- 1. rész -
Ha létező technológiát használ, akkor nagyon-nagyon hosszú időbe telik a tudósok és űrhajósok küldése csillagközi küldetésre. Az utazás fájdalmasan hosszú lesz (még a kozmikus szabványok szerint is). Ha legalább egy életben, akár egy generációban, akár egy életben meg akarunk tenni egy ilyen utat, radikálisabb (olvassuk: tisztán elméleti) intézkedésekre van szükségünk. És ha a féreglyukak és az űrhajók jelenleg fantasztikusak, akkor évek óta vannak más ötletek, amelyekbe hiszünk.
Atomerőmű
Az atomerőmű elméletileg lehetséges „motor” a gyors űrutazáshoz. A koncepciót eredetileg Stanislav Ulam 1946-ban javasolta, egy lengyel-amerikai matematikus, aki részt vett a manhattani projektben. Az előzetes számításokat F. Reines és Ulam készítette 1947-ben. Az Orion projektet 1958-ban indították és 1963-ig létezett.
Ted Taylor, az általános atómia vezetõje és Freeman Dyson fizikus, a Princetoni Fejlett Tanulmányi Intézet vezetõjeként az Orion a pulzált nukleáris robbanások erejét kihasználja, hogy óriási nyomást biztosítson nagyon magas fajlagos impulzus mellett.
Promóciós videó:
Dióhéjban, a Project Orion tartalmaz egy nagy űrhajót, amely felgyorsítja a sebességet azáltal, hogy termonukleáris fejfegyvereket támogat, a bombákat hátra dobja és felgyorsítja, amikor a robbantási hullám egy hátsó ülésen elhelyezett tolóerőbe vagy nyomólapba kerül. Minden egyes nyomás után ez a panel felszívja a robbanás erejét, és előremozgássá alakítja.
Noha ez a konstrukció a modern szabványok szerint alig elegáns, a koncepció előnye az, hogy magas fajlagos tolóerőt biztosít - vagyis minimális költséggel extrahálja az üzemanyag-forrásból (ebben az esetben a nukleáris bombákból) a maximális energiamennyiséget. Ezenkívül ez a koncepció elméletileg nagyon nagy sebességet is felgyorsíthat, bizonyos becslések szerint a fénysebesség 5% -áig (5,4 x 107 km / h).
Természetesen ennek a projektnek elkerülhetetlen hátrányai vannak. Egyrészt egy ilyen méretű hajó építése rendkívül drága lenne. 1968-ban a Dyson becslése szerint az Orion űrhajó, amelyet hidrogénbombák hajtanak, 400 000 és 4 000 000 tonnát sújt. És ennek a tömegnek legalább háromnegyedét nukleáris bombákból származik, amelyek mindegyike körülbelül egy tonna súlyú.
Dyson konzervatív becslése szerint az Orion építésének teljes költsége 367 milliárd dollár lett volna. Az inflációhoz igazítva ez az összeg 2,5 trillió dollár, ami elég sok. Még a legkonzervatívabb becsléseknél is a készülék gyártása rendkívül drága lesz.
Ugyancsak van egy kis probléma a sugárzás által, amelyet az kibocsát, még a nukleáris hulladékról sem. Úgy gondolják, hogy éppen ezért indították el a projektet az 1963. évi részleges vizsgálati tilalom alapján, amikor a világ kormányai megpróbálták korlátozni a nukleáris kísérleteket és megállítani a radioaktív szennyeződés túlzott kibocsátását a bolygó légkörébe.
Nukleáris fúziós rakéták
Az atomenergia felhasználásának másik lehetősége a termonukleáris reakciók a tolóerő létrehozására. Ezen koncepció értelmében az energiát inerciális elzárással kell előállítani, amelyben a deutérium és a hélium-3 keverék pelletjeit elektronkamrák felhasználásával meggyújtják egy reakciókamrában (hasonlóan, amit a kaliforniai Nemzeti Gyújtókomplexben végeznek). Egy ilyen fúziós reaktor másodpercenként 250 pelletet robbant fel, nagy energiájú plazmát hozva létre, amelyet egy fúvóka felé irányítanak, és ezzel tolóerőt eredményeznek.
