Všetci sme si položili túto otázku v určitom okamihu nášho života: Ako dlho bude trvať cestovanie k hviezdam? Mohlo by to byť v živote človeka a mohol by sa tento druh cestovania jedného dňa stať normou? Na túto otázku existuje veľa možných odpovedí - niektoré veľmi jednoduché, iné v oblasti sci-fi. Ale prísť s komplexnou odpoveďou znamená brať do úvahy veľa vecí.
Bohužiaľ, akékoľvek realistické hodnotenie pravdepodobne prinesie odpovede, ktoré by úplne odradili futuristov a nadšencov medzihviezdneho cestovania. Priestor je veľmi veľký a naša technológia je stále veľmi obmedzená. Ak by sme však niekedy uvažovali o „opustení hniezda“, budeme mať celý rad možností, ako sa dostať k najbližším solárnym systémom v našej galaxii.
Najbližšou hviezdou na Zemi je naše Slnko, ktoré je pomerne „priemernou“ hviezdou v hlavnej sekvencii Hertzsprung - Russell Diagram. To znamená, že je vysoko stabilný a poskytuje Zemi správny typ slnečného svetla na život, ktorý sa vyvíja na našej planéte. Vieme, že v blízkosti našej slnečnej sústavy sú planéty obiehajúce okolo iných hviezd a mnohé z nich sú podobné našej.
V budúcnosti, ak by si ľudstvo želalo opustiť slnečnú sústavu, budeme mať obrovský výber hviezd, do ktorých by sme mohli cestovať, a mnoho z nich by mohlo mať také podmienky, aby sa darilo životu. Kam by sme však šli a ako dlho by sme sa tam dostali? Nezabudnite, že je to všetko špekulatívne a v súčasnosti neexistujú referenčné hodnoty pre medzihviezdne cesty. Ako už bolo povedané, ideme!
Najbližšia hviezda:
Ako už bolo uvedené, najbližšou hviezdou našej slnečnej sústavy je Proxima Centauri, a preto je rozumné najskôr naplánovať medzihviezdnu misiu do tohto systému. Ako súčasť trojhviezdneho systému zvaného Alpha Centauri je Proxima vzdialená asi 4,24 svetelných rokov (alebo 1,3 parsec) od Zeme. Alfa Centauri je vlastne najjasnejšia hviezda z troch v systéme - súčasť úzko obiehajúcich binárnych 4,37 svetelných rokov od Zeme - zatiaľ čo Proxima Centauri (najtlmšia z troch) je izolovaný červený trpaslík asi 0,13 svetelných rokov od binárneho systému. ,
A zatiaľ čo medzihviezdne cestovanie vyvoláva všetky druhy vízií rýchlejšieho než ľahkého (FTL) cestovania, od rýchlosti osnovy a červí diery po skokové jazdy, tieto teórie sú buď veľmi špekulatívne (napríklad Alcubierre Drive) alebo úplne provincia vedy. fiction. Je pravdepodobné, že akákoľvek vesmírna misia bude pravdepodobne trvať generácie, aby sa tam dostali, nie pár dní alebo v okamžitom blesku.
Takže, počnúc jednou z najpomalších foriem cestovania do vesmíru, ako dlho bude trvať, než sa dostanete do Proxima Centauri?
Súčasné metódy:
Otázka, ako dlho by to trvalo niekde vo vesmíre, je o niečo ľahšie, keď sa zaoberáme existujúcimi technológiami a telesami v našej slnečnej sústave. Napríklad použitie technológie, ktorá poháňala misiu New Horizons, ktorá pozostávala zo 16 pohonných jednotiek poháňaných hydrazínovým monopropelentom, by dosiahnutie Mesiaca trvalo iba 8 hodín a 35 minút.
Na druhej strane existuje misia Európskej vesmírnej agentúry (ESA) SMART-1, ktorá si vzala čas na cestu na Mesiac pomocou metódy iónového pohonu. S touto revolučnou technológiou, ktorej variácia od tej doby používala kozmická loď Dawn na dosiahnutie Vesty, trvala misia SMART-1 jeden mesiac, jeden mesiac a dva týždne, aby sa dostala na Mesiac.
Od rýchlej kozmickej lode s raketovým pohonom až po úsporný iónový pohon máme niekoľko možností, ako sa obísť okolo miestneho vesmíru - a navyše by sme mohli použiť statný gravitačný prak Jupiter alebo Saturn. Keby sme však mali uvažovať o misiách niekde trochu viac z cesty, museli by sme rozšíriť našu technológiu a pozrieť sa na to, čo je skutočne možné.
