Me oleme kõik oma elus mingil hetkel küsinud seda küsimust: Kui kaua võiks tähtede juurde reisida? Kas see võib olla inimese enda elu jooksul ja kas selline reisimine võiks kunagi saada normiks? Sellele küsimusele on palju võimalikke vastuseid - mõned väga lihtsad, teised ulme valdkondades. Kuid kõikehõlmava vastuse pakkumine tähendab paljude asjadega arvestamist.
Kahjuks annab iga realistlik hinnang tõenäoliselt vastuseid, mis pärsiks täielikult futuriste ja tähtedevahelise reisimise entusiaste. Meeldib see meile või mitte, ruumi on väga palju ja meie tehnoloogia on endiselt väga piiratud. Kuid kui peaksime kaaluma pesast lahkumist, on meil mitmeid võimalusi oma galaktikas lähimasse Päikesesüsteemi jõudmiseks.
Maale lähim täht on meie Päike, mis on Hertzsprungi - Russelli diagrammi põhijärjestuses - üsna “keskmine” täht. See tähendab, et see on väga stabiilne, pakkudes Maale meie planeedil eluks vajalikul hulgal päikesevalgust. Me teame, et meie Päikesesüsteemi läheduses on planeete, mis tiirlevad teiste tähtede ümber, ja paljud neist tähtedest sarnanevad meie omadega.
Tulevikus, kui inimkond soovib päikesesüsteemist lahkuda, on meil tohutult palju tähti, kuhu võiksime reisida, ja paljudel võivad olla eluks sobivad tingimused. Aga kuhu me läheksime ja kui kauaks meil sinna jõudmiseks aega kulub? Pidage ainult meeles, et see kõik on spekulatiivne ja tähtedevaheliste reiside jaoks pole praegu võrdlusalust. Nagu öeldud, siin me läheme!
Lähim täht:
Nagu juba märgitud, on meie päikesesüsteemi lähim täht Proxima Centauri, mistõttu on kõige mõistlikum esmalt tähistada tähtedevahelist missiooni sellesse süsteemi. Osana kolmetähelisest süsteemist, mida nimetatakse Alpha Centauri, on Proxima Maast umbes 4,24 valgusaastat (ehk 1,3 parselit). Alpha Centauri on tegelikult süsteemi kolme säravaim täht - osa Maast lähedalt tiirleva binaarse 4,37 valgusaasta kaugusel -, samas kui Proxima Centauri (kolmest väikseim) on isoleeritud punane kääbus, umbes 0,13 valgusaasta kaugusel binaarsest. .
Ja kuigi tähtedevahelised reisid võluvad igasugustest Faster-Than-Light (FTL) reiside visioonidest, alates lõime kiirusest ja ussiaukudest kuni hüppe ajamiteni, on sellised teooriad kas väga spekulatiivsed (näiteks Alcubierre'i ajam) või täielikult teaduse provints. ilukirjandus. Suure tõenäosusega võtab mis tahes süvakosmoseülesanne sinna jõudmiseks tõenäoliselt põlvkondi, mitte mõne päeva või hetkega.
Nii et kui alustada ühe aeglasema kosmosereisi vormiga, kui kaua võtab aega Proxima Centaurisse jõudmiseks?
Praegused meetodid:
Meie päikesesüsteemi olemasoleva tehnoloogia ja kehadega tegelemisel on mõnevõrra lihtsam küsimus, kui kaua kosmosesse jõudmine aega võtab. Näiteks New Horizoni missiooni käivitanud tehnoloogia kasutamine - mis koosnes 16 hüdrasiini monopropellendiga töötavast tõukejõust - võtab Kuule jõudmiseks aega vaid 8 tundi ja 35 minutit.
Teisest küljest on olemas Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) SMART-1 missioon, mis võttis oma aja ioonse tõukejõu abil Kuule rännates. Selle revolutsioonilise tehnoloogia abil, mille variatsiooni on Dawn kosmoselaev Vestale jõudmiseks kasutanud, kulus SMART-1 missioonil Kuuni jõudmiseks üks aasta, üks kuu ja kaks nädalat.
Niisiis, alates kiirest raketi abil liikuvast kosmoselaevast kuni ökonoomse ioonjuhtimiseni, on meil lokaalses kosmoses liikumiseks vähe võimalusi - lisaks võiksime kopsaka gravitatsioonilise tropi jaoks kasutada Jupiteri või Saturni. Kui peaksime kaaluma missioone kuskilt pisut kaugemale, peaksime oma tehnoloogiat laiendama ja vaatama, mis on tegelikult võimalik.
