- 1. dio -
Ako koristite postojeću tehnologiju, trebat će vrlo, vrlo dugo vrijeme da se znanstvenici i astronauti pošalju na međuzvjezdanu misiju. Putovanje će biti bolno dugo (čak i kozmičkim standardima). Ako želimo takvo putovanje u barem jednom životu, pa i generaciji, trebamo radikalnije (čitaj: čisto teorijske) mjere. A ako su crvotočne rupe i motori ispod prostora za sada apsolutno fantastični, već godinama postoje druge ideje u koje vjerujemo.
Nuklearna elektrana
Nuklearna elektrana je teoretski mogući "motor" za brza putovanja u svemir. Koncept je prvotno predložio Stanislav Ulam 1946., poljsko-američki matematičar koji je sudjelovao u Manhattanskom projektu, a preliminarne proračune su napravili F. Reines i Ulam 1947. Projekt Orion pokrenut je 1958. godine i postojao je do 1963. godine.
Predvođeni Tedom Taylorom iz General Atomics-a i fizičarom Freemanom Dysonom iz Instituta za napredni studij na Princetonu, Orion bi iskoristio snagu pulsnih nuklearnih eksplozija da pruži ogroman potisak s vrlo visokim specifičnim impulsom.
Promotivni video:
Ukratko, Project Orion uključuje veliku svemirsku letjelicu koja ubrzava podržavajući termonuklearne bojeve glave, izbacujući bombe iza sebe i ubrzavajući dok eksplozivni val bježi u stražnji potisni potisnik, potisnu ploču. Nakon svakog pritiska, snaga panela apsorbira ovu ploču i pretvara se u kretanje prema naprijed.
Iako je ovaj dizajn po modernim standardima teško elegantan, prednost koncepta je u tome što pruža visoki specifični potisak - odnosno izvlači maksimalnu količinu energije iz izvora goriva (u ovom slučaju nuklearne bombe) uz najnižu cijenu. Pored toga, ovaj koncept teoretski može ubrzati vrlo velike brzine, prema nekim procjenama, do 5% brzine svjetlosti (5,4 x 107 km / h).
Naravno, ovaj projekt ima neizbježne nedostatke. S jedne strane, brod ove veličine bio bi izuzetno skup za izgradnju. Dyson je 1968. procijenio da će svemirska letjelica Orion, pogonjena vodikovim bombama, težiti između 400 000 i 4 000 000 tona. A najmanje tri četvrtine te težine dobivat će se od nuklearnih bombi, a svaka je teška oko jedne tone.
Dysonova konzervativna procjena pokazala je da bi ukupni troškovi izgradnje Oriona bili 367 milijardi dolara. Prilagođen inflaciji, taj iznos iznosi 2,5 trilijuna dolara, što je prilično puno. Čak i uz najkonzervativnije procjene, uređaj će biti izuzetno skup za izradu.
Postoji i mali problem zračenja koji će emitirati, a da ne spominjemo nuklearni otpad. Vjeruje se da je upravo zbog toga projekt otkazan temeljem ugovora o djelomičnoj zabrani ispitivanja iz 1963. godine, kada su svjetske vlade nastojile ograničiti nuklearna ispitivanja i zaustaviti prekomjerno ispuštanje radioaktivnih ispadanja u planetu atmosferu.
Rakete za nuklearnu fuziju
Druga mogućnost korištenja nuklearne energije su termonuklearne reakcije za stvaranje potiska. U skladu s ovim konceptom, energija se mora stvoriti inercijalnim zatvorom zapaljivanjem peleta mješavine deuterija i helija-3 u reakcijskoj komori pomoću elektronskih zraka (slično onome što se radi u Nacionalnom kompleksu za paljenje u Kaliforniji). Takav fuzijski reaktor detonirao bi 250 peleta u sekundi, stvarajući visokoenergetsku plazmu, koja bi se potom preusmjerila u mlaznicu, stvarajući potisak.
Kao i raketa koja se oslanja na nuklearni reaktor, i ovaj koncept ima prednosti u pogledu učinkovitosti goriva i specifičnog impulsa. Procijenjena brzina trebala bi doseći 10600 km / h, što je znatno iznad ograničenja brzine od uobičajenih raketa. Štoviše, ova se tehnologija detaljno proučavala u posljednjih nekoliko desetljeća, a mnogi su prijedlozi podneseni.
Na primjer, između 1973. i 1978., Britansko interplanetarno društvo pokrenulo je studiju izvodljivosti za Projekt Daedalus. Oslanjajući se na suvremeno znanje i tehnologiju termonuklearne fuzije, znanstvenici su pozvali na izgradnju dvostepene bespilotne znanstvene sonde koja bi mogla doseći Barnardovu zvijezdu (5,9 svjetlosnih godina od Zemlje) tijekom razdoblja ljudskog života.