Keď hovoríme o možných metódach, hovoríme o tých, ktoré zahŕňajú existujúcu technológiu alebo o tých, ktoré ešte neexistujú, ale sú technicky uskutočniteľné. Niektorí, ako uvidíte, sú ocenení časom a dokázaní, zatiaľ čo iní sa objavujú alebo sú stále na palube. V takmer všetkých prípadoch však predstavujú možný (ale extrémne časovo alebo nákladný) scenár, ktorý osloví aj tie najbližšie hviezdy ...
Iónový pohon:
V súčasnosti je najpomalšou formou pohonu a najúčinnejšou spotrebou paliva iónový motor. Pred niekoľkými desaťročiami bol iónový pohon považovaný za predmet sci-fi. Avšak v posledných rokoch sa technológia na podporu iónových motorov posunula od teórie k praxi veľkým spôsobom. Napríklad misia ESA SMART-1 úspešne dokončila svoju misiu na Mesiac po 13-mesačnej špirálovej ceste od Zeme.
SMART-1 používal solárne poháňané iónové pohony, kde sa zo solárnych panelov zbierala elektrická energia a poháňali sa ich hnetre s efektom Hall. Na pohon SMART-1 na Mesiac sa použilo iba 82 kg xenónovej pohonnej látky. 1 kg hnacej látky xenónu poskytla delta-v 45 m / s. Je to vysoko účinná forma pohonu, ale v žiadnom prípade nie je rýchla.
Jednou z prvých misií na použitie technológie iónového pohonu bola Hlboký priestor 1 misia pre Comet Borrelly, ktorá sa uskutočnila v roku 1998. DS1 použila aj xenónovú pohonnú jednotku, ktorá spotrebovala 81,5 kg paliva. Za viac ako 20 mesiacov ťahu sa DS1 podarilo dosiahnuť rýchlosť 56 000 km / h (35 000 míľ / h) počas preletu kométy.
Iónové pohony sú preto ekonomickejšie ako raketová technológia, pretože ťah paliva na jednotku paliva (a.k.a. špecifický impulz) je oveľa vyšší. Trvá však dlho, kým urýchľovače iónov urýchlia kozmickú loď na akékoľvek veľké rýchlosti a maximálna rýchlosť, ktorú môže dosiahnuť, závisí od dodávky paliva a od množstva elektrickej energie, ktorú môže generovať.
Takže ak by sa iónový pohon mal použiť na misiu v Proxima Centauri, poháňače by potrebovali obrovský zdroj výroby energie (t.j. jadrová energia) a veľké množstvo pohonnej látky (aj keď stále menšie ako tradičné rakety). Ale na základe predpokladu, že dodávka 81,5 kg xenónového paliva sa premieta do maximálnej rýchlosti 56 000 km / h (a že nie sú k dispozícii žiadne iné formy pohonu, ako je napríklad gravitačný prak na jeho ďalšie zrýchlenie), niektoré výpočty môžu vyrobené.
Stručne povedané, maximálnou rýchlosťou 56 000 km / h, Hlboký priestor 1 prevezme to 81 000 rokov prejsť 4,24 svetelných rokov medzi Zemou a Proxima Centauri. Z hľadiska časového hľadiska by to malo byť viac ako 2 700 ľudských generácií. Dá sa teda povedať, že misia medziplanetárneho iónového motora by bola príliš pomalá na to, aby sa mohla považovať za medzihviezdnu misiu s posádkou.
Ak by sa však iónové pohony zväčšili a silnejšie (tj rýchlosť iónového výfukového plynu by musela byť výrazne vyššia) a bolo by možné natiahnuť dosť paliva, aby sa kozmická loď mohla udržať po celú cestu svetelným rokom 4 433, tento cestovný čas by sa mohol výrazne zvýšiť znížený. Aj tak však nestačí na to, aby sa niekto v živote stal.
Metóda gravitačnej asistencie:
Najrýchlejší existujúci spôsob cestovania do vesmíru je známy ako metóda gravitačného asistencie, pri ktorej sa kozmická loď používa na zmenu relatívneho pohybu (t. J. Obežnej dráhy) a gravitácie planéty, a to cestu a rýchlosť. Gravitačné asistencie sú veľmi užitočnou technikou vesmírneho letu, najmä pri použití Zeme alebo inej masívnej planéty (ako plynový gigant) na zvýšenie rýchlosti.
Námorník 10 kozmická loď bola prvou, ktorá použila túto metódu, pomocou gravitačného ťahu Venuše, ktorý ju pritiahol k Merkúru vo februári 1974. V 80. rokoch 20. storočia Voyager 1 Sonda použila na gravitačné praky Saturn a Jupiter, aby dosiahla svoju súčasnú rýchlosť 60 000 km / h (38 000 míľ / h) a urobila ju z medzihviezdneho priestoru.