Võimalike meetodite rääkimisel räägime neist, mis hõlmavad olemasolevat tehnoloogiat, või sellistest, mida pole veel olemas, kuid mis on tehniliselt teostatavad. Mõned, nagu näete, on austatud ja tõestatud, teised on alles tekkimas või alles. Peaaegu kõigil juhtudel esitavad nad võimaliku (kuid äärmiselt aeganõudva või kalli) stsenaariumi jõudmiseks isegi kõige lähemate tähtedeni ...
Ioonjõud:
Praegu on ioonmootor mootorite aeglaseim ja kõige kütusesäästlikum liikumine. Mõnikümmend aastat tagasi peeti ioonset tõukejõudu ulme objektiks. Ioonmootorite toetamise tehnoloogia on viimastel aastatel siiski teooria juurest praktikasse suures suunas liikunud. Näiteks ESA missioon SMART-1 viis edukalt oma missiooni Kuule pärast 13-kuulise spiraalse teekonna tegemist Maalt.
SMART-1 kasutas päikeseenergiaga ioontraktoreid, kus päikesepaneelidelt koguti elektrienergiat ja seda kasutati Halli efektiga tõukejõu toiteks. SMART-1 Kuule viimiseks kasutati vaid 82 kg ksenoonkütust. 1 kg ksenoonkütust andis delta-v väärtuseks 45 m / s. See on tõukejõu ülitõhus vorm, kuid sugugi mitte kiire.
Üks esimesi missioone ioonülekande tehnoloogia kasutamisel oli 1. sügav ruum 1998. aastal toimunud missioon Comet Borrelly juurde. DS1 kasutas ka ksenoonmootoriga iooniajamit, tarbides 81,5 kg raketikütust. 20-kuulise tõukejõu ajal õnnestus DS1-l komeedi lennu ajal saavutada kiirus 56 000 km / h (35 000 miili / h).
Ioonjõuga tõukejõud on seetõttu raketitehnoloogiast säästlikum, kuna raketikütuse tõukejõud massiühiku kohta (spetsiifiline impulss) on palju suurem. Kuid ioon-tõukejõudude kosmoselaevade kiirendamiseks ükskõik millise suure kiiruseni kulub palju aega ning maksimaalne saavutatav kiirus sõltub selle kütusevarustusest ja sellest, kui palju elektrienergiat see võib tekitada.
Niisiis, kui missioonil Proxima Centauri kasutatakse ioonjõudu, vajaksid tõukejõud tohutut energiatootmise allikat (s.t tuumaenergiat) ja suurtes kogustes raketikütust (ehkki siiski vähem kui tavalistes rakettides). Kuid lähtudes eeldusest, et 81,5 kg ksenooni sisaldava raketikütuse pakkumine ületab maksimaalse kiiruse 56 000 km / h (ja et muud tõukejõu vormid, näiteks gravitatsiooniline pilt, et seda veelgi kiirendada, pole saadaval), saavad mõned arvutused olema tehtud.
Lühidalt, maksimaalse kiirusega 56 000 km / h 1. sügav ruum võtaks üle 81 000 aastat läbida Maa ja Proxima Centauri vahel 4,24 valgusaastat. Kui seda ajakava vaadelda, siis see oleks üle 2700 inimpõlve. Seega võib kindlalt väita, et planeetidevaheline ioonmootorite missioon oleks mehitatud tähtedevahelise missiooni jaoks liiga aeglane.
Kuid kui ioontraktorid peaksid olema suuremad ja võimsamad (st ioonide heitgaasi kiirus peaks olema märkimisväärselt suurem) ja kui raketikütust saaks kogu 4,243 valgusaasta pikkuse reisi vältel hoida, võiks vedada piisavalt raketikütust, mis võib sõiduaega oluliselt muuta vähendatud. Sellegipoolest ei piisa kellegi elu jooksul.
Raskusjõu abimeetod:
Kosmosereisimise kiireimaid vahendeid nimetatakse gravitatsiooniabi meetodiks, mis hõlmab kosmoselaeva, mis kasutab planeedi suhtelist liikumist (st orbiiti) ja selle muutmiseks gravitatsiooni raskusaste ja kiirus on. Gravitatsioonilised abistajad on väga kasulik kosmoselennutehnika, eriti kui kasutatakse kiiruse suurendamiseks Maad või mõnda muud massiivset planeeti (näiteks gaasigigant).
Mariner 10 kosmoseaparaat kasutas seda meetodit esimesena, kasutades Veenuse gravitatsioonilist tõmmet, et pildistada seda Merkuuri suunas 1974. aasta veebruaris. 1980. aastatel Voyager 1 sond kasutas Saturni ja Jupiteri gravitatsiooniliste pilude tegemiseks, et saavutada praegune kiirus 60 000 km / h (38 000 miili / h) ja muuta see tähtedevaheliseks ruumiks.