Prva faza, najveća od ove dvije, izvodila bi se 2,05 godina i ubrzala letjelicu do 7,1% brzine svjetlosti. Tada se ta faza odbacuje, druga se zapaljuje, a aparat ubrzava do 12% brzine svjetlosti u 1,8 godina. Tada se isključuje motor druge faze, a brod leti 46 godina.
Projekt Daedalus procjenjuje da će trebati misiji 50 godina da dosegnu Barnardovu zvijezdu. Ako do Proxime Centauri, isti će brod stići za 36 godina. Ali, naravno, projekt uključuje puno neriješenih pitanja, posebno nerešivih s korištenjem modernih tehnologija - a većina njih još uvijek nije riješena.
Na primjer, na Zemlji praktički nema helija-3, što znači da će ga morati minirati drugdje (najvjerojatnije na Mjesecu). Drugo, reakcija koja pokreće plovilo zahtijeva da emitirana energija bude mnogo veća od energije utrošene za pokretanje reakcije. I premda su pokusi na Zemlji već nadmašili točku „probijanja“, još smo daleko od količine energije koja može pokrenuti međuzvezdano vozilo.
Treće, ostaje pitanje cijene takvog plovila. Čak i po skromnim standardima bezpilotnog vozila Project Daedalus, potpuno opremljeno vozilo moglo bi težiti 60 000 tona. Samo da znate, bruto težina NASA SLS-a iznosi nešto više od 30 metričkih tona, a samo lansiranje koštat će 5 milijardi dolara (procjene iz 2013.).
Ukratko, fuzijska raketa neće biti samo preskupa za izgradnju, već će zahtijevati i razinu fuzijskog reaktora daleko iznad naših mogućnosti. Icarus Interstellar, međunarodna organizacija civilnih znanstvenika (od kojih su neki radili za NASA ili ESA), pokušava oživjeti koncept s projektom Icarus. Grupa okupljena 2009. godine nada se da će u dogledno vrijeme omogućiti fuzijski pokret (i drugi).
Termonuklearni ramjet
Poznat i kao Bussard ramjet, motor je prvi put predložio fizičar Robert Bussard 1960. godine. U svojoj srži, to je poboljšanje u standardnoj termonuklearnoj raketi, koja koristi magnetska polja za komprimiranje vodikovog goriva do točke fuzije. Ali u slučaju ramjet motora, ogroman elektromagnetski lijevak usisava vodik iz međuzvjezdanog medija i izliva ga u reaktor kao gorivo.
Kako vozilo ubrzava, reaktivna masa ulazi u ograničeno magnetsko polje koje ga komprimira prije nego što započne fuzija. Magnetsko polje zatim usmjerava energiju u mlaznicu rakete, ubrzavajući brod. Kako ga niti jedan spremnik goriva neće usporiti, termonuklearni ramjet može dostići brzinu svjetlosti od 4% i ići bilo gdje u galaksiji.
Ipak, ova misija ima mnogo mogućih nedostataka. Na primjer, problem trenja. Svemirska se letjelica oslanja na visoke stope sakupljanja goriva, ali će se sudariti i s velikim količinama međuzvjezdanog vodika i izgubiti brzinu - posebno u gustim područjima galaksije. Drugo, u svemiru nema puno deuterija i tritija (koji se koriste u reaktorima na Zemlji), a sinteza običnog vodika, kojeg ima u izobilju, još uvijek je izvan naše kontrole.
Međutim, znanstvena fantastika je postala omiljena ovom konceptu. Najpoznatiji primjer je možda franšize Star Trek, koja koristi Bussard Collectors. U stvarnosti, naše razumijevanje fuzijskih reaktora nigdje nije tako savršeno kao što bismo željeli.
Lasersko jedro
Solarna jedra dugo su se smatrala učinkovitim načinom osvajanja sunčevog sustava. Osim što su relativno jednostavni i jeftini za izradu, oni imaju i veliki plus: ne treba im gorivo. Umjesto da koristi rakete kojima je potrebno gorivo, jedro koristi pritisak zračenja zvijezda za pokretanje ultra tankih ogledala do velikih brzina.
Međutim, u slučaju međuzvjezdanog leta, takvo bi jedro trebalo pokrenuti fokusiranim snopovima energije (laserom ili mikrovalnim pećnicama) kako bi se ubrzalo do skoro svjetlosne brzine. Koncept je prvi predložio Robert Forward 1984. godine, fizičar u laboratoriju za zrakoplove Hughes.
