- 1. daļa -
Ja jūs izmantojat esošo tehnoloģiju, zinātnieku un astronautu nosūtīšanai starpzvaigžņu komandējumā būs nepieciešams ļoti, ļoti ilgs laiks. Ceļojums būs sāpīgi garš (pat pēc kosmiskiem standartiem). Ja mēs vēlamies veikt šādu ceļojumu vismaz vienā dzīvē, labi, vai paaudzē, mums nepieciešami radikālāki (lasīt: tīri teorētiski) pasākumi. Un, ja tārpu caurumi un apakšplatības dzinēji šobrīd ir absolūti fantastiski, daudzu gadu laikā ir bijušas citas idejas, kurām ticam.
Atomelektrostacija
Atomelektrostacija ir teorētiski iespējams "dzinējs" ātrai kosmosa ceļošanai. Koncepciju sākotnēji ierosināja Staņislavs Ulams 1946. gadā, poļu un amerikāņu matemātiķis, kurš piedalījās Manhetenas projektā, un provizoriskos aprēķinus veica F. Reines un Ulams 1947. gadā. Orion projekts tika uzsākts 1958. gadā un pastāvēja līdz 1963. gadam.
Teds Teilors no Vispārējās atomenes un fiziķis Freeman Dyson no Prinstonas Uzlaboto pētījumu institūta vadīja Orionu, lai izmantotu pulsētu kodolsprādzienu jaudu, lai panāktu milzīgu vilci ar ļoti augstu īpatnējo impulsu.
Reklāmas video:
Īsumā, Project Orion ietver lielu kosmosa kuģi, kas palielina ātrumu, atbalstot kodolgalviņu galviņas, izmetot bumbas aiz muguras un paātrinoties, kad sprādziena vilnis izkļūst aizmugurē uzstādītā stūmējā, spiedpanelī. Pēc katra spiediena sprādziena spēku absorbē šis panelis un pārvērš kustībā uz priekšu.
Lai arī šis dizains diez vai ir elegants pēc mūsdienu standartiem, koncepcijas priekšrocība ir tā, ka tā nodrošina augstu īpatnējo vilci - tas ir, tas ar minimālām izmaksām iegūst maksimālo enerģijas daudzumu no degvielas avota (šajā gadījumā - kodolbumbas). Turklāt šī koncepcija teorētiski var paātrināt ļoti lielu ātrumu, pēc dažām aplēsēm, līdz 5% no gaismas ātruma (5,4 x 107 km / h).
Protams, šim projektam ir neizbēgamas negatīvās puses. No vienas puses, šāda izmēra kuģa būvēšana būtu ārkārtīgi dārga. 1968. gadā Dysons lēsa, ka Orion kosmosa kuģis, kuru darbina ūdeņraža bumbas, sver no 400 000 līdz 4 000 000 metriskajām tonnām. Un vismaz trīs ceturtdaļas no šī svara nāks no kodolbumbām, kuru katra sver aptuveni vienu tonnu.
Deisona konservatīvā aplēse parādīja, ka Oriona celtniecības kopējās izmaksas būtu bijušas 367 miljardi dolāru. Inflācijai pielāgotā summa ir USD 2,5 triljoni, kas ir diezgan daudz. Pat pēc konservatīvākajiem aprēķiniem ierīces ražošana būs ļoti dārga.
Pastāv arī neliela radiācijas problēma, ko tas izstaros, nemaz nerunājot par kodolatkritumiem. Tiek uzskatīts, ka tieši šī iemesla dēļ projekts tika atcelts saskaņā ar 1963. gada līgumu par daļēju izmēģinājumu aizliegumu, kad pasaules valdības centās ierobežot kodolizmēģinājumus un apturēt pārmērīgu radioaktīvo nokrišņu izplūdi planētas atmosfērā.
Kodolsintēzes raķetes
Vēl viena iespēja izmantot kodolenerģiju ir termoelektriskās reakcijas, lai radītu vilci. Saskaņā ar šo koncepciju enerģija jārada ar inerciālu norobežošanu, aizdedzinot deitērija un hēlija-3 maisījuma granulas reakcijas kamerā, izmantojot elektronu starus (līdzīgi tam, kas tiek veikts Nacionālajā aizdedzes kompleksā Kalifornijā). Šāds kodolsintēzes reaktors detonētu 250 granulas sekundē, veidojot plazmas enerģiju, kas pēc tam tiktu novirzīta sprauslā, radot vilci.