Siiski oli see Helios 2 missioon - mis käivitati 1976. aastal planeetidevahelise keskkonna uurimiseks vahemikus 0,3 AU kuni 1 AU - päikeseni - mis on gravitatsiooniabi abil saavutatud suurima kiiruse rekord. Sellel ajal, Helios 1 (mis käivitati 1974) ja Helios 2 pidas Päikesele lähima lähenemise rekordi. Helios 2 käivitati tavalise NASA kanderaketi Titan / Centaur poolt ja paigutati kõrge elliptilise orbiidile.
Päikese orbiidi (190 päeva) orbiidi suure ekstsentrilisuse (0,54) tõttu perihelioonis Helios 2 suutis saavutada maksimaalse kiiruse üle 240 000 km / h (150 000 miili / h). Orbitaalse kiiruse saavutas ainuüksi Päikese gravitatsiooniline tõmme. Tehniliselt on Helios 2 periheliooni kiirus ei olnud gravitatsiooniline tropp, see oli maksimaalne orbitaalkiirus, kuid siiski on rekord kiireima inimese loodud objekti kohta sõltumata sellest.
Niisiis, kui Voyager 1 sõites punase kääbuse Proxima Centauri suunas püsikiirusel 60 000 km / h, selle vahemaa läbimiseks kuluks 76 000 aastat (ehk üle 2500 põlvkonna). Kuid kui see suudaks saavutada rekordilise kiiruse Helios 2Päikese lähenev lähenemine - püsikiirus 240 000 km / h - see läheks 19 000 aastat (või üle 600 põlvkonna), et reisida 4,243 valgusaastat. Oluliselt parem, kuid siiski mitte praktilisuse valdkond.
Elektromagnetiline (EM) ajam:
Teine tähtedevahelise liikumise kavandatud meetod on raadiosagedusliku (RF) resonantsõõnsuse tõmbur, mida tuntakse ka kui EM-ajamit. Algselt 2001. aastal Ühendkuningriigi teadlase Roger K. Shawyeri ettepanekul, kes asutas Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) selle teostamiseks, on selle ajami aluseks idee, et elektromagnetilised mikrolaineõõnsused võimaldavad elektrienergia otsest muundamist tõukejõuks .
Kui tavapärased elektromagnetilised tõukejõud on konstrueeritud teatud tüüpi massi (näiteks ioniseeritud osakeste) liikumiseks, siis see konkreetne ajamissüsteem ei toimi reaktsioonimassil ega eralda suunavat kiirgust. Sellisele ettepanekule on avaldatud suurt skeptitsismi, peamiselt seetõttu, et see rikub impulsi säilitamise seadust - milles öeldakse, et süsteemi sees jääb impulsi suurus konstantseks ja seda ei looda ega hävitata, vaid see muutub ainult väed.
Hiljutised katsed disainiga on aga ilmselt andnud positiivseid tulemusi. NASA 2014. aasta juulis Ohios Clevelandis toimunud 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE ühisel tõukejõu konverentsil väitsid NASA täiustatud tõukejõu-uuringute teadlased, et nad on edukalt testinud elektromagnetilise tõukejõu ajami uut kujundust.
Sellele järgnes 2015. aasta aprillis, kui NASA Eagleworks (Johnsoni kosmosekeskuse osa) teadlased väitsid, et nad on ajami edukalt katsetanud vaakumis - see näitab, et see võib tegelikult kosmoses töötada. Sama aasta juulis ehitas Dresdeni tehnikaülikooli kosmosesüsteemi osakonna uurimisrühm oma mootori versiooni ja täheldas tuvastatavat tõukejõudu.
Ja 2010. aastal hakkas Hiinas Xi’anis asuva Loode polütehnilise ülikooli prof Juan Yang avaldama sarja referaate oma uurimuste kohta EM Drive tehnoloogia osas. See kulmineerus tema 2012. aasta paberlehes, kus ta teatas kõrgemast sisendvõimsusest (2,5 kW) ja katsetas tõukejõu (720mN) taset. 2014. aastal teatas ta lisaks ulatuslikest katsetest, mis hõlmasid sisetemperatuuri mõõtmist manustatud termopaaridega, mis näisid kinnitavat süsteemi toimimist.
NASA prototüübil (mille võimsus oli hinnanguliselt 0,4 N / kilovatti) põhinevate arvutuste kohaselt võis EM-ajamiga varustatud kosmoselaev teha reisi Pluutosse vähem kui 18 kuuga. See on kuuendik ajast, kui New Horizonsi sond sinna jõudis, kui kiirus oli lähedal 58 000 km / h (36 000 mph).