Njegova ideja zadržava prednosti solarnog jedra u tome što mu nije potrebno gorivo na brodu, a također i to što se energija lasera ne rasipa na daljinu na isti način kao sunčevo zračenje. Dakle, iako će laserskom jedru trebati neko vrijeme da ubrza do skoro svjetlosne brzine, ono će nakon toga biti ograničeno samo brzinom svjetlosti.
Prema studiji iz 2000. godine Roberta Frisbeeja, direktora naprednog pogonskog istraživanja u NASA-inoj laboratoriji za mlazni pogon, lasersko je jedro pogodilo pola brzine svjetlosti za manje od deset godina. Također je izračunao da bi jedro promjera 320 kilometara moglo dostići Proxima Centauri za 12 godina. U međuvremenu, jedro promjera 965 kilometara stići će za samo 9 godina.
Međutim, takvo će jedro morati biti izrađeno od naprednih kompozitnih materijala kako bi se izbjeglo taljenje. Što će biti posebno teško s obzirom na veličinu jedra. Trošak je još gori. Prema Frisbeeu, laserima će trebati stalan tok od 17000 teravata energije - otprilike koliko cijeli svijet troši u jednom danu.
Antimaterijski motor
Ljubitelji znanstvene fantastike dobro su svjesni što je antimaterija. Ali ako ste zaboravili, antimaterija je tvar sastavljena od čestica koje imaju istu masu kao i obične čestice, ali s suprotnim nabojem. Antimaterijski motor hipotetski je motor koji se oslanja na interakcije između materije i antimaterije za stvaranje energije ili stvaranje potiska.
Ukratko, antimaterijski motor koristi čestice vodika i antihidrogena koji se sudaraju jedan s drugim. Energija oslobođena u procesu uništavanja usporediva je s volumenom energije eksplozije termonuklearne bombe praćene strujom subatomskih čestica - piona i muona. Te čestice, koje brzinom trećine putuju svjetlošću, preusmjeravaju se u magnetsku mlaznicu i stvaraju potisak.
Prednost ove klase raketa je u tome što se većina mase smjese tvari / antimaterije može pretvoriti u energiju, što osigurava visoku gustoću energije i specifični impuls koji je bolji od bilo koje druge rakete. Štoviše, reakcija uništenja može ubrzati raketu do pola brzine svjetlosti.
Ova klasa raketa bit će najbrži i energetski najučinkovitiji (ili nemoguće, ali predloženo). Ako konvencionalne kemijske rakete zahtijevaju tona goriva za pogon svemirskog broda do odredišta, motor protiv antimaterije obavit će isti posao koristeći nekoliko miligrama goriva. Međusobno uništavanje pola kilograma vodikovih i antihidrogenih čestica oslobađa više energije nego 10-megaton vodikova bomba.
Iz tog razloga NASA-in Institut za napredne koncepte istražuje ovu tehnologiju što je više moguće za buduće misije na Mars. Nažalost, kad promatrate misije u obližnjim zvjezdanim sustavima, potrebna količina goriva eksponencijalno raste, a troškovi postaju astronomski (a ovo nije problem).
Prema izvještaju pripremljenom za 39. zajedničku pogonsku konferenciju i izložbu AIAA / ASME / SAE / ASEE, za dvostepenu raketu protiv antimaterije bit će potrebno više od 815 000 metričkih tona goriva da bi dosegli Proxima Centauri u 40 godina. To je relativno brzo. Ali cijena …
Iako jedan gram antimaterije proizvodi nevjerojatnu količinu energije, sam proizvod jednog grama zahtijeva 25 milijuna milijardi kilovat-sati energije i iznosio bi trilijun dolara. Trenutno je ukupna količina antimaterije koju su stvorili ljudi manja od 20 nanograma.
Čak i ako bismo mogli proizvesti antimateriju jeftino, potreban bi nam bio ogroman brod koji bi mogao držati potrebnu količinu goriva. Prema izvještaju dr. Darrela Smitha i Jonathana Webbyja sa Sveučilišta Embry-Riddle Aviation u Arizoni, međuzvjezdani brod na antimaterijski put mogao bi pokupiti 0,5 svjetlosne brzine i stići do Proxime Centauri za nešto više od 8 godina. Međutim, sam brod težio bi 400 tona i trebalo bi mu 170 tona antimaterijskog goriva.
Mogući način za to je stvaranje broda koji će stvoriti antimateriju i zatim ga koristiti kao gorivo. Ovaj koncept, poznat kao sustav vakuuma i antimaterijskih raketa među intretellarima (VARIES), predložio je Richard Obausi iz tvrtke Icarus Interstellar. Izvodeći na ideji prerade na licu mjesta, VARIES će koristiti velike lasere (koje pokreću ogromni solarni paneli) za stvaranje čestica antimaterije kada se ispaljuju u prazan prostor.