Avšak, to bolo Helios 2 misia - ktorá bola zahájená v roku 1976 s cieľom študovať medziplanetárne médium od 0,3 AU do 1 AU po Slnko - ktorá drží rekord pre najvyššiu rýchlosť dosiahnutú pomocou gravitačnej asistencie. V tom čase, Helios 1 (ktorá sa začala v roku 1974) a Helios 2 držal rekord pre najbližší prístup k Slnku. Helios 2 bol spustený konvenčným nosným prostriedkom NASA Titan / Centaur a umiestnený na vysoko eliptickú obežnú dráhu.
Vzhľadom na veľkú excentricitu (0,54) sond slnečnej obežnej sondy (190 dní) v perihéliu, Helios 2 bola schopná dosiahnuť maximálnu rýchlosť viac ako 240 000 km / h (150 000 míľ / h). Táto orbitálna rýchlosť bola dosiahnutá gravitačným ťahom Slnka. Z technického hľadiska Helios 2 perihelionová rýchlosť nebola gravitačným prakom, bola to maximálna orbitálna rýchlosť, ale stále drží rekord za to, že bol najrýchlejším človekom vyrobeným objektom bez ohľadu na to.
Takže, ak Voyager 1 cestoval smerom k červenému trpaslíkovi Proxima Centauri konštantnou rýchlosťou 60 000 km / h, cestovanie po tejto vzdialenosti by trvalo 76 000 rokov (alebo viac ako 2 500 generácií). Ale ak by to mohlo dosiahnuť rekordnú rýchlosť Helios 2Blízky prístup k Slnku - konštantná rýchlosť 240 000 km / h - to by vyžadovalo 19 000 rokov (alebo viac ako 600 generácií) na cestu 4 433 svetelných rokov. Podstatne lepšie, ale stále nie v oblasti praktickosti.
Elektromagnetický (EM) pohon:
Ďalší navrhovaný spôsob medzihviezdneho cestovania je vo forme vysokofrekvenčného (RF) rezonančného kavitárneho thrusteru, známeho tiež ako EM Drive. Táto jednotka, pôvodne navrhnutá v roku 2001 Rogerom K. Shawyerom, britským vedcom, ktorý ju začal realizovať v spoločnosti Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), je založený na myšlienke, že elektromagnetické mikrovlnné dutiny môžu umožniť priamu premenu elektrickej energie na ťah. ,
Zatiaľ čo konvenčné elektromagnetické pohony sú navrhnuté tak, aby poháňali určitý druh hmoty (napríklad ionizované častice), tento konkrétny pohonný systém sa spolieha na žiadnu reakčnú hmotu a nevydáva žiadne smerové žiarenie. Takýto návrh sa stretol s veľkým skepticizmom, najmä preto, že porušuje zákon zachovania hybnosti - ktorý uvádza, že v rámci systému zostáva miera hybnosti konštantná a nie je ani vytváraná ani zničená, ale mení sa iba pôsobením síl.
Nedávne experimenty s návrhom však zjavne priniesli pozitívne výsledky. V júli 2014, na 50. spoločnej konferencii AIAA / ASME / SAE / ASEE v Clevelande v štáte Ohio, vedci z pokročilého prieskumu pohonu NASA tvrdili, že úspešne vyskúšali nový dizajn elektromagnetického pohonu.
Toto bolo sledované v apríli 2015, keď vedci z agentúry NASA Eagleworks (súčasť Johnsonovho vesmírneho centra) tvrdili, že disk úspešne otestovali vo vákuu, čo naznačuje, že by to skutočne mohlo fungovať vo vesmíre. V júli toho istého roku výskumný tím z oddelenia vesmírneho systému Drážďanskej technickej univerzity postavil svoju vlastnú verziu motora a zistil zistiteľný ťah.
V roku 2010 začala prof. Juan Yang z Northwestern Polytechnical University v Xi'an v Číne publikovať sériu článkov o svojom výskume technológie EM Drive. To vyvrcholilo v jej príspevku z roku 2012, kde uviedla vyšší vstupný výkon (2,5 kW) a testované úrovne ťahu (720 mN). V roku 2014 ďalej uviedla rozsiahle testy zahŕňajúce meranie vnútornej teploty so zabudovanými termočlánkami, ktoré, ako sa zdá, potvrdzujú fungovanie systému.
Podľa výpočtov založených na prototype NASA (ktorý poskytol odhad výkonu 0,4 N / kilowatt), kozmická loď vybavená jednotkou EM mohla vykonať výlet do Pluta za menej ako 18 mesiacov. Je to šestina času, kým sa k nám dostala sonda New Horizons, ktorá cestovala rýchlosťou takmer 58 000 km / h (36 000 mph).