Kõlab muljetavaldavalt. Kuid isegi sellisel kiirusel kuluks üle EM-mootoritega varustatud laeva 13 000 aastat laevale jõudmiseks Proxima Centauri. Lähemale, kuid mitte piisavalt kiiresti! ja kuni selle ajani, mil tehnoloogia on lõplikult tõestatud, töötab, pole meie munade sellesse korvi panemist eriti mõtet.
Tuuma termiline / tuumaelektriline jõud (NTP / NEP):
Tähtedevahelise kosmoselennu teine võimalus on kasutada tuumamootoritega varustatud kosmoselaevu - kontseptsiooni, mida NASA on uurinud aastakümneid. Tuuma termilise tõukejõu (NTP) raketides kasutatakse uraani või deuteeriumi reaktsioone vedela vesiniku soojendamiseks reaktoris, muutes selle ioniseeritud vesinikgaasiks (plasmaks), mis seejärel suunatakse läbi raketi otsiku, et tekitada tõukejõud.
Tuumaelektrijaama (NEP) rakett hõlmab sama põhireaktorit, mis muundab selle soojuse ja energia elektrienergiaks, mis seejärel toidab elektrimootorit. Mõlemal juhul tugineks rakett tuuma lõhustumisele või termotuumasünteesile, et tekitada tõukejõudu, mitte keemilisi raketikütuseid, mis on NASA ja kõigi teiste kosmoseagentuuride põhialus.
Võrreldes keemilise tõukejõuga pakuvad nii NTP kui ka NEC mitmeid eeliseid. Esimene ja kõige ilmsem on praktiliselt piiramatu energiatihedus, võrreldes raketikütusega. Lisaks võiks tuumaenergiaga mootor pakkuda ka suuremat tõukejõudu kasutatava raketikütuse koguse suhtes. See vähendaks vajalikku raketikütuse kogust, vähendades nii stardimassi ja üksikute missioonide kulusid.
Ehkki tuumasoojusmootoreid pole kunagi lennanud, on viimase paarikümne aasta jooksul ehitatud ja katsetatud mitmeid ideekontseptsioone ning pakutud välja arvukalt kontseptsioone. Need on ulatunud traditsioonilisest kindla südamiku kujundusest - näiteks raketisõidukite rakenduste tuumamootor (NERVA) - kuni keerukamate ja tõhusamate kontseptsioonideni, mis sõltuvad kas vedelikust või gaasist.
Vaatamata neile kütusesäästlikkuse ja spetsiifilise impulsi eelistele on kõige keerukama NTP kontseptsiooni maksimaalne spetsiifiline impulss 5000 sekundit (50 kN · s / kg). Tuumomootorite abil, mis on ajendatud lõhustumisest või termotuumasünteesist, kulub NASA teadlaste sõnul kosmoselaevale jõudmiseks Marsil vaid 90 päeva, kui planeet oli opositsioonis - st 55 000 000 km kaugusel Maast.
Kuid kohandatud ühesuunaliseks teekonnaks Proxima Centaurisse, kulub tuumaraketil veel sajandeid, et kiirendada punktini, kus see lendas murdosa valguse kiirusest. Siis vajaks see mitu sihtkohta aastakümneid, millele järgneb veel mitu sajandit aeglustust enne sihtkohta jõudmist. Kõike öeldes räägime ikka veel 1000 aastat enne kui see sihtkohta jõuab. Hea planeetidevaheliste missioonide jaoks, mitte nii hea tähtedevaheliste missioonide jaoks.
Teoreetilised meetodid:
Olemasolevat tehnoloogiat kasutades oleks teadlaste ja astronautide vahelisele missioonile saatmiseks kuluv aeg liiga aeglane. Kui tahame selle teekonna läbi viia ühe elu jooksul või isegi põlvkonna jooksul, on vaja midagi pisut radikaalsemat (aka. Väga teoreetilist). Ja kuigi ussiaugud ja hüpomootorid võivad siiani olla vaid ilukirjandus, on mõned üsna arenenud ideed, mida on aastate jooksul kaalutud.
Tuumaimpulsi tõukejõud:
Tuumaimpulsside käitamine on teoreetiliselt võimalik kiire kosmosereisi vorm. Algselt pakkus kontseptsiooni välja 1946. aastal Manhattani projektis osalenud poola-ameerika matemaatik Stanislaw Ulam ning 1947. aastal tegid esialgsed arvutused F. Reines ja Ulam. Tegelik projekt - tuntud kui Project Orion - algatati 1958 ja kestis 1963. aastani.