Mint egy nukleáris reaktoron alapuló rakéta, ennek a koncepciónak előnyei vannak az üzemanyag-hatékonyság és a specifikus impulzus szempontjából. A becsült sebességnek el kell érnie a 10 600 km / h-t, jóval meghaladva a hagyományos rakéták sebességkorlátozásait. Sőt, ezt a technológiát széles körben tanulmányozták az elmúlt évtizedekben, és számos javaslatot tettek.
Például 1973 és 1978 között a Brit Bolygóközi Társaság megvalósíthatósági tanulmányt készített a Daedalus projekt számára. A termonukleáris fúzió modern tudására és technológiájára támaszkodva a tudósok kértek egy kétlépcsős, pilóta nélküli tudományos szonda felépítését, amely elérheti Barnard csillagát (5,9 fényévnyire a Földtől) egy emberi élettartam alatt.
Az első szakasz, a kettő közül a legnagyobb, 2,05 évig futna, és a hajót a fénysebesség 7,1% -ára gyorsítja. Ezután ezt a stádiumot megsemmisítik, a másodikot meggyújtják, és a készülék 1,8 év alatt a fénysebesség 12% -ára gyorsul. Ezután a második szakasz motorját kikapcsolják, és a hajó 46 éve repül.
A Daedalus projekt becslései szerint a Barnard-csillag elérése 50 évig tart. Ha a Proxima Centauri felé érkezik, ugyanaz a hajó 36 év alatt eléri. De természetesen a projekt számos megoldatlan kérdést tartalmaz, különösen a modern technológiák alkalmazásával megoldhatatlan - és ezek többségét még nem sikerült megoldani.
Például gyakorlatilag nincs hélium-3 a Földön, ami azt jelenti, hogy máshol kell bányászni (valószínűleg a Holdon). Másodszor, a vízi járművet mozgató reakció megköveteli, hogy a kibocsátott energia sokkal nagyobb legyen, mint a reakció kiváltásához szükséges energia. És bár a Földön végzett kísérletek már meghaladták a „break-even pontot”, még mindig messze vagyunk attól az energiamennyiségtől, amely képes csillagközi járművet táplálni.
Harmadszor, továbbra is fennáll az ilyen hajó költségeinek kérdése. Még a Project Daedalus pilóta nélküli járművek szerény szabványai szerint a teljesen felszerelt jármű súlya 60 000 tonna. Csak akkor, ha tudod, a NASA SLS bruttó súlya alig több mint 30 tonnát jelent, és önmagában az indítás 5 milliárd dollárba kerül (2013. évi becslések szerint).
Röviden: a fúziós rakéta nemcsak túl drága lesz az építéséhez, hanem a fúziós reaktor szintjéhez is messze meghaladja a képességeinket. Az Icarus Interstellar, a polgári tudósok nemzetközi szervezete (akik közül néhányan a NASA-ban vagy az ESA-ban dolgozott) megpróbálja újjáéleszteni a koncepciót az Icarus-projekttel. A 2009-ben összeállított csoport reméli, hogy a fúziós mozgalom (és mások) a belátható jövőben is lehetővé válik.
Termonukleáris nyomaték
A Bussard ramjet néven is ismert motorként először Robert Bussard fizikus javasolta 1960-ban. Alapjában véve ez a fejlesztés a szokásos termonukleáris rakéta számára, amely mágneses tereket alkalmaz a hidrogén üzemanyag összenyomására a fúziós ponthoz. De egy ramjet motor esetén egy hatalmas elektromágneses tölcsér szívja a hidrogént a csillagközi közegből és üzemanyagként önti azt a reaktorba.
Amint a jármű felgyorsul, a reaktív tömeg belép a korlátozott mágneses mezőbe, amely összenyomja azt, mielőtt a fúzió megkezdődne. A mágneses mező ezután az energiát a rakéta fúvókájába irányítja, felgyorsítva a hajót. Mivel egyetlen tüzelőanyag-tartály sem lassítja le, egy termonukleáris nyomaték eléri a 4% -os fénysebességet, és bárhová eljuthat a galaxisban.