Znie to pôsobivo. Ale aj pri takomto pomere by to trvala loď vybavená EM motormi 13 000 rokov aby sa plavidlo dostalo do Proxima Centauri. Blížiť sa, ale nie dosť rýchlo! a dovtedy, kým nebude možné s konečnou platnosťou dokázať, že táto technológia funguje, nemá zmysel vkladať naše vajcia do tohto koša.
Jadrový tepelný / jadrový elektrický pohon (NTP / NEP):
Ďalšou možnosťou pre medzihviezdny vesmírny let je použitie kozmickej lode vybavenej jadrovými motormi, čo je koncept, ktorý NASA skúma už desaťročia. V rakete Nuclear Thermal Propulsion (NTP) sa uránové alebo deutériové reakcie používajú na zahrievanie kvapalného vodíka vo vnútri reaktora a jeho premenu na ionizovaný plynný vodík (plazma), ktorý sa potom vedie cez dýzu rakety, aby sa dosiahol ťah.
Raketa jadrového elektrického pohonu (NEP) zahŕňa rovnaký základný reaktor premieňajúci svoje teplo a energiu na elektrickú energiu, ktorá by potom poháňala elektrický motor. V obidvoch prípadoch by sa raketa spoliehala na jadrové štiepenie alebo jadrovú syntézu, aby vytvorila pohon skôr ako chemické pohonné látky, čo bolo doteraz základom agentúry NASA a všetkých ostatných vesmírnych agentúr.
V porovnaní s chemickým pohonom, NTP aj NEC ponúkajú množstvo výhod. Prvým a najzreteľnejším je takmer neobmedzená hustota energie, ktorú ponúka v porovnaní s raketovým palivom. Okrem toho by motor s jadrovým pohonom mohol poskytovať lepší ťah v porovnaní s množstvom použitého paliva. Tým by sa znížilo celkové množstvo potrebnej pohonnej látky, čím by sa znížila hmotnosť pri rozjazde a náklady na jednotlivé misie.
Aj keď žiadne jadrové tepelné motory nikdy neleteli, v posledných desaťročiach sa vyrobilo a otestovalo niekoľko koncepčných koncepcií a navrhlo sa veľa koncepcií. Od tradičného dizajnu s pevným jadrom - napríklad jadrový motor pre aplikáciu raketových vozidiel (NERVA) - až po pokročilejšie a účinnejšie koncepcie, ktoré sa spoliehajú na kvapalinové alebo plynové jadro.
Napriek týmto výhodám v palivovej úspornosti a špecifickom impulze má však najsofistikovanejšia koncepcia NTP maximálny špecifický impulz 5 000 sekúnd (50 kN · s / kg). Vedci agentúry NASA odhadujú, že pomocou jadrových motorov poháňaných štiepením alebo fúziou sa vesmírnej lodi dostane iba 90 dní na to, aby sa dostalo na Mars, keď bola planéta v „opozícii“ - tj 55 000 000 km od Zeme.
Ale upravená na jednosmernú cestu do Proxima Centauri, jadrová raketa bude trvať ešte storočia, kým sa zrýchli do bodu, keď letí zlomkom rýchlosti svetla. Potom by si to vyžadovalo niekoľko desaťročí cestovného času, po ktorom by nasledovalo mnoho ďalších storočí spomalenia, kým sa dostane na miesto určenia. Všetci povedali, stále hovoríme 1000 rokov predtým, ako dosiahne svoj cieľ. Dobré pre medziplanetárne misie, nie také dobré pre medzihviezdne misie.
Teoretické metódy:
Pri použití existujúcej technológie by čas potrebný na odoslanie vedcov a astronautov na medzihviezdnu misiu bol neúmerne pomalý. Ak sa chceme vydať touto cestou za jediný život alebo dokonca za generáciu, bude potrebné niečo radikálnejšie (tiež vysoko teoretické). A zatiaľ čo červí diery a skokové motory môžu byť v tomto okamihu stále čistou fikciou, existuje niekoľko pomerne pokročilých nápadov, ktoré sa v priebehu rokov zvažovali.
Pohon jadrových impulzov:
Pohon jadrových impulzov je teoreticky možná forma rýchleho vesmírneho cestovania. Tento koncept pôvodne navrhol v roku 1946 poľsko-americký matematik Stanislaw Ulam, ktorý sa zúčastnil na projekte Manhattan, a predbežné výpočty potom vykonali F. Reines a Ulam v roku 1947. Samotný projekt - známy ako Project Orion - sa začal v roku 1958 a trvala do roku 1963.
Pod vedením Teda Taylora na všeobecnej atómovej fyzike a fyzika Freemana Dysona z Inštitútu pre pokročilé štúdium v Princetone Orion dúfal, že využije silu pulzných jadrových explózií a poskytne obrovský ťah s veľmi vysokým špecifickým impulzom (tj množstvo ťahu v porovnaní s hmotnosťou alebo množstvo sekúnd, počas ktorých môže raketa nepretržite strieľať).
