Всі ми задавали це питання в певний момент свого життя: скільки часу знадобиться, щоб подорожувати до зірок? Чи може це бути протягом життя людини, і чи може такий вид подорожей стати нормою колись? На це питання існує багато можливих відповідей - одні дуже прості, інші - у царинах наукової фантастики. Але придумати вичерпну відповідь означає враховувати багато речей.
На жаль, будь-яка реалістична оцінка, ймовірно, дасть відповіді, які б повністю відлякали футуристів та любителів міжзоряних подорожей. Подобається чи ні, простору дуже багато, а наша технологія все ще дуже обмежена. Але якщо ми коли-небудь задумуватимемось про те, щоб «покинути гніздо», у нас буде цілий ряд варіантів дістатися до найближчих Сонячних систем у нашій галактиці.
Найближча до Землі зірка - це наше Сонце, яке є досить «середньою» зіркою у головній послідовності діаграми Герцспрунга - Рассела. Це означає, що вона є дуже стійкою, забезпечуючи Землі лише потрібний тип сонячного світла для життя, що розвивається на нашій планеті. Ми знаємо, що поблизу нашої Сонячної системи існують планети, які обходять навколо інших зірок, і багато з цих зірок схожі на нашу.
В майбутньому, якщо людство захоче покинути Сонячну систему, у нас буде величезний вибір зірок, до яких ми могли б подорожувати, і багато хто може створити належні умови для процвітання життя. Але куди б ми поїхали і скільки часу нам знадобиться? Пам'ятайте, це все спекулятивно, і наразі не існує орієнтиру для міжзоряних поїздок. Це, як кажуть, ось ми йдемо!
Найближча зірка:
Як уже зазначалося, найближча зірка нашої Сонячної системи - Проксіма Кентаврі, саме тому має сенс спочатку скласти міжзоряну місію в цій системі. Як частина потрійної зіркової системи під назвою Альфа Кентаврі, Проксіма знаходиться на відстані приблизно 4,24 світлових років (або 1,3 парсек) від Землі. Альфа Кентавр - насправді найяскравіша зірка з трьох в системі - частина близько орбіти двійкових 4,37 світлових років від Землі - тоді як Проксима Кентаврі (найменший з трьох) є ізольованим червоним карликом, приблизно на 0,13 світлових років від бінарного .
І хоча міжзоряні подорожі спонукають до всіх видів бачення подорожей швидшого світла (FTL), починаючи від швидкості деформації та глибоких отворів до стрибків приводів, такі теорії є або дуже спекулятивними (як, наприклад, Alcubierre Drive) або повністю провінцією науки вигадка. Ймовірно, будь-яка глибока космічна місія, швидше за все, потребуватиме поколінь, а не через кілька днів або миттєво.
Отже, починаючи з однієї з найповільніших форм космічної подорожі, скільки часу знадобиться, щоб дістатися до Проксіми Кентавра?
Поточні методи:
Питання про те, скільки часу знадобиться, щоб дістатися кудись у космос, дещо простіше, якщо мати справу з існуючими технологіями та тілами в нашій Сонячній системі. Наприклад, використовуючи технологію, яка сприяла місії "New Horizons" - яка складалася з 16 дроселів, що заправлялися гідразиновим монопропіленом, - досягнення Місяця займе всього 8 годин і 35 хвилин.
З іншого боку, є місія Європейського космічного агентства (ESA) SMART-1, яка займала свій час подорожуючи до Місяця методом іонного руху. Завдяки цій революційній технології, що з тих пір використовується космічним кораблем "Світанок", щоб дістатися до Вести, місії SMART-1 знадобився один рік, один місяць і два тижні, щоб досягти Місяця.
Отже, від швидкого ракетного космічного корабля до економного іонного приводу, у нас є кілька варіантів обійти місцевий простір - плюс ми могли б використовувати Юпітер або Сатурн для потужного гравітаційного рогатки. Однак, якби ми планували місії десь трохи більше не в дорозі, нам довелося б розширити свою технологію і подивитися, що реально можливо.
Коли ми говоримо про можливі методи, ми говоримо про ті, які передбачають існуючу технологію, або про ті, які ще не існують, але є технічно здійсненними. Деякі, як ви побачите, визнані часом і доведеними, а інші з'являються або все ще є на дошці. Приблизно у всіх випадках вони представляють можливий (але надзвичайно трудомісткий або дорогий) сценарій досягнення навіть найближчих зірок ...
Іонний рух:
В даний час найбільш повільною формою руху і найбільш економічним паливом є іонний двигун. Кілька десятиліть тому іонне рушіння вважалося предметом наукової фантастики. Однак в останні роки технологія підтримки іонних двигунів перейшла від теорії до практики великим способом. Наприклад, місія ESA SMART-1 успішно завершила свою місію на Місяць після 13-місячного спірального