Tāpat kā raķete, kas balstās uz kodolreaktoru, šai koncepcijai ir priekšrocības attiecībā uz degvielas efektivitāti un specifisku impulsu. Paredzētajam ātrumam vajadzētu sasniegt 10 600 km / h, kas krietni pārsniedz parasto raķešu ātruma ierobežojumus. Turklāt šī tehnoloģija pēdējo gadu desmitu laikā ir plaši pētīta, un ir izteikti daudzi priekšlikumi.
Piemēram, no 1973. līdz 1978. gadam Lielbritānijas Starpplanētu biedrība veica projekta Daedalus priekšizpēti. Balstoties uz mūsdienu zināšanām un kodoltermiskās saplūšanas tehnoloģijām, zinātnieki aicināja uzbūvēt divpakāpju bezpilota zinātnisko zondi, kas cilvēka dzīves laikā varētu sasniegt Barnarda zvaigzni (5,9 gaismas gadus no Zemes).
Pirmais posms, lielākais no diviem, ilgs 2,05 gadus un paātrina kuģi līdz 7,1% gaismas ātruma. Tad šo posmu atmet, otro aizdedzina un aparāts 1,8 gadu laikā paātrinās līdz 12% no gaismas ātruma. Tad tiek izslēgts otrās pakāpes motors, un kuģis peld jau 46 gadus.
Projekts Daedalus lēš, ka Barnarda zvaigznes sasniegšanai būs nepieciešami 50 gadi. Ja uz Proxima Centauri, tas pats kuģis nonāks 36 gadu laikā. Bet, protams, projekts ietver daudz neatrisinātu jautājumu, īpaši neatrisināmu, izmantojot mūsdienu tehnoloģijas, - un vairums no tiem vēl nav atrisināti.
Piemēram, uz Zemes praktiski nav hēlija-3, kas nozīmē, ka tas būs jāizrok citur (visticamāk, uz Mēness). Otrkārt, reakcijai, kas virza kuģi, nepieciešama izstarotā enerģija, kas ir daudz lielāka par enerģiju, kas iztērēta reakcijas ierosināšanai. Un, kaut arī eksperimenti uz Zemes jau ir pārsnieguši “līdzsvara punktu”, mēs joprojām esam tālu no enerģijas daudzuma, kas var darbināt starpzvaigžņu transportlīdzekli.
Treškārt, paliek jautājums par šāda kuģa izmaksām. Pat ievērojot pieticīgos Project Daedalus bezpilota transportlīdzekļu standartus, pilnībā aprīkota transportlīdzekļa svars būtu 60 000 tonnu. Tikai tāpēc, lai jūs zināt, NASA SLS bruto svars ir nedaudz vairāk par 30 tonnām, un vien atklāšana maksās USD 5 miljardus (2013. gada aprēķini).
Īsāk sakot, kodolsintēzes raķete būs ne tikai pārāk dārga, lai uzbūvētu, bet tai būs nepieciešams arī kodolsintēzes reaktora līmenis, kas tālu pārsniedz mūsu iespējas. Starptautiskā civilo zinātnieku organizācija Icarus Interstellar (no kuriem daži ir strādājuši NASA vai ESA) mēģina atdzīvināt šo koncepciju ar Project Icarus palīdzību. 2009. gadā sapulcinātā grupa cer padarīt kodolsintēzes kustību (un citas) pārskatāmā nākotnē iespējamu.
Termoelektrostacijas strūkla
Dzinēju, kas pazīstams arī kā Bussard ramjet, 1960. gadā pirmo reizi ierosināja fiziķis Roberts Bussards. Savā kodolā tas ir uzlabojums attiecībā uz parasto kodolraķeti, kas izmanto magnētiskos laukus, lai saspiestu ūdeņraža degvielu līdz saplūšanas vietai. Bet ramjetdzinēja gadījumā milzīga elektromagnētiskā piltuve no starpzvaigžņu vides iesūc ūdeņradi un kā degvielu to ielej reaktorā.
Kad transportlīdzeklis uzņem ātrumu, reaktīvā masa nonāk ierobežotajā magnētiskajā laukā, kas to saspiež pirms saplūšanas sākuma. Pēc tam magnētiskais lauks novirza enerģiju raķetes sprauslā, paātrinot kuģi. Tā kā neviena degvielas tvertne to nepalēninās, termoelektrostacijas strūkla var sasniegt 4% gaismas ātrumu un nokļūt jebkur galaktikā.
