitút Advanced Concepts Institute NASA skúma túto technológiu tak, ako je to možné pre budúce misie na Mars. Bohužiaľ, pri pohľade na misie do blízkych hviezdnych systémov sa množstvo paliva zvyšuje exponenciálne a náklady sa stávajú astronomickými (a to nie je hračka).
Podľa správy pripravenej na 39. konferencii a výstave Spoločného pohonu AIAA / ASME / SAE / ASEE bude dvojstupňová raketa antihmoty vyžadovať viac ako 815 000 metrických ton paliva na dosiahnutie Proxima Centauri za 40 rokov. Je to relatívne rýchle. Ale cena …
Aj keď jeden gram antihmoty produkuje neuveriteľné množstvo energie, výroba jedného gramu sama o sebe by vyžadovala 25 miliónov miliárd kilowatthodín energie a predstavovala by bilión dolárov. V súčasnosti je celkové množstvo antihmoty, ktorú vytvorili ľudia, menšie ako 20 nanogramov.
A aj keby sme mohli lacno vyrábať antihmotu, potrebovali by sme obrovskú loď, ktorá by dokázala udržať potrebné množstvo paliva. Podľa správy Dr. Darrella Smitha a Jonathana Webbyho z Embry-Riddle Aviation University v Arizone mohla medzihviezdna loď poháňaná antihmotou zvýšiť rýchlosť svetla 0,5 a dosiahnuť Proxima Centauri za niečo viac ako 8 rokov. Samotná loď by však vážila 400 ton a vyžadovala by 170 ton antihmotného paliva.
Možným spôsobom je vytvoriť loď, ktorá vytvorí antihmotu a potom ju použije ako palivo. Tento koncept, známy ako medzihviezdny raketový medzihviezdny systém proti podtlaku (VARIES), navrhol Richard Obausi zo spoločnosti Icarus Interstellar. V nadväznosti na myšlienku prepracovania na mieste by zariadenie VARIES použilo veľké lasery (poháňané obrovskými solárnymi panelmi) na vytvorenie častíc antihmoty, keď budú strieľané do prázdneho priestoru.
Podobne ako v prípade termonukleárneho ramjetu, aj tento návrh rieši problém prepravy paliva jeho extrakciou priamo z vesmíru. Náklady na takúto loď však budú opäť veľmi vysoké, ak budú postavené pomocou našich moderných metód. Antihmotu jednoducho nemôžeme vytvoriť vo veľkom meradle. Je potrebné riešiť aj problém s ožarovaním, pretože zničením hmoty a antihmoty dochádza k výbuchu vysokoenergetických gama lúčov.
Predstavujú nielen nebezpečenstvo pre posádku, ale aj pre motor, takže sa pod vplyvom tohto žiarenia nerozpadnú na subatomárne častice. Stručne povedané, antihmotový motor je úplne nepraktický s našou súčasnou technológiou.
Alcubierre Warp Drive
Milovníci sci-fi sú nepochybne oboznámení s konceptom osnovnej jednotky (alebo jednotky Alcubierre). Táto myšlienka, ktorú navrhol mexický fyzik Miguel Alcubierre v roku 1994, bola pokusom predstaviť si okamžitý pohyb vo vesmíre bez porušenia Einsteinovej špeciálnej teórie relativity. Stručne povedané, tento koncept zahŕňa rozťahovanie štruktúry spacetime na vlnu, čo by teoreticky spôsobilo, že priestor pred objektom sa stiahne a za ním sa rozšíri.
Objekt vo vnútri tejto vlny (naša loď) bude schopný jazdiť na tejto vlne, keď bude v "osnovnej bubline" rýchlosťou oveľa vyššou ako relativistická. Pretože sa loď nepohybuje v samotnej bubline, ale je ňou nesená, nebudú porušené zákony relativity a časopriestoru. V skutočnosti táto metóda nezahŕňa pohyb rýchlejšie ako rýchlosť svetla v miestnom zmysle.
Je to „rýchlejšie ako svetlo“iba v tom zmysle, že loď môže dosiahnuť svoj cieľ rýchlejšie ako lúč svetla putujúci mimo bublinu osnovy. Za predpokladu, že kozmická loď bude vybavená systémom Alcubierre, dosiahne Proxima Centauri za menej ako 4 roky. Ak teda hovoríme o teoretickom medzihviezdnom vesmírnom cestovaní, jedná sa o zďaleka najsľubnejšiu technológiu z hľadiska rýchlosti.
Celý tento koncept je, samozrejme, veľmi kontroverzný. Medzi argumenty proti napríklad patrí to, že nezohľadňuje kvantovú mechaniku a dá sa vyvrátiť teóriou všetkého (ako napríklad kvantová gravitácia slučky). Výpočty požadovaného množstva energie tiež ukázali, že osnovný pohon by bol neúmyselne nenápadný. Medzi ďalšie neistoty patrí bezpečnosť takéhoto systému, časopriestorové účinky v cieľovom mieste a porušenia príčinných súvislostí.
V roku 2012 však vedec NASA Harold White uviedol, že on a jeho kolegovia začali skúmať možnosť vytvorenia motora Alcubierre. Biely uviedol, že postavili interferometer, ktorý bude zachytávať priestorové skreslenie spôsobené expanziou a kontrakciou časopriestoru metriky Alcubierre.
V roku 2013, Jet Propulsion Laboratory, zverejnilo výsledky testov osnovného poľa, ktoré sa uskutočnili vo vákuu. Výsledky sa, žiaľ, považovali za „nepresvedčivé“. Z dlhodobého hľadiska môžeme zistiť, že metrika Alcubierre porušuje jeden alebo viac základných prírodných zákonov. A aj keď sa ukáže, že jeho fyzika je správna, neexistuje žiadna záruka, že systém Alcubierre sa môže použiť na let.
Všeobecne platí, že všetko je obvyklé: narodili ste sa príliš skoro na to, aby ste mohli cestovať k najbližšej hviezde. Ak však ľudstvo cíti potrebu vybudovať „medzihviezdnu archu“, v ktorej bude umiestnená sebestačná ľudská spoločnosť, cesta do Proxima Centauri bude trvať sto rokov. Ak, samozrejme, chceme do takejto udalosti investovať.
Z hľadiska času sa všetky dostupné metódy javia ako mimoriadne obmedzené. A ak strávime stovky tisíc rokov cestovaním k najbližšej hviezde, možno nás nebude zaujímať, keď bude v stávke naše vlastné prežitie, ako budú napredovať vesmírne technológie, metódy zostanú mimoriadne nepraktické. Keď naša archa dosiahne najbližšiu hviezdu, jej technológie budú zastarané a samotné ľudstvo už nemusí existovať.
Takže pokiaľ nedosiahneme zásadný prielom vo fúzii, antihmote alebo laserovej technológii, budeme spokojní s objavovaním našej vlastnej slnečnej sústavy.
Na základe materiálov z dnešného vesmíru
- Časť 1 -