Ted Taylori juhtimisel üldtuumaenergia alal ja füüsiku Freeman Dysoni poolt Princetonis edasijõudnute uuringute instituudist lootis Orion kasutada impulsside tuumaplahvatuste võimsust, et saada tohutu tõukejõud väga kõrge spetsiifilise impulsiga (st tõukejõu suurus võrreldes kaalu või sekundite arv, mille jooksul rakett võib pidevalt tulistada).
Lühidalt öeldes hõlmab Orioni disain suurt kosmoselaeva, millel on palju termotuumarelvakeid, mis saavutavad tõukejõu, vabastades selle taga oleva pommi ja sõites detonatsioonilaine tagant paigaldatud padja abil, mida nimetatakse tõukuriks. Pärast iga plahvatust neelab see tõukurpadi plahvatusjõudu, mis siis muudab tõukejõu hoogu.
Ehkki tänapäevaste standardite järgi pole see kuigi elegantne, on disaini eeliseks see, et see saavutab kõrge spetsiifilise impulsi - see tähendab, et see eraldab kütuseallikast (antud juhul tuumapommid) minimaalse kuluga maksimaalse energiakoguse. Lisaks võiks kontseptsioon teoreetiliselt saavutada väga suuri kiirusi, mõnede hinnangute kohaselt võib kuulide pargi näit olla kuni 5% valguse kiirusest (või 5,4 × 107 km / h).
Kuid loomulikult on ka kujunduses vältimatu varjukülg. Ühe jaoks oleks sellise suurusega laeva ehitamine uskumatult kallis. Dysoni 1968. aastal koostatud hinnangute kohaselt oleks Orioni kosmoselaeva, mis kasutas tõukejõu tootmiseks vesinikupomme, kaal 400 000–4 000 000 tonni. Ja vähemalt kolm neljandikku sellest massist koosneb tuumapommidest, kus iga lahingumoona kaal on umbes 1 tonn.
Dysoni kõige konservatiivsemate hinnangute kohaselt oli Orioni veesõiduki ehituse kogumaksumus 367 miljardit dollarit. Inflatsiooni järgi kohandatuna saab see umbes 2,5 triljonit dollarit - mis moodustab üle kahe kolmandiku USA valitsuse praegusest aastasest tulust. Seega, isegi kõige kergematel juhtudel, oleks käsitöö tootmine äärmiselt kallis.
Seal on ka kogu tekkiva kiirguse väike probleem, tuumajäätmetest rääkimata. Tegelikult arvatakse, et projekt on sel põhjusel lõppenud, kuna võeti vastu 1963. aasta osalise katsekeelu leping, mille eesmärk oli piirata tuumakatsetusi ja peatada tuumajääkide liigne eraldumine planeedi atmosfääri.
Termotuumasünteesi raketid:
Teine võimalus rakendatud tuumaenergia valdkonnas hõlmab rakette, mis toetuvad termotuumareaktsioonidele tõukejõu tekitamiseks. Selle kontseptsiooni jaoks luuakse energia siis, kui deuteerium / heelium-3 segu graanulid süüdatakse reaktsioonikambris inertsuse teel, kasutades elektronkiirte (sarnaselt Kalifornias asuvas riiklikus süütemajas toimuvaga). See termotuumasünteesi reaktor detoneerib 250 pelletit sekundis, et tekitada suure energiatarbimisega plasma, mida seejärel suunatakse magnetilise düüsi abil tõukejõu tekitamiseks.
Nagu tuumareaktoril põhinev rakett, pakub see kontseptsioon eeliseid kütusesäästlikkuse ja konkreetse impulsi osas. Hinnatakse heitgaasi kiirust kuni 10 600 km / s, mis ületab tavapäraste rakettide kiirust kaugelt. Veelgi enam, seda tehnoloogiat on viimase paarikümne aasta jooksul põhjalikult uuritud ja tehtud on palju ettepanekuid.
Näiteks viis Briti Planeetidevaheline Selts aastatel 1973–1978 läbi teostatavusuuringu, mida tunti projekti Daedalus nime all. Tuginedes praegustele teadmistele termotuumasünteesi ja olemasolevate meetodite kohta, kutsus uuring üles looma kaheetapiline mehitamata teadussond, mis teeks ühe elu jooksul reisi Barnard's Stari (Maast 5,9 valgusaastat).
Esimene, kahest suurem etapp töötaks 2,05 aastat ja kiirendaks kosmoselaeva valguse kiiruseni 7,1% (o,071 c). See etapp kaotatakse siis, kui teine etapp süütab selle mootori ja kiirendab kosmoselaeva kiirust umbes 12% -ni valguse kiirusest (0,12 c) 1,8 aasta jooksul. Seejärel suletakse teise astme mootor ja laev siseneb 46-aastasele kruiisiperioodile.