Neskatoties uz to, šai misijai ir daudz iespējamo trūkumu. Piemēram, berzes problēma. Kosmosa kuģis paļaujas uz augstiem degvielas savākšanas līmeņiem, taču tas arī sadursies ar lielu daudzumu starpzvaigžņu ūdeņraža un zaudēs ātrumu - īpaši blīvos galaktikas reģionos. Otrkārt, kosmosā nav daudz deitērija un tritija (kurus izmanto reaktoros uz Zemes), un parastā ūdeņraža, kas ir bagātīgs kosmosā, sintēze joprojām ir ārpus mūsu kontroles.
Tomēr zinātniskā fantastika ir iecienījusi šo jēdzienu. Visslavenākais piemērs, iespējams, ir Star Trek franšīze, kurā tiek izmantoti Bussard Collectors. Patiesībā mūsu izpratne par kodolsintēzes reaktoriem ne tuvu nav tik pilnīga, kā mēs vēlētos.
Lāzera bura
Saules buras jau sen tiek uzskatītas par efektīvu veidu, kā iekarot Saules sistēmu. Papildus tam, ka tie ir samērā vienkārši un lēti izgatavojami, tiem ir arī liels plus: viņiem nav nepieciešama degviela. Tā vietā, lai izmantotu raķetes, kurām nepieciešama degviela, bura izmanto zvaigžņu starojuma spiedienu, lai dzenu ultra plānos spoguļus uz lielu ātrumu.
Starpzvaigžņu lidojuma gadījumā šāda bura ir jāvirza ar fokusētiem enerģijas stariem (lāzeru vai mikroviļņiem), lai paātrinātu ātrumu, kas ir tuvu gaismai. Koncepciju pirmo reizi ierosināja Roberts Forvards 1984. gadā - Hjūsa lidmašīnu laboratorijas fiziķis.
Viņa ideja saglabā saules buras priekšrocības, jo tai nav nepieciešama degviela un arī lāzera enerģija nav izkliedēta no attāluma tāpat kā saules starojums. Tādējādi, lai gan lāzera burai būs nepieciešams zināms laiks, lai paātrinātu līdz gandrīz gaismas ātrumam, to vēlāk ierobežos tikai pats gaismas ātrums.
Saskaņā ar NASA Jet reaktīvo dzinēju laboratorijas progresīvo dzinējspēka pētījumu direktora Roberta Frisbija 2000. gada pētījumu lāzera bura nepilnu desmit gadu laikā sasniegtu pusi gaismas ātruma. Viņš arī aprēķināja, ka bura ar diametru 320 kilometri varētu sasniegt Proxima Centauri 12 gadu laikā. Tikmēr 965 kilometru diametra bura ieradīsies tikai 9 gadu laikā.
Tomēr šāda bura būs jāveido no moderniem kompozītmateriāliem, lai izvairītos no kušanas. Kas būs īpaši grūti, ņemot vērā buras lielumu. Izmaksas ir vēl sliktākas. Pēc Frisbija teiktā, lāzeriem būs nepieciešama vienmērīga 17 000 teravatu enerģijas plūsma - aptuveni tas, cik visa pasaule patērē vienā dienā.
Antimatērijas dzinējs
Zinātniskās fantastikas cienītāji labi zina, kas ir antimateriāls. Bet, ja aizmirsāt, antimateriāls ir viela, kas sastāv no daļiņām, kurām ir tāda pati masa kā parastajām daļiņām, bet ar pretēju lādiņu. Antimatērijas dzinējs ir hipotētisks dzinējs, kas paļaujas uz matērijas un antimatērijas mijiedarbību, lai ģenerētu enerģiju vai radītu vilci.
Īsāk sakot, antimatērijas dzinējs izmanto ūdeņraža un antiūdeņraža daļiņas, kas saduras viena ar otru. Iznīcināšanas procesā atbrīvotā enerģija pēc apjoma ir salīdzināma ar termobumbu sprādziena enerģiju, ko papildina subatomisko daļiņu straume - pioni un muoni. Šīs daļiņas, kas vienā trešdaļā pārvietojas ar gaismas ātrumu, tiek novirzītas magnētiskajā sprauslā un rada vilci.
