- 2. daļa -
Kādā dzīves brīdī katrs no mums uzdeva šo jautājumu: cik ilgi jālido uz zvaigznēm? Vai ir iespējams veikt šādu lidojumu viena cilvēka dzīvē, vai šādi lidojumi var kļūt par ikdienas dzīves normu? Atkarībā no tā, kurš jautā, uz šo grūto jautājumu ir daudz atbilžu. Daži no tiem ir vienkārši, citi - grūtāk. Lai atrastu galīgu atbildi, ir pārāk daudz lietu, kas jāņem vērā.
Diemžēl nav reālu aprēķinu, kas palīdzētu atrast šādu atbildi, un tas nomāc futūristus un starpzvaigžņu ceļojuma entuziastus. Neatkarīgi no tā, vai mums tas patīk vai nē, telpa ir ļoti liela (un sarežģīta), un mūsu tehnoloģijas joprojām ir ierobežotas. Bet, ja mēs kādreiz nolemjam pamest savu "mājas ligzdu", mums būs vairāki veidi, kā nokļūt līdz tuvākajai zvaigžņu sistēmai mūsu galaktikā.
Tuvākā zvaigzne mūsu Zemei ir Saule, diezgan “vidēja” zvaigzne saskaņā ar Hērtsprunga-Rasela “galvenās secības” shēmu. Tas nozīmē, ka zvaigzne ir ļoti stabila un nodrošina pietiekami daudz saules gaismas, lai dzīvība attīstītos uz mūsu planētas. Mēs zinām, ka citas planētas griežas ap zvaigznēm netālu no mūsu Saules sistēmas, un daudzas no šīm zvaigznēm ir līdzīgas mūsu pašu.
Iespējamās apdzīvojamās pasaules Visumā
Nākotnē, ja cilvēce vēlas pamest Saules sistēmu, mums būs milzīgs zvaigžņu klāsts, uz kuru mēs varētu doties, un daudzām no tām var būt labvēlīgi apstākļi dzīvei. Bet kurp mēs ejam un cik ilgs laiks būs vajadzīgs, lai mēs tur nokļūtu? Ņemiet vērā, ka tas viss ir spekulācija un starpzvaigžņu ceļojumiem šobrīd nav orientieru. Nu, kā teica Gagarins, iesim! Reklāmas video:
Sasniegt zvaigzni
Kā jau tika atzīmēts, mūsu Saules sistēmai tuvākā zvaigzne ir Proxima Centauri, un tāpēc ir daudz jēgas sākt plānot starpzvaigžņu misiju ar to. Daļa no Alpha Centauri trīskāršo zvaigžņu sistēmas, Proxima atrodas 4,24 gaismas gadus (1,3 parses) no Zemes. Alfa Kentaurs būtībā ir spožākā zvaigzne no trim sistēmā, kas atrodas tuvu binārai sistēmai, kas atrodas 4,37 gaismas gadu attālumā no Zemes, savukārt Proxima Centauri (tuvākā no trim) ir izolēts sarkanais punduris, kas atrodas 0,13 gaismas gadu attālumā. no duālās sistēmas.
Un, lai gan sarunas par starpzvaigžņu ceļojumiem liek domāt par visiem ātrākas nekā gaismas (FAS) veidiem, sākot no šķēru ātruma līdz tārpu caurumiem un beidzot ar apakštelpu motoriem, šādas teorijas ir vai nu ļoti izdomātas (piemēram, Alcubierre dzinējs), vai arī eksistē tikai zinātniskajā fantastikā. … Jebkura misija dziļajā kosmosā ilgs vairākām cilvēku paaudzēm.
Tātad, sākot ar vienu no lēnākajiem kosmosa ceļojuma veidiem, cik ilgs laiks nepieciešams, lai nokļūtu Proxima Centauri?
Mūsdienu metodes
Jautājums par ceļojuma ilguma novērtēšanu kosmosā ir daudz vienkāršāks, ja tajā ir iesaistītas esošās tehnoloģijas un ķermeņi mūsu Saules sistēmā. Piemēram, izmantojot New Horizons misijas izmantoto tehnoloģiju, 16 hidrazīna vienas degvielas dzinējus, jūs varat nokļūt Mēness tikai 8 stundās un 35 minūtēs.