Stručne povedané, konštrukcia Orionu zahŕňa veľkú kozmickú loď s vysokou zásobou termonukleárnych hlavíc, ktorá dosahuje pohon tým, že za ňu uvoľní bombu a potom na detonačnej vlne pomocou zadného vankúša nazývaného „posunovač“. Po každom výbuchu by táto výtlačná podložka absorbovala výbušnú silu, ktorá potom premieňa nápor na dynamiku.
Aj keď moderné štandardy sotva elegantné, ich výhodou je to, že dosahujú vysoký špecifický impulz - to znamená, že pri minimálnych nákladoch extrahuje maximálne množstvo energie zo svojho zdroja paliva (v tomto prípade jadrové bomby). Okrem toho by koncepcia mohla teoreticky dosiahnuť veľmi vysoké rýchlosti, pričom niektoré odhady naznačujú, že hodnota svetelného parku dosahuje 5% rýchlosti svetla (alebo 5,4 × 10).7 km / h).
Ale samozrejme, tam sú nevyhnutné nevýhody designu. Napríklad stavba lode takej veľkosti by bola neuveriteľne drahá. Podľa odhadov, ktoré vypracoval Dyson v roku 1968, by kozmická loď Orion, ktorá používala vodíkové bomby na výrobu pohonu, mala hmotnosť 400 000 až 4 000 000 metrických ton. Aspoň tri štvrtiny tejto hmotnosti sa skladajú z jadrových bômb, kde každá hlavica váži približne 1 metrickú tonu.
Všetci povedali, podľa najkonzervatívnejších odhadov Dysonu boli celkové náklady na výstavbu orionského plavidla 367 miliárd dolárov. Po očistení o infláciu to vyjde na zhruba 2,5 bilióna dolárov. To predstavuje viac ako dve tretiny súčasného ročného príjmu vlády USA. Z tohto dôvodu by bola výroba plavidla, aj keď je najľahšia, veľmi drahá.
Je tu tiež mierny problém so všetkým žiarením, ktoré vytvára, nehovoriac o jadrovom odpade. V skutočnosti sa z tohto dôvodu verí, že projekt bol ukončený v dôsledku schválenia zmluvy o čiastočnom zákaze skúšok z roku 1963, ktorej cieľom bolo obmedziť jadrové testovanie a zastaviť nadmerné uvoľňovanie jadrového odpadu do atmosféry planéty.
Fúzne rakety:
Ďalšou možnosťou v oblasti využívanej jadrovej energie sú rakety, ktoré pri vyvíjaní ťahu spoliehajú na termonukleárne reakcie. Pri tejto koncepcii sa vytvára energia, keď sa pelety zmesi deutérium / hélium-3 zapália v reakčnej komore inertným zadržaním pomocou elektrónových lúčov (podobné tomu, čo sa robí v Národnom zapaľovacom zariadení v Kalifornii). Tento fúzny reaktor by vybuchol 250 peliet za sekundu, aby sa vytvorila vysoko energetická plazma, ktorá by potom bola nasmerovaná magnetickou dýzou na vytvorenie ťahu.
Tento koncept, podobne ako raketa, ktorá sa spolieha na jadrový reaktor, ponúka výhody, pokiaľ ide o palivovú úspornosť a špecifický impulz. Odhadujú sa výfukové rýchlosti až 10 600 km / s, čo je ďaleko nad rýchlosťou konvenčných rakiet. A čo viac, táto technológia bola v posledných desaťročiach intenzívne študovaná a bolo predložených veľa návrhov.
Napríklad v rokoch 1973 až 1978 britská medziplanetárna spoločnosť uskutočnila štúdiu uskutočniteľnosti známu ako Project Daedalus. Štúdia sa opierala o súčasné znalosti technológie jadrovej syntézy a existujúcich metód a vyzvala na vytvorenie dvojstupňovej bezpilotnej vedeckej sondy, ktorá by za jediný život urobila výlet na Barnardovu hviezdu (5,9 svetelných rokov od Zeme).
Prvá etapa, väčšia z týchto dvoch, by fungovala 2,05 roka a urýchlila kozmická loď na 7,1% rýchlosť svetla (o 0,071) C). Táto etapa by potom bola odhodená, v tomto okamihu by druhá etapa zapálila svoj motor a akcelerovala kozmickú loď na približne 12% rýchlosti svetla (0,12) C) v priebehu 1,8 roka. Potom by sa odstavil druhý stupeň motora a loď by vstúpila do 46-ročného výletného obdobia.
Podľa odhadov projektu bude trvať 50 rokov, kým sa misia dostane na Barnardovu hviezdu. Upravený pre Proxima Centauri, rovnaké plavidlo by mohlo urobiť cestu dovnútra 36 rokov, Projekt však, samozrejme, identifikoval aj množstvo úrazov, ktoré znemožnili použitie vtedajšej technológie - väčšina z nich je stále nevyriešená.
Napríklad existuje fakt, že hélium-3 je na Zemi vzácne, čo znamená, že by sa muselo ťažiť inde (pravdepodobne na Mesiaci). Po druhé, reakcia, ktorá riadi kozmickú loď, vyžaduje, aby uvoľnená energia výrazne prevyšovala energiu použitú na vyvolanie reakcie. A zatiaľ čo experimenty na Zemi prekonali „zlomový cieľ“, stále sme ďaleko od druhov energie potrebnej na pohon medzihviezdnej vesmírnej lode.
Po tretie, je tu nákladový faktor pre stavbu takejto lode. Dokonca aj pri skromnom štandarde bezpilotných plavidiel Project Daedalus by plne poháňané plavidlo vážilo až 60 000 Mt. Aby som to uviedol do perspektívy, hrubá váha SLS agentúry NASA je niečo vyše 30 Mt a jediné spustenie prichádza s cenou 5 miliárd dolárov (na základe odhadov z roku 2013).
Zjednodušene povedané, stavba fúznej rakety by bola nielen príliš nákladná; Vyžadovalo by si to aj technológiu fúzneho reaktora, ktorá je v súčasnosti nad našimi prostriedkami. Icarus Interstellar, medzinárodná organizácia dobrovoľných občianskych vedcov (z ktorých niektorí pracovali pre NASA alebo ESA), sa odvtedy pokúsili tento koncept oživiť pomocou projektu Icarus. Skupina bola založená v roku 2009 a dúfa, že v blízkej budúcnosti bude možné uskutočniť fúzny pohon (okrem iného).
Fusion Ramjet:
Táto teoretická forma pohonu, známa tiež ako Bussard Ramjet, bola prvýkrát navrhnutá fyzikom Robertom W. Bussardom v roku 1960. V podstate ide o vylepšenie oproti štandardnej jadrovej fúznej rakete, ktorá využíva magnetické polia na stláčanie vodíkového paliva do tej miery, že fúzia vyskytuje. Ale v prípade Ramjeta obrovský elektromagnetický lievik „pohlcuje“ vodík z medzihviezdneho média a odvádza ho do paliva ako palivo.
Keď loď zvyšuje rýchlosť, reaktívna hmota je tlačená do progresívne zúženého magnetického poľa, ktoré stláča, až kým nedôjde k termonukleárnej fúzii. Magnetické pole potom usmerňuje energiu ako raketový výfuk cez dýzu motora, čím zrýchľuje plavidlo. Bez akýchkoľvek palivových nádrží, ktoré by ho mohli odvážiť, by fúzny prúd mohol dosiahnuť rýchlosti blížiace sa 4% rýchlosti svetla a cestovať kdekoľvek v galaxii.
Potenciálne nevýhody tohto návrhu sú však početné. Napríklad je tu problém s pretiahnutím. Loď sa spolieha na zvýšenú rýchlosť akumulácie paliva, ale pretože sa zráža s viac a viac medzihviezdnym vodíkom, môže tiež stratiť rýchlosť - najmä v hustejších oblastiach galaxie. Po druhé, deutérium a trícium (používané vo fúznych reaktoroch tu na Zemi) sú vo vesmíre zriedkavé, zatiaľ čo fúzovanie bežného vodíka (ktorý je v priestore hojný) je nad rámec našich súčasných metód.
Tento koncept bol značne popularizovaný v sci-fi. Asi najznámejším príkladom je franšíza Star Trek, kde „Bussardov kolektor“ sú žiariace gondoly na osnovných motoroch. Ale v skutočnosti je potrebné, aby naše znalosti fúznych reakcií značne pokročili skôr, ako bude možné nábehové rameno. Mali by sme tiež prísť na to nepríjemný problém s vlečením skôr, ako sme začali uvažovať o výstavbe takejto lode!
Laserová plachta:
Solárne plachty sa už dlho považujú za nákladovo efektívny spôsob skúmania slnečnej sústavy. Okrem toho, že je relatívne ľahká a lacná výroba, je tu aj bonus solárnych plachiet, ktoré nevyžadujú palivo. Plachta využíva rakety, ktoré vyžadujú pohonnú hmotu, radiačný tlak hviezd, aby tlačilo veľké ultra tenké zrkadlá na vysoké rýchlosti.