Šīs klases raķešu priekšrocība ir tā, ka lielāko daļu vielas / antimateriāla maisījuma masas var pārveidot enerģijā, kas nodrošina augstu enerģijas blīvumu un specifisku impulsu, kas ir pārāks par jebkuru citu raķeti. Turklāt iznīcināšanas reakcija var paātrināt raķeti līdz pusei gaismas ātruma.
Šīs klases raķetes būs ātrākais un energoefektīvākais iespējamais (vai neiespējams, bet ierosināts). Ja parastajām ķīmiskajām raķetēm ir vajadzīgas tonnas degvielas, lai virzītu kosmosa kuģi līdz galamērķim, antimateriāla dzinējs veiks to pašu darbu, izmantojot dažus miligramus degvielas. Puskilograma ūdeņraža un antiūdeņraža daļiņu savstarpēja iznīcināšana izdala vairāk enerģijas nekā 10-megatoniska ūdeņraža bumba.
Tieši šī iemesla dēļ NASA Advanced Concepts Institute pēta šo tehnoloģiju, cik iespējams, turpmākajām misijām uz Marsu. Diemžēl, aplūkojot komandējumus uz tuvējām zvaigžņu sistēmām, nepieciešamā kurināmā daudzums palielinās eksponenciāli, un izmaksas kļūst astronomiskas (un tas nav īsts nieciņš).
Saskaņā ar ziņojumu, kas sagatavots 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE apvienotajai vilces konferencei un izstādei, divpakāpju antimateriāla raķetei 40 gadu laikā, lai sasniegtu Proxima Centauri, būs nepieciešami vairāk nekā 815 000 metrisko tonnu degvielas. Tas ir salīdzinoši ātrs. Bet cena …
Lai arī viens grams antimateriāla rada neticami daudz enerģijas, viena grama ražošanai vien būtu nepieciešami 25 miljoni miljardu kilovatstundu enerģijas un tas būtu triljonu dolāru. Pašlaik kopējais cilvēku radītais antimateriālais daudzums ir mazāks par 20 nanogramiem.
Un pat tad, ja mēs varētu lēti ražot antimatēriju, mums būs nepieciešams masīvs kuģis, kas varētu turēt nepieciešamo degvielas daudzumu. Saskaņā ar Dr Darrell Smith un Jonathan Webby ziņojumu no Arizonas Embry-Riddle Aviācijas universitātes, starpzvaigžņu kuģis, kas darbināms ar antimateriālu, varētu uzņemt 0,5 gaismas ātrumu un sasniegt Proxima Centauri nedaudz vairāk kā 8 gadu laikā. Tomēr pats kuģis sver 400 tonnas un tam būtu vajadzīgas 170 tonnas antimateriāla degvielas.
Iespējams veids, kā to panākt, ir izveidot trauku, kas radīs antimatēriju, un pēc tam to izmantot kā degvielu. Šo koncepciju, kas pazīstama kā Vacuum to Antimatter raķešu starpzvaigžņu izpētes sistēma (VARIES), ierosināja Ričards Obausi no Icarus Interstellar. Balstoties uz ideju par atkārtotu pārstrādi uz vietas, VARIES izmantotu lielus lāzerus (kurus darbina milzīgi saules paneļi), lai radītu antimateriāla daļiņas, kad tos atlaida tukšā vietā.
Šis priekšlikums ir līdzīgs koncepcijai ar termoelektrisko kodoldzinēju, kas atrisina degvielas pārvadāšanas problēmu, iegūstot to tieši no kosmosa. Bet atkal - šāda kuģa izmaksas būs ārkārtīgi augstas, ja tiks būvēts ar mūsu mūsdienu metodēm. Mēs vienkārši nevaram masveidā radīt antimatēriju. Ir jārisina arī radiācijas problēma, jo vielas un antimateriāla iznīcināšana rada augstas enerģijas gamma staru pārrāvumus.
Tie ne tikai rada briesmas apkalpei, bet arī motoram, lai visa šī starojuma ietekmē tie nesadalītos subatomiskās daļiņās. Īsāk sakot, antimatērijas dzinējs ir pilnīgi nepraktisks attiecībā uz mūsu pašreizējām tehnoloģijām.