Projekti hinnangul kulub missioonil Barnard's Starini jõudmiseks 50 aastat. Proxima Centauri jaoks kohandatud võiks sama käsitöö reisi sisse viia 36 aastat. Kuid loomulikult tuvastas projekt ka arvukalt komistuskivisid, mis tegid selle praeguse tehnoloogia abil võimatuks - enamik neist on endiselt lahendamata.
Näiteks on tõsiasi, et heelium-3 on Maal vähe, mis tähendab, et see tuleks kaevandada mujale (tõenäoliselt Kuule). Teiseks nõuab kosmoselaeva juhi reaktsioon, et eralduv energia ületaks tunduvalt reaktsiooni käivitamiseks kasutatud energiat. Ja kuigi katsed siin Maakeral on ületanud “murdmise eesmärgi”, oleme me veel kaugel sellest, millist energiat on vaja tähtedevahelise kosmoselaeva käitamiseks.
Kolmandaks on sellise laeva ehitamisel kulutegur. Isegi projekti Daedalus mehitamata veesõiduki tagasihoidliku standardi järgi oleks täiskütusel töötava veesõiduki mass 60 000 tonni. Vaadates seda perspektiivi, on NASA SLS-i brutomass pisut üle 30 miljoni tonni ja ühe turuletoomise hinnasilt on 5 miljardit dollarit (2013. aastal tehtud hinnangute põhjal).
Lühidalt - termotuumasünteesi raketi ehitamine poleks üksnes ülemäära kallis; see eeldaks ka termotuumasünteesireaktoritehnoloogia taset, mis on praegu meie võimalustest suurem. Icarus Interstellar, rahvusvaheline vabatahtlike kodanike teadlaste organisatsioon (kellest mõned töötas NASA või ESA heaks) on sellest ajast alates üritanud seda projekti Icaruse abil taaselustada. 2009. aastal asutatud grupp loodab termotuumasünteesi (muu hulgas) lähitulevikus teostatavaks muuta.
Fusion Ramjet:
Seda tõukejõu teoreetilist vormi, tuntud ka kui Bussard Ramjet, pakkus esmakordselt välja füüsik Robert W. Bussard 1960. aastal. Põhimõtteliselt on see täiustus võrreldes tavalise tuumasünteesi raketiga, mis kasutab vesivälja kütuse kokkusurumiseks magnetväljadega kokkusulamiseks toimub. Kuid Ramjeti juhtumi korral "haarab" tohutu elektromagnetiline lehter tähtedevahelisest keskkonnast vesiniku ja viskab selle reaktorisse kütusena.
Laeva kiirenedes sunnitakse reaktiivne mass järk-järgult ahendatud magnetväljaks, surudes seda kokku kuni tuumasünteesini. Seejärel suunab magnetväli energia raketi heitgaasina läbi mootori düüsi, kiirendades sellega laeva. Ilma ühegi kütusepaagiga, mis seda kaaluks, võiks termotuumasüntees saavutada kiiruse, mis läheneb 4% -le valguse kiirusest, ja liikuda galaktikas kõikjale.
Selle disaini potentsiaalsed puudused on siiski arvukad. Näiteks on probleem lohistamisega. Laev tugineb kütuse akumuleerimisel suurenenud kiirusele, kuid kuna see põrkub järjest enam tähtedevahelise vesinikuga, võib see ka kiirust kaotada - eriti galaktika tihedamates piirkondades. Teiseks on deuteerium ja triitium (mida kasutatakse siin Maal termotuumasünteesi reaktorites) kosmoses harva, samas kui tavalise vesiniku (mida on kosmoses küllaga) sulatamine on väljaspool meie praeguseid meetodeid.
Seda mõistet on ulmekirjanduses laialdaselt populariseeritud. Võib-olla kõige tuntum näide selle kohta on frantsiis Star Trek, kus “Bussardi kollektsionäärid” on lõimemootorite hõõguvad nacelid. Kuid tegelikkuses peavad meie teadmised termotuumareaktsioonide kohta märkimisväärselt arenema, enne kui mähis on võimalik. Peaksime ka enne sellise laeva ehitamist kaaluma, et see häiriv tõmbeprobleem on!
Laserpurje:
Päikesepurje on pikka aega peetud kulusäästlikuks viisiks päikesesüsteemi uurimiseks. Lisaks sellele, et seda on suhteliselt lihtne ja odav toota, pakutakse lisaks ka päikesepurjeid, mis ei vaja kütust. Propellendit vajavate rakettide asemel kasutab puri tähtede kiirgusrõhku, et lükata suured ülikerged peeglid suurele kiirusele.