Ennek a küldetésnek azonban számos lehetséges hátránya van. Például a súrlódás problémája. Az űrhajó nagy üzemanyag-begyűjtési arányokra támaszkodik, de nagy mennyiségű csillagközi hidrogénnel is ütközni fog, és sebességet veszít - különösen a galaxis sűrű területein. Másodszor, az űrben nincs sok deutérium és trícium (amelyeket a földi reaktorokban használnak), és a rendes hidrogén szintézise, amely bőséges az űrben, továbbra is ellenőrzésünkön kívül áll.
Ugyanakkor a tudományos fantasztikus filmek szeretik ezt a fogalmat. A leghíresebb példa talán a Star Trek franchise, amely a Bussard Collector-ot használja. A valóságban a fúziós reaktorok ismerete sehol nem olyan tökéletes, mint szeretnénk.
Lézervitorla
A napelemes vitorlákat már régóta hatékony módszernek tekintik a naprendszer meghódítására. Amellett, hogy viszonylag egyszerű és olcsó elkészíteni, nagy előnye van: nincs szükségük üzemanyagra. Az üzemanyagot igénylő rakéták használata helyett a vitorla a csillagok sugárzásának nyomását használja az ultravékony tükrök nagy sebességű meghajtására.
Csillagközi repülés esetén azonban egy ilyen vitorlát fókuszált energia sugarakkal (lézer vagy mikrohullám) kell meghajtani ahhoz, hogy a fény közelébe gyorsuljon. A koncepciót először Robert Forward 1984-ben javasolta, a Hughes Repülési Laboratórium fizikusa.
Elképzelése megőrzi a napelemes vitorlák előnyeit, mivel nem igényel üzemanyagot a fedélzeten, valamint azt is, hogy a lézerenergia nem szétszóródik távolságonként ugyanúgy, mint a napsugárzás. Így tehát, míg a lézervitorla eltart egy ideig, amíg a fény közeli sebességre gyorsul, később ezt csak a fénysebesség korlátozza.
Robert Frisbee, a NASA sugárhajtómű-laboratóriumának fejlett hajtómű-kutatási igazgatója által készített 2000. évi tanulmány szerint egy lézervitorla kevesebb mint tíz év alatt a fénysebesség felét éri el. Azt is kiszámította, hogy egy 320 kilométer átmérőjű vitorla 12 év alatt elérheti a Proxima Centaurit. Időközben 965 kilométer átmérőjű vitorla csak 9 év alatt érkezik meg.
Az olvadás elkerülése érdekében azonban egy ilyen vitorlát fejlett kompozit anyagokból kell építeni. Ami a vitorla méretét tekintve különösen nehéz lesz. A költség még rosszabb. Frisbee szerint a lézereknek folyamatos, 17 000 teravatos energiamennyiségre lesz szükségük - nagyjából mekkora mennyiségű az egész világ egy nap alatt.
Antianyag motor
A tudományos fantasztikus szerelmesek tisztában vannak azzal, hogy mi az antianyag. De ha elfelejtette, az antianyag olyan anyag, amely olyan részecskékből áll, amelyek tömege megegyezik a rendes részecskékkel, de ellentétes töltéssel. Az antianyag-motor egy hipotetikus motor, amely az anyag és az antianyag közötti kölcsönhatásokra támaszkodik az energia előállítása vagy tolóerő létrehozása érdekében.
Röviden: egy antianyag-motor hidrogén és antihidrogén részecskékkel ütközik egymással. A megsemmisítési folyamat során felszabaduló energia térfogattal összehasonlítható egy hőmag nukleáris bomba robbanásának energiájával, amelyet szubatomi részecskék - pionok és muonok áramlása kísér. Ezeket a részecskéket, amelyek a fény sebességének egyharmadán haladnak, a mágneses fúvókába irányítják és tolóerőt generálnak.