Slično konceptu s termonuklearnim ramjet motorom, ovaj prijedlog rješava problem transporta goriva tako što ga izvlači izravno iz svemira. Ali opet, cijena takvog broda bit će izuzetno visoka ako se izgradi našim modernim metodama. Jednostavno ne možemo stvoriti antimateriju golemo. Problem zračenja također se mora riješiti, jer uništavanje materije i antimaterije stvara praske visokoenergetskih gama zraka.
Oni ne predstavljaju samo opasnost za posadu, već i za motor, tako da se pod utjecajem svega ovog zračenja ne raspadnu u subatomske čestice. Ukratko, antimaterijski motor potpuno je nepraktičan s našom trenutnom tehnologijom.
Alcubierre Warp Drive
Ljubitelji znanstvene fantastike nesumnjivo su upoznati s konceptom warp pogona (ili Alcubierre pogona). Meksički fizičar Miguel Alcubierre predložen 1994. godine, ova ideja bila je pokušaj zamisli trenutnog kretanja u prostoru bez kršenja Einsteinove posebne teorije relativnosti. Ukratko, ovaj koncept uključuje rastezanje tkanine svemirskog vremena u val, što bi teoretski moglo prouzrokovati da se prostor ispred objekta sažme i iza njega proširi.
Objekt unutar ovog vala (naš brod) moći će jahati na tom valu, koji se nalazi u "warp mjehuriću", brzinom većom od relativističke. Budući da se brod ne kreće sam u mjehuriću, već ga nosi, zakoni relativnosti i prostora-vremena neće biti kršeni. Zapravo, ova metoda ne uključuje kretanje brže od brzine svjetlosti u lokalnom smislu.
To je "brže od svjetlosti" samo u smislu da brod može stići na odredište brže od zrake svjetlosti koja putuje izvan osnove mjehurića. Pod pretpostavkom da će svemirski brod biti opremljen sustavom Alcubierre, do Proxime Centauri stići će za manje od 4 godine. Stoga, ako govorimo o teoretskom međuzvjezdanom putovanju u svemir, to je daleko najperspektivnija tehnologija u pogledu brzine.
Naravno, cijeli ovaj koncept je krajnje kontroverzan. Argumenti protiv, na primjer, uključuju da ona ne uzima u obzir kvantnu mehaniku i da je teorija svega (poput kvantne gravitacije petlje) može biti pobijana. Proračuni potrebne količine energije također su pokazali da bi warp pogon bio izrazito glasan. Ostale nesigurnosti uključuju sigurnost takvog sustava, prostorno-vremenske učinke na odredištu i povrede uzročno-posljedične povezanosti.
Međutim, 2012. godine, NASA-in znanstvenik Harold White rekao je da su on i njegove kolege počeli istraživati mogućnost stvaranja Alcubierre motora. White je izjavio da su izgradili interferometar koji će zabilježiti prostorne distorzije proizvedene ekspanzijom i kontrakcijom prostornog vremena metrike Alcubierre.
U 2013. godini Laboratorij za mlazni pogon objavio je rezultate testova osnove polja, koji su izvedeni u vakuum uvjetima. Nažalost, rezultati su smatrani "neuvjerljivim". Dugoročno ćemo možda naći da Alcubierrova metrika krši jedan ili više temeljnih prirodnih zakona. Čak i ako se njegova fizika pokaže ispravnom, nema garancije da se Alcubierre sustav može koristiti za let.
Općenito, sve je kao i obično: rođeni ste prerano da biste putovali do najbliže zvijezde. Ipak, ako čovječanstvo osjeti potrebu za izgradnjom "međuzvjezdane arke" u kojoj će se nalaziti samoodrživo ljudsko društvo, trebat će stotinu godina da dođu do Proxime Centauri. Ako, naravno, želimo uložiti u takav događaj.
S obzirom na vrijeme, sve dostupne metode izgledaju krajnje ograničeno. A ako stotine tisuća godina provedemo putujući do najbliže zvijezde, možda ćemo biti malo zainteresirani kada je vlastiti opstanak u pitanju, kako napreduje svemirska tehnologija, metode će ostati krajnje nepraktične. Kad naša arka stigne do najbliže zvijezde, njezine tehnologije će zastarjeti, a samo čovječanstvo više neće postojati.
Dakle, ako ne napravimo veliki pomak u fuziji, antimateriji ili laserskoj tehnologiji, zadovoljit ćemo se istraživanjem vlastitog Sunčevog sustava.
Na temelju materijala iz tvrtke Universe Today
- 1. dio -