Pastāv arī Eiropas Kosmosa aģentūras SMART-1 misija, kas tika virzīta uz Mēnesi, izmantojot jonu vilci. Izmantojot šo revolucionāro tehnoloģiju, kuras variantu Dawn kosmosa zonde izmantoja arī Vesta sasniegšanai, SMART-1 bija vajadzīgs gads, mēnesis un divas nedēļas, lai sasniegtu Mēnesi.
Sākot ar ātru raķešu kosmosa kuģi un beidzot ar ekonomisku jonu piedziņu, mums ir dažas iespējas, kā apiet lokālo kosmosu - kā arī jūs varat izmantot Jupiteru vai Saturnu kā milzu gravitācijas pavērsienu. Neskatoties uz to, ja mēs plānojam nokļūt nedaudz tālāk, mums būs jāveido tehnoloģiju jauda un jāizpēta jaunas iespējas.
Kad mēs runājam par iespējamām metodēm, mēs runājam par tām, kas saistītas ar esošajām tehnoloģijām, vai tām, kuras vēl neeksistē, bet kuras ir tehniski realizējamas. Daži no tiem, kā jūs redzēsit, ir pārbaudīti laikā un apstiprināti, bet citi joprojām tiek apšaubīti. Īsāk sakot, tie attēlo iespējamu, bet ļoti laikietilpīgu un dārgu ceļojuma scenāriju pat līdz tuvākajai zvaigznei.
Jonu kustība
Pašlaik lēnākā un ekonomiskākā motora forma ir jonu motors. Pirms vairākām desmitgadēm jonu piedziņa tika uzskatīta par zinātniskās fantastikas priekšmetu. Bet pēdējos gados jonu vilces atbalsta tehnoloģijas ir pārgājušas no teorijas uz praksi un ar lieliem panākumiem. Eiropas Kosmosa aģentūras SMART-1 misija ir veiksmīgas misijas uz Mēnesi piemērs 13 mēnešu spirālveida kustības laikā no Zemes.
SMART-1 izmantoja saules jonu virzuļus, kuros elektrību savāc saules paneļi un izmanto, lai darbinātu Halles efekta virzuļus. Lai nokļūtu SMART-1 uz Mēness, vajadzēja tikai 82 kilogramus ksenona degvielas. 1 kilograms ksenona degvielas nodrošina delta-V ar ātrumu 45 m / s. Tas ir ārkārtīgi efektīvs pārvietošanās veids, taču tālu no ātrākā.
Viena no pirmajām jonu vilces tehnoloģijas izmantošanas misijām bija Deep Space 1 misija uz komētu Borrelli 1998. gadā. DS1 izmantoja arī ksenona jonu motoru un patērēja 81,5 kg degvielas. 20 mēnešus ilgas vilces laikā DS1 komētas pārvietošanās laikā attīstīja ātrumu 56 000 km / h.
Jonu dzinēji ir ekonomiskāki nekā raķešu tehnoloģijas, jo to vilces spēja uz raķešu degvielas masas vienību (īpatnējais impulss) ir daudz augstāka. Bet jonu virzuļiem ir nepieciešams ilgs laiks, lai kosmosa kuģi paātrinātu līdz ievērojamam ātrumam, un maksimālais ātrums ir atkarīgs no degvielas atbalsta un enerģijas ražošanas.
Tāpēc, ja misijā Proxima Centauri tiek izmantota jonu piedziņa, motoriem jābūt ar jaudīgu enerģijas avotu (kodolenerģiju) un lielām degvielas rezervēm (lai arī mazākām nekā parastajām raķetēm). Bet, ja jūs sākat no pieņēmuma, ka 81,5 kg ksenona degvielas pārveidojas par 56 000 km / h (un nebūs citu pārvietošanās veidu), varat veikt aprēķinus.
Ar maksimālo ātrumu 56 000 km / h, Deep Space 1, lai 4,24 gaismas gadus nobrauktu starp Zemi un Kentauri Proxima, būtu nepieciešams 81 000 gadu. Laika gaitā tas ir apmēram 2700 cilvēku paaudzes. Var droši apgalvot, ka starpplanētu jonu piedziņa būs pārāk lēna, lai veiktu vadītu starpzvaigžņu misiju.
Bet, ja jonu virzuļi ir lielāki un jaudīgāki (tas ir, jonu izplūdes ātrums būs ievērojami lielāks), ja ir pietiekami daudz raķešu degvielas, kas ir pietiekama visam 4,24 gaismas gadiem, ceļojuma laiks tiks ievērojami samazināts. Bet tas pats būs daudz ilgāks nekā cilvēka dzīves periods.
Smaguma manevrs
Ātrākais veids, kā ceļot kosmosā, ir gravitācijas palīdzības izmantošana. Šī metode ietver kosmosa kuģi, kas izmanto planētas relatīvo kustību (t.i., orbītu) un smagumu, lai mainītu tās ceļu un ātrumu. Gravitācijas manevri ir ārkārtīgi noderīgs paņēmiens lidojumam kosmosā, it īpaši, ja paātrināšanai izmanto Zemi vai citu masīvu planētu (piemēram, gāzes gigantu).
Kosmosa kuģis Mariner 10 bija pirmais, kurš izmantoja šo metodi, izmantojot Venēras gravitācijas vilkmi, lai 1974. gada februārī paātrinātu Merkura virzienā. Astoņdesmitajos gados zonde Voyager 1 izmantoja Saturnu un Jupiteru gravitācijas manevriem un paātrinājumam līdz 60 000 km / h, kam sekoja izeja starpzvaigžņu telpā.
Misija Helios 2, kas sākās 1976. gadā un kurai vajadzēja izpētīt starpplanētu vidi starp 0,3 AU. e. un 1 a. Tas ir, sākot no Saules, rekords par lielāko ātrumu, kas izstrādāts, izmantojot gravitācijas manevru. Tajā laikā Helios 1 (palaists 1974. gadā) un Helios 2 turēja rekordu par tuvāko pieeju Saulei. Helios 2 palaida ar parasto raķeti un laida ļoti garā orbītā.
Sakarā ar lielo ekscentriskumu (0,54) 190 dienu saules orbītā, perihēlijā Helios 2 izdevās sasniegt maksimālo ātrumu virs 240 000 km / h. Šo orbītas ātrumu izstrādāja tikai Saules pievilcība. Tehniski Helios 2 periēlija ātrums nebija gravitācijas manevra rezultāts, bet gan maksimālais orbītas ātrums, taču ierīce joprojām saglabā ātrākā mākslīgā objekta rekordu.
Ja Voyager 1 virzītos pretī sarkanajam pundurim Proxima Centauri ar nemainīgu ātrumu 60 000 km / h, šī attāluma nobraukšanai būtu nepieciešami 76 000 gadu (vai vairāk nekā 2500 paaudzes). Bet, ja zonde sasniegtu Helios 2 rekordlielo ātrumu - nemainīgu ātrumu 240 000 km / h -, 41 000 gaismas gadu laikā būtu jānobrauc 19 000 gadu (vai vairāk nekā 600 paaudzes). Daudz labāk, kaut arī ne tuvu praktiski.
Elektromagnētiskais motors EM piedziņa
Vēl viena ierosināta starpzvaigžņu pārvietošanās metode ir rezonējošs dobuma radiofrekvences motors, kas pazīstams arī kā EM piedziņa. Britu zinātnieka Rodžers Šīuera, kurš projektam izveidoja Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), 2001. gadā ierosināja motors, kura pamatā ir ideja, ka elektromagnētiskie mikroviļņu dobumi var tieši pārveidot elektrību vilcē.
Kaut arī tradicionālie elektromagnētiskie motori ir paredzēti noteiktas masas (piemēram, jonizētu daļiņu) virzīšanai, šī konkrētā vilces sistēma nav atkarīga no masas reakcijas un neizstaro virziena starojumu. Kopumā šis motors tika sagaidīts ar diezgan lielu skepsi lielā mērā tāpēc, ka tas pārkāpj impulsa saglabāšanas likumu, saskaņā ar kuru sistēmas impulss paliek nemainīgs un to nevar radīt vai iznīcināt, bet tikai mainīt spēka iedarbībā.
Neskatoties uz to, nesenie eksperimenti ar šo tehnoloģiju ir skaidri nodevuši pozitīvus rezultātus. 2014. gada jūlijā 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE kopīgajā vilces konferencē Klīvlendā, Ohaio, NASA progresīvie reaktīvo zinātnieki paziņoja, ka viņi ir veiksmīgi pārbaudījuši jaunu elektromagnētiskā motora dizainu.