A rakéták ezen osztályának előnye, hogy az anyag / antianyag-keverék tömegének nagy része energiává alakítható, ami nagy energia sűrűséget és fajlagos impulzust biztosít, amely jobb, mint bármely más rakéta. Sőt, a megsemmisítési reakció felgyorsíthatja a rakétát a fénysebesség felére.
A rakéták ezen osztálya a lehető leggyorsabb és leghatékonyabb (vagy lehetetlen, de javasolt). Ha a hagyományos kémiai rakétákhoz rengeteg üzemanyag szükséges az űrhajó meghajtásához a rendeltetési helyére, az antianyag-motor ugyanazt a munkát fogja elvégezni néhány milligramm üzemanyag felhasználásával. Fél kilogramm hidrogén- és antihidrogénrészecskék kölcsönös megsemmisítése több energiát bocsát ki, mint egy 10-megatonos hidrogénbomba.
Ez az oka annak, hogy a NASA Advanced Concepts Institute vizsgálja ezt a technológiát a lehetséges Mars-missziókra vonatkozóan. Sajnos, ha a közeli csillagrendszerekbe történő kiküldetéseket vizsgáljuk, a szükséges üzemanyagmennyiség exponenciálisan növekszik, és a költségek csillagászati jellegűvé válnak (és ez nem egy büntetés).
A 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE Közös Propulziós Konferenciára és Kiállításra készített jelentés szerint egy kétlépcsős antianyag rakéta több mint 815 000 metró tonna üzemanyagot igényel a Proxima Centauri eléréséhez 40 év alatt. Viszonylag gyors. De az ár …
Bár egy gramm antianyag hihetetlen mennyiségű energiát termel, önmagában egy gramm előállítása 25 millió milliárd kilowattóra energiát igényel, és trillió dollár lenne. Jelenleg az emberek által létrehozott antianyag teljes mennyisége kevesebb, mint 20 nanogramm.
És még akkor is, ha olcsóbban tudnánk előállítani az antianyagokat, hatalmas hajóra lenne szükségünk, amely a szükséges mennyiségű üzemanyagot képes tárolni. Dr. Darrell Smith és Jonathan Webby, az arizonai Embry-Riddle Repülési Egyetem jelentése szerint egy antianyag-meghajtású csillagközi csillaghajó 0,5 fénysebességgel képes felvenni és alig több mint 8 év alatt elérheti a Proxima Centauri-t. Maga a hajó azonban 400 tonna lenne, és 170 tonna antianyag-üzemanyag szükséges.
Ennek egyik lehetséges módja egy edény létrehozása, amely antianyagot hoz létre, majd üzemanyagként felhasználja azt. Ezt a koncepciót, amelyet vákuum-antisztatikus rakéták közötti csillagközi felfedező rendszernek (VARIES) hívnak, Richard Obausi javasolta az Icarus Interstellar-ból. A helyszíni újrafeldolgozás ötletére építve a VARIES nagy lézereket (hatalmas napelemek táplálékával) fog létrehozni, hogy az űrtartalmú részecskék létrehozásakor üres területre kerüljenek.
A termonukleáris sugárhajtású motorhoz hasonlóan ez a javaslat oldja meg az üzemanyag szállításának problémáját azáltal, hogy azt közvetlenül az űrből kivonja. De ismét, egy ilyen hajó költsége rendkívül magas lesz, ha modern módszereinkkel építjük fel. Egyszerűen nem tudunk masszív méretekben létrehozni az antianyagot. A sugárzás problémájával is foglalkozni kell, mivel az anyag és az antianyag megsemmisítése nagy energiájú gammasugarakat okoz.
Nemcsak veszélyt jelentenek a személyzetre, hanem a motorra is, így az összes sugárzás hatására nem bomlanak szubatomi részecskékbe. Röviden: az antianyag-motor teljesen praktikus a jelenlegi technológiánkkal.