Alcubierre velku piedziņa
Zinātniskās fantastikas cienītāji, bez šaubām, pārzina šķēru piedziņas (vai Alcubierre piedziņas) jēdzienu. Šī ideja, ko 1994. gadā ierosināja meksikāņu fiziķis Migels Alcubierre, bija mēģinājums iedomāties tūlītēju kustību kosmosā, nepārkāpjot Einšteina īpašo relativitātes teoriju. Īsāk sakot, šis jēdziens ietver kosmosa laika auduma izstiepšanu viļņā, kas teorētiski varētu izraisīt telpas priekšā objekta saraušanos un aiz tā paplašināšanos.
Objekts, kas atrodas šī viļņa iekšpusē (mūsu kuģis), varēs braukt uz šī viļņa, atrodoties "šķēru burbulī", ar ātrumu, kas ir daudz lielāks nekā relativistiskais. Tā kā kuģis pats nepārvietojas burbulī, bet gan to pārvadā, relativitātes un telpas-laika likumi netiks pārkāpti. Faktiski šī metode vietējā izpratnē neietver kustību ātrāk par gaismas ātrumu.
Tas ir "ātrāks par gaismu" tikai tādā nozīmē, ka kuģis var sasniegt savu galamērķi ātrāk nekā gaismas stars, kas pārvietojas ārpus šķēru burbuļa. Pieņemot, ka kosmosa kuģis tiks aprīkots ar Alcubierre sistēmu, tas sasniegs Proxima Centauri mazāk nekā 4 gadu laikā. Tāpēc, ja mēs runājam par teorētisko starpzvaigžņu ceļojumu kosmosā, ātruma ziņā tā ir daudzsološākā tehnoloģija.
Protams, visa šī koncepcija ir ārkārtīgi pretrunīga. Argumenti pret, piemēram, ietver to, ka tajā nav ņemta vērā kvantu mehānika un to var atspēkot ar teoriju par visu (piemēram, cilpas kvantu gravitāciju). Nepieciešamā enerģijas daudzuma aprēķini arī parādīja, ka velku piedziņa būs pārmērīgi nepatīkama. Pie citām neskaidrībām pieder šādas sistēmas drošība, telpas un laika ietekme galamērķī un cēloņsakarības pārkāpumi.
Tomēr 2012. gadā NASA zinātnieks Harolds Vaits sacīja, ka viņš un viņa kolēģi sāka izpētīt iespēju izveidot Alcubierre motoru. Vaits paziņoja, ka viņi ir uzbūvējuši interferometru, kas uztvers telpiskos izkropļojumus, ko rada Alkubjēras metrikas telpas laika paplašināšanās un sašaurināšanās.
2013. gadā reaktīvo dzinēju laboratorija publicēja šķēru lauka testu rezultātus, kas tika veikti vakuuma apstākļos. Diemžēl rezultāti tika uzskatīti par “nepārliecinošiem”. Ilgtermiņā mēs varam secināt, ka Alcubierre metrika pārkāpj vienu vai vairākus pamata dabas likumus. Pat ja tā fizika izrādās pareiza, nav garantijas, ka Alcubierre sistēmu var izmantot lidojumam.
Kopumā viss ir kā parasti: jūs esat dzimis pārāk agri, lai ceļotu uz tuvāko zvaigzni. Neskatoties uz to, ja cilvēce jūt vajadzību būvēt “starpzvaigžņu šķirstu”, kurā atradīsies pašpietiekama cilvēku sabiedrība, simts gadu laikā būs jānokļūst Proxima Kentaurā. Ja, protams, mēs vēlamies investēt šādā pasākumā.
Laika ziņā visas pieejamās metodes šķiet ārkārtīgi ierobežotas. Un, ja simtiem tūkstošu gadu pavadīsim ceļojumā uz tuvāko zvaigzni, mums varētu būt maz intereses, kad uz spēles ir likta mūsu pašu izdzīvošana, jo kosmosa tehnoloģijas attīstās, metodes paliks ārkārtīgi nepraktiskas. Ar laiku, kad mūsu šķirsts sasniegs tuvāko zvaigzni, tā tehnoloģijas noveco, un pati cilvēce, iespējams, vairs nepastāvēs.
Tātad, ja vien mēs neveicam būtisku izrāvienu kodolsintēzes, antimateriāla vai lāzera tehnoloģijās, mēs būsim apmierināti ar savas Saules sistēmas izpēti.
Balstīts uz materiāliem no Universe Today
- 1. daļa -