Tähtedevahelise lennu huvides peaks sellist purje siiski suunama fokuseeritud energiakiirtega (s.o laserid või mikrolained), et suruda see valguse kiirusele lähenevale kiirusele. Selle idee pakkus algselt välja Robert Forward 1984. aastal, kes oli sel ajal füüsik Hughes Aircraft'i teaduslaborites.
Kontseptsioon säilitab päikesepurje eelised, kuna see ei vaja pardal olevat kütust, vaid ka seetõttu, et laserienergia ei haju vahemaaga peaaegu nii palju kui päikesekiirgus. Nii et laseri abil juhitaval purjeel läheks veidi aega kiirendamiseks peaaegu helendava kiiruseni, piirduks see ainult valguse kiirusega ise.
NASA jugajõuseadmete laboratooriumi täiustatud tõukejõu kontseptsiooni uuringute juhi Robert Frisbee 2000. aasta uuringu kohaselt võiks laserpurje kiirendada vähem kui kümne aasta jooksul valguse kiiruseni poole võrra. Samuti arvutas ta, et umbes 320 km (200 miili) läbimõõduga puri võib Proxima Centaurisse jõuda veidi üle selle 12 aastat. Samal ajal saabuks veidi alla 965 km (600 miili) läbimõõduga puri 9 aastat.
Kuid selline puri peaks sulamise vältimiseks olema ehitatud keerukatest komposiitidest. Koos oma suurusega annaks see päris senti! Veelgi hullem on laseri ehitamisest tulenevad suured kulud, mis on piisavalt suured ja võimsad, et purje viia valguse kiirusele poole vähem. Frisbee'i enda uuringu kohaselt vajaksid laserid 17 000 teravatise võimsuse pidevat voolu - see on lähedane kogu maailma ühe päeva tarbimisele.
Antimaterjalimootor:
Ulmefännid on kindlasti kuulnud antimaterjalist. Kuid kui te seda ei tee, on antimaterjal põhiliselt osakestest koosnev materjal, millel on sama mass, kuid vastupidine laeng nagu tavalistel osakestel. Vahepeal on antimaterjalimootor mootori liik, mis kasutab energia ja antimaterjali vastasmõjusid energia genereerimiseks või tõukejõu tekitamiseks.
Lühidalt, antimaterjalimootor hõlmab vesiniku ja antivesiniku osakeste kokkusurumist. See reaktsioon vabastab nii palju energiat kui termotuumapomm koos subtoomiliste osakeste dušiga, mida nimetatakse pioonideks ja kuunideks. Need osakesed, mis liiguvad valguse kiirusega ühe kolmandiku võrra, suunatakse seejärel tõukejõu tekitamiseks magnetilise düüsi abil.
Selle raketi klassi eeliseks on see, et suure osa aine / antimaterjali segu ülejäänud massist saab muundada energiaks, võimaldades antimaterjalrakettidel palju suurem energiatihedus ja spetsiifiline impulss kui ühelgi teisel väljapakutud raketi klassil. Veelgi enam, sellist laadi reaktsiooni kontrollimine võib raketi suruda kuni valguse kiirus pooleni.
Naela naela eest oleks selle klassi laev kiireim ja kütusesäästlikum kui eales läbi mõeldud. Kui tavapärased raketid vajavad kosmoselaeva sihtkohta jõudmiseks tonni keemilist kütust, siis antimaterjalimootor saaks sama töö teha vaid mõne milligrammi kütusega. Tegelikult vabastaks poole kilo vesiniku ja antivesiniku osakeste vastastikune hävitamine rohkem energiat kui 10-megatonne vesinikupomm.
Just sel sel põhjusel NASA Täiustatud kontseptsioonide instituut (NIAC) on uurinud tehnoloogiat kui võimalikku vahendit tulevasteks Marsi missioonideks. Paraku korrutatakse lähedalasuvate tähesüsteemide missioonide kaalumisel reisi tegemiseks vajamineva kütuse koguse hüppeliselt ja selle valmistamisega seotud kulud oleksid astronoomilised (no pun!).