2015. gada aprīlī NASA Eagleworks (Džonsona kosmosa centra daļa) zinātnieki teica, ka viņi ir veiksmīgi pārbaudījuši motoru vakuumā, kas varētu norādīt uz iespējamu izmantošanu kosmosā. Tā gada jūlijā zinātnieku grupa no Drēzdenes Tehnoloģiju universitātes Kosmosa sistēmu nodaļas izstrādāja savu dzinēja versiju un novēroja taustāmu vilci.
2010. gadā profesors Žuans Jangs no Siaņas, Ķīnas ziemeļrietumu politehniskās universitātes, sāka publicēt rakstu sēriju par saviem pētījumiem par EM Drive tehnoloģiju. 2012. gadā tā ziņoja par lielu ieejas jaudu (2,5 kW) un fiksētu vilci 720 mn. 2014. gadā viņa veica arī plašus testus, tostarp iekšējās temperatūras mērījumus ar iebūvētiem termopāriem, kas parādīja, ka sistēma darbojas.
Saskaņā ar aprēķiniem, kas balstīti uz NASA prototipu (kuram tika piešķirta jauda 0,4 N / kilovats), ar elektromagnētisko piedziņu darbināms kosmosa kuģis var veikt ceļojumu uz Plutonu mazāk nekā 18 mēnešos. Tas ir sešas reizes mazāk nekā tika prasīts zondei New Horizons, kas pārvietojās ar ātrumu 58 000 km / h.
Izklausās iespaidīgi. Bet pat šajā gadījumā kuģis ar elektromagnētiskiem dzinējiem lidos uz Proxima Centauri 13 000 gadus. Aizver, bet tomēr nepietiek. Turklāt, kamēr visi punkti nav punktēti šajā tehnoloģijā, ir pāragri runāt par tās izmantošanu.
Kodoltermiskā un kodolenerģiskā piedziņa
Vēl viena iespēja veikt starpzvaigžņu lidojumu ir izmantot kosmosa kuģi, kas aprīkots ar kodoldzinējiem. NASA šādas iespējas ir pētījusi gadu desmitiem ilgi. Kodoltermiskās piedziņas raķetē varētu izmantot urāna vai deitērija reaktorus, lai sildītu ūdeņradi reaktorā, pārvēršot to jonizētā gāzē (ūdeņraža plazmā), kas pēc tam tiktu virzīta raķetes sprauslā, radot vilci.
Ar kodolmašīnu darbināmā raķetē ietilpst tas pats reaktors, kas siltumu un enerģiju pārvērš elektrībā, kas pēc tam darbina elektromotoru. Abos gadījumos vilces radīšanai raķete paļausies uz kodolsintēzi vai kodolskaldīšanu, nevis uz ķīmisko degvielu, uz kuras darbojas visas mūsdienu kosmosa aģentūras.
Salīdzinājumā ar ķīmiskajiem motoriem kodoldzinējiem ir nenoliedzamas priekšrocības. Pirmkārt, tas ir praktiski neierobežots enerģijas blīvums salīdzinājumā ar raķešu degvielu. Turklāt kodoldzinējs radīs arī lielāku vilci nekā patērētais degvielas daudzums. Tas samazinās nepieciešamās degvielas daudzumu un vienlaikus arī konkrētā aparāta svaru un izmaksas.
Kaut arī termoelektroenerģijas dzinēji vēl nav ienākuši kosmosā, to prototipi ir izveidoti un pārbaudīti, un ir ierosināts vēl vairāk.
Neskatoties uz priekšrocībām degvielas ekonomijā un īpatnējo impulsu, labākajai no ierosinātajām kodoltermisko dzinēju koncepcijām maksimālais īpatnējais impulss ir 5000 sekundes (50 kNs / kg). Izmantojot kodoldzinējus, ko darbina kodola skaldīšana vai saplūšana, NASA zinātnieki tikai 90 dienu laikā varētu nogādāt kosmosa kuģi uz Marsu, ja Sarkanā planēta atrodas 55 000 000 kilometru attālumā no Zemes.
Bet, kad runa ir par ceļojumu uz Proxima Centauri, kodolraķetei vajadzēs gadsimtiem ilgi, lai paātrinātu līdz ievērojamam gaismas ātruma daļai. Tad tas prasīs vairākus gadu desmitus, un pēc tiem vēl daudzus gadsimtus ilga kavēšana ceļā uz mērķa sasniegšanu. Mēs joprojām esam 1000 gadu attālumā no sava mērķa. Kas ir labs starpplanētu misijām, ne tik labs starpzvaigžņu misijām.
- 2. daļa -