Kvôli medzihviezdnemu letu by však taká plachta musela byť poháňaná sústredenými energetickými lúčmi (t. J. Lasermi alebo mikrovlnami), aby ju tlačila na rýchlosť blížiacu sa rýchlosti svetla. Tento koncept pôvodne navrhol Robert Forward v roku 1984, ktorý bol v tom čase fyzikom vo výskumných laboratóriách spoločnosti Hughes Aircraft.
Tento koncept si zachováva výhody solárnej plachty v tom, že nevyžaduje žiadne palivo na palube, ale tiež skutočnosť, že laserová energia sa nezmizne so vzdialenosťou takmer takou ako slnečné žiarenie. Takže kým plachta poháňaná laserom bude trvať nejaký čas, kým sa zrýchli na takmer svetelné rýchlosti, obmedzí sa iba na rýchlosť svetla samotného.
Podľa štúdie z roku 2000, ktorú vypracoval Robert Frisbee, riaditeľ pokrokových štúdií koncepcie pohonu v Jet Propulsion Laboratory NASA, mohla byť laserová plachta zrýchlená na polovicu rýchlosti svetla za menej ako desať rokov. Vypočítal tiež, že plachta s priemerom asi 320 km (200 míľ) v priemere by mohla dosiahnuť Proxima Centauri o niečo viac 12 rokov, Medzitým by sa tesne pod ňu dostala plachta s priemerom asi 965 km (600 míľ) 9 rokov.
Takáto plachta by však musela byť vyrobená z pokročilých kompozitov, aby nedošlo k jej roztaveniu. V kombinácii s jeho veľkosťou by to prispelo k peknému centu! Ešte horšie je to, že náklady na výstavbu lasera sú dostatočne veľké a dostatočne výkonné na to, aby preplávali plachtou na polovicu rýchlosti svetla. Podľa vlastnej štúdie Frisbeeho by si lasery vyžadovali stály tok 17 000 terawattov energie - takmer to, čo spotrebuje celý svet za jeden deň.
Antihmotový motor:
Fanúšikovia sci-fi určite počuli o antihmote. Ale ak tak neurobíte, antihmota je v podstate materiál zložený z antičastíc, ktoré majú rovnakú hmotnosť, ale opačný náboj ako bežné častice. Antihmotový motor je medzitým forma pohonu, ktorá využíva interakcie medzi hmotou a antihmotou na výrobu energie alebo na vytváranie ťahu.
Stručne povedané, antihmotový motor zahŕňa častice vodíka a antihydrogénu, ktoré sú spolu narazené. Táto reakcia uvoľní toľko energie ako termonukleárna bomba spolu so sprchovacím kútom subatomárnych častíc nazývaných pióny a mióny. Tieto častice, ktoré by sa pohybovali rýchlosťou jednej tretiny rýchlosti svetla, boli potom vedené magnetickou dýzou, aby sa vytvoril ťah.
Výhodou pre túto triedu rakiet je to, že veľká časť zvyšnej hmoty zmesi hmoty a antihmoty sa môže premieňať na energiu, čo umožňuje, aby antihmotné rakety mali oveľa vyššiu hustotu energie a špecifický impulz ako ktorákoľvek iná navrhovaná trieda rakiet. A čo viac, kontrola tohto druhu reakcie by mohla prípadne vytlačiť raketu až na polovicu rýchlosti svetla.
Libra za libru, táto trieda lodí by bola najrýchlejšou a najúčinnejšou palivovou technológiou, aká bola kedy vytvorená. Zatiaľ čo konvenčné rakety vyžadujú na prepravu kozmickej lode na miesto určenia veľa chemického paliva, antihmotový motor by mohol vykonať rovnakú prácu iba s niekoľkými miligramami paliva. V skutočnosti by vzájomné zničenie pol libry vodíka a antihydrogénových častíc uvoľnilo viac energie ako 10-megatónová vodíková bomba.
Práve z tohto dôvodu NASA Inštitút pre pokročilé koncepcie (NIAC) preskúmal túto technológiu ako možný prostriedok pre budúce misie na Marse. Bohužiaľ, pri uvažovaní o misiách do blízkych hviezdnych systémov sa množstvo paliva potrebné na uskutočnenie cesty exponenciálne znásobuje a náklady spojené s jej výrobou by boli astronomické (bez trestu!).
Podľa správy pripravenej na 39. konferencii a výstave spoločného pohonu AIAA / ASME / SAE / ASEE (tiež od Roberta Frisbeeho) by na uskutočnenie cesty potrebovala dvojstupňová antihmotná raketa viac ako 815 000 metrických ton (900 000 amerických ton) paliva. do Proxima Centauri približne za 40 rokov. To nie je zlé, pokiaľ ide o časové limity. Ale opäť, náklady ...
Zatiaľ čo jediný gram antihmoty by produkoval neuveriteľné množstvo energie, odhaduje sa, že výroba iba jedného gramu by si vyžadovala približne 25 miliónov miliárd kilowatthodín energie a náklady na bilión dolárov. V súčasnosti je celkové množstvo antihmoty, ktorú vytvorili ľudia, menšie ako 20 nanogramov.
A aj keby sme mohli vyrábať antihmotu za lacnú cenu, potrebovali by ste obrovskú loď na zadržanie potrebného množstva paliva. Podľa správy Dr. Darrel Smitha a Jonathana Webbyho z Embry-Riddle Aeronautical University v Arizone by medzihviezdne plavidlo vybavené antihmotovým motorom mohlo o 0,5 rýchlosti ľahšie dosiahnuť a dosiahnuť Proxima Centauri o niečo viac. 8 rokov, Samotná loď by však vážila 400 metrických ton (441 amerických ton) a na cestu by potrebovala 170 metrických ton (187 amerických ton) antihmotného paliva.
Možným spôsobom je vytvoriť loď, ktorá dokáže vytvoriť antihmotu, ktorú potom môže uskladniť ako palivo. Tento koncept, známy ako medzihviezdny raketový medzihviezdny systém proti podtlaku (VARIES), navrhol Richard Obousy zo spoločnosti Icarus Interstellar. Na základe myšlienky tankovania in situ by sa loď VARIES spoliehala na veľké lasery (poháňané obrovskými solárnymi poľami), ktoré by pri streľbe do prázdneho priestoru vytvorili častice antihmoty.
Tento návrh, podobne ako koncepcia Ramjet, rieši problém prepravy paliva tým, že ho využíva z vesmíru. Ale opäť, samotné náklady na takúto loď by boli pri súčasnej technológii neúmerne drahé. Okrem toho schopnosť vytvárať antihmoty vo veľkých objemoch nie je niečo, čo v súčasnosti máme právomoc robiť. Vyskytuje sa aj otázka ožarovania, pretože zničenie hmoty proti antihmote môže spôsobiť výbuchy vysokoenergetických gama lúčov.
To nepredstavuje len nebezpečenstvo pre posádku, ktoré vyžaduje značné tienenie žiarenia, ale vyžaduje aj tienenie motorov, aby sa zabezpečilo, že nebudú vystavené atómovej degradácii zo všetkých radiácií, ktorým sú vystavené. Z toho vyplýva, že antihmotový motor je úplne nepraktický s našou súčasnou technológiou a v súčasnom rozpočtovom prostredí.
Alcubierre Warp Drive:
Fanúšikovia sci-fi tiež nepochybne poznajú koncept jednotky Alcubierre (alebo „Warp“). Táto navrhovaná metóda, ktorú navrhol mexický fyzik Miguel Alcubierre v roku 1994, bola pokusom umožniť cestovanie FTL bez porušenia Einsteinovej teórie osobitnej relativity. Stručne povedané, tento koncept zahŕňa napínanie štruktúry časopriestoru vo vlne, čo by teoreticky spôsobilo, že priestor pred objektom sa stiahne a priestor za ním sa rozšíri.
Objekt vo vnútri tejto vlny (t. J. Kozmická loď) by potom mohol prejsť túto vlnu, známu ako "osnovná bublina", za relativistické rýchlosti. Keďže sa loď v tejto bubline nepohybuje, ale nesie sa spolu s ňou, prestali platiť pravidlá týkajúce sa časopriestoru a relativity. Dôvodom je to, že táto metóda sa nespolieha na rýchlejší pohyb ako svetlo v miestnom zmysle.
Je to „rýchlejšie ako svetlo“ v tom zmysle, že loď mohla dosiahnuť svoj cieľ rýchlejšie ako lúč svetla, ktorý cestoval mimo osnovy. Takže za predpokladu, že kozmická loď by mohla byť vybavená systémom Alcubierre Drive, mohla by sa vydať na výlet do Proxima Centauri v menej ako 4 roky, Pokiaľ ide o teoretické medzihviezdne vesmírne cestovanie, jedná sa o zďaleka najsľubnejšiu technológiu, aspoň pokiaľ ide o rýchlosť.
Tento koncept bol, prirodzene, v priebehu rokov prijatý. Medzi ich hlavnými je skutočnosť, že nezohľadňuje kvantovú mechaniku a mohla by byť zneplatnená teóriou všetkého (ako je napríklad kvantová gravitácia slučky). Výpočty množstva potrebnej energie tiež naznačujú, že osnovný pohon by vyžadoval príliš vysoké množstvo energie. Medzi ďalšie neistoty patrí bezpečnosť takéhoto systému, účinky na časopriestor v mieste určenia a porušenie príčinných súvislostí.
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!