AIAA / ASME / SAE / ASEE 39. ühiseks tõukejõu konverentsiks ja eksponaadiks (ka Robert Frisbee poolt) koostatud raporti kohaselt vajaks kaheastmeline antimaterjalide rakett teekonna läbimiseks üle 815 000 tonni (900 000 USA tonni) kütust. umbes 40 aasta pärast Proxima Centaurisse. Ajavahemike osas pole see halb. Kuid jällegi, kulud…
Kui ühe grammi antimaterjali tootmiseks kuluks uskumatult palju energiat, siis ühe grammi tootmiseks kulub hinnanguliselt umbes 25 miljonit miljardit kilovatt-tundi energiat ja see maksab triljonit dollarit. Praegu on inimeste loodud antimaterjali üldkogus alla 20 nanogrammi.
Ja isegi kui me saaksime odavalt antimaterjali toota, oleks vaja vajalikku kütusekogust massiivset laeva. Arizonas asuva Embry-Riddle'i aeronautikaülikooli dr Darrel Smithi ja Jonathan Webby raporti kohaselt võis antimaterjalimootoriga varustatud tähtedevaheline veesõiduk saavutada valguse kiiruse 0,5 ja jõuda Proxima Centaurisse pisut üle 8 aastat. Laev ise kaaluks aga 400 tonni (441 USA tonni) ja reisi jaoks oleks vaja 170 tonni (187 USA tonni) antimateriaalset kütust.
Võimalik viis selleks on anuma loomine, mis võib tekitada antimaterjali, mida ta saaks seejärel kütusena ladustada. Selle kontseptsiooni, mida tuntakse rakettidevahelise tähtede uurimise süsteemina (VARIES), pakub välja Richard Obousy Icarus Interstellarist. In situ tankimise ideele tuginedes laev VARIES tugineb suurtele laseritele (toidetakse tohutute päikesemassiividega), mis tekitaksid tühjast kohast tulistades antimaterjali osakesi.
Sarnaselt Ramjeti kontseptsioonile lahendab see ettepanek kütuse vedamise probleemi, rakendades seda kosmosest. Kuid jällegi oleks sellise laeva suur maksumus praeguse tehnoloogia kasutamisel ülemäära kallis. Lisaks ei ole suures mahus antimaterjali loomise võime midagi sellist, mis meil praegu on. Samuti on küsimus kiirguses, kuna aine ja antimaterjali hävitamine võib tekitada suure energiaga gammakiirte plahvatusi.
See ei tähenda mitte ainult meeskonnale ohtu, mis nõuab kiirguse eest olulist varjestust, kuid nõuab ka mootorite varjestust, et mootorid ei kahjustaks kogu kiirgust, millega nad kokku puutuvad, aatomi lagunemist. Niisiis, antimaterjalimootor on meie praeguse tehnoloogia ja praeguses eelarvekeskkonnas täiesti ebapraktiline.
Alcubierre lõimeajam:
Ulmefännid tunnevad kahtlemata ka Alcubierre'i (või “lõime”) kontseptsiooni. Mehhiko füüsiku Miguel Alcubierre poolt 1994. aastal väljapakutud meetod oli katse teha FTL-i reisimine võimalikuks, ilma et see rikuks Einsteini erirelatiivsusteooriat. Lühidalt öeldes hõlmab kontseptsioon ruumi-aja kanga venitamist laineliselt, mis teoreetiliselt põhjustaks objekti ees oleva ruumi kokkutõmbumise ja selle taga oleva ruumi laienemise.
Selle laine sees olev objekt (s.o kosmoselaev) saaks sel juhul lainemullina tuntud lainest üle relativistliku kiiruse. Kuna laev ei liigu selle mulli sees, vaid liigub seda liikudes, kaotaks ruumi-aja ja suhtelisuse reeglite kohaldamine. Põhjus on see, et see meetod ei sõltu kohalikus tähenduses valgusest kiiremini liikumisest.
See on ainult „kiirem kui valgus” selles mõttes, et laev võiks sihtkohta jõuda kiiremini kui väljaspool lõimemulli liikuv valguskiir. Kui eeldada, et kosmoselaev võiks olla varustatud Alcubierre Drive süsteemiga, saaks ta teha reisi Proxima Centaurisse vähem kui 4 aastat. Nii et kui rääkida teoreetilisest tähtedevahelisest kosmosereisist, on see kaugeltki kõige lootustandvam tehnoloogia, vähemalt kiiruse osas.
Loomulikult on kontseptsioon aastate jooksul saanud oma osa vastuargumentidest. Peamine nende seas on asjaolu, et see ei võta kvantmehaanikat arvesse ja selle võib kõiksuse teooria (näiteks silmuskvantgravitatsioon) kehtetuks tunnistada. Vajaliku energiakulu arvutused on samuti näidanud, et lõime ajam nõuab tööks liiga palju energiat. Muud ebamäärasused hõlmavad sellise süsteemi ohutust, mõjusid sihtpunkti kosmoseajale ja põhjuslikkuse seoseid.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