Alcubierre lánchajtás
A sci-fi szerelmesei kétségtelenül ismerik a láncmeghajtó (vagy az Alcubierre-meghajtó) fogalmát. A mexikói Miguel Alcubierre által 1994-ben javasolt ötlet kísérlet volt arra, hogy elképzelje az azonnali mozgást az űrben anélkül, hogy megsértené Einstein speciális relativitáselméletét. Röviden: ez a koncepció magában foglalja a téridő szövetének hullámhosszabbítását, ami elméletileg azt eredményezné, hogy a tárgy elõtt álló tér összehúzódjon, és mögötte az tér kibõvüljön.
A hullám belsejében lévő tárgy (a hajónk) képes arra, hogy ezen a hullámon lovagbuborékban lovagoljon, sokkal nagyobb sebességgel, mint a relativista. Mivel a hajó nem mozog a buborékban, hanem a hordozza, a relativitáselmélet és a téridő törvényeit nem fogják megsérteni. Valójában ez a módszer nem foglalja magában a helyi értelemben a fénysebességnél gyorsabb mozgást.
"Gyorsabb, mint a fény" csak abban az értelemben, hogy a hajó gyorsabban érheti el rendeltetési helyét, mint egy lámpabuborékon kívül haladó fénysugár. Feltéve, hogy az űrhajót Alcubierre rendszerrel látják el, kevesebb, mint 4 év alatt eléri a Proxima Centauri-t. Ezért, ha az elméleti csillagközi csillagutazásról beszélünk, ez a sebesség szempontjából messze a legígéretesebb technológia.
Természetesen az egész koncepció rendkívül ellentmondásos. Az érvek például az, hogy nem veszik figyelembe a kvantummechanikát, és mindent elmélettel megcáfolhatók (mint például a hurok kvantum gravitáció). A szükséges energiamennyiség kiszámítása azt is kimutatta, hogy a láncvesztés túlságosan zavaró lesz. Egyéb bizonytalanságok között szerepel egy ilyen rendszer biztonsága, a tér-idő hatások a rendeltetési helyen és az okozati összefüggések megsértése.
A NASA tudósa, Harold White 2012-ben azonban elmondta, hogy kollégáival elkezdték kutatni az Alcubierre motor létrehozásának lehetőségét. White kijelentette, hogy egy olyan interferométert építettek, amely rögzíti az Alcubierre-féle metrikus téridő tágulása és összehúzódása által okozott térbeli torzulásokat.
2013-ban a Jet Propulsion Laboratory közzétette a vákuum körülmények között elvégzett láncterepi teszt eredményeit. Sajnos az eredményeket „nem meggyőzőnek” tekintették. Hosszú távon azt tapasztalhatjuk, hogy az Alcubierre mutatója megsérti a természet egy vagy több alapvető törvényét. És még ha fizikája is megfelelőnek bizonyul, nem garantált, hogy az Alcubierre rendszer repülésre használható.
Általában minden rendben van: túl korán született, hogy a legközelebbi csillaghoz utazzon. Mindazonáltal, ha az emberiség úgy érzi, hogy egy "csillagközi ládát" fel kell építeni, amely egy önfenntartó emberi társadalmat fog felépíteni, száz évbe telik, hogy eljuthassunk a Proxima Centauri-ba. Ha természetesen befektetni akarunk egy ilyen eseménybe.
Idő szempontjából az összes rendelkezésre álló módszer rendkívül korlátozottnak tűnik. És ha több százezer évet töltünk el a legközelebbi csillag felé utazva, akkor kevés érdeklődésre számíthatunk, ha a saját túlélésünk veszélyben van, az űrtechnológia fejlődésével a módszerek rendkívül kivitelezhetetlenek maradnak. Mire a bárkánk eléri a legközelebbi csillagot, technológiája elavulttá válik, és maga az emberiség már nem létezik.
Tehát, hacsak nem történik meg jelentős áttörés a fúziós, az antianyag- vagy a lézertechnológiában, elégedettek vagyunk a saját naprendszerünk felfedezésével.
A Universe Today anyagai alapján
- 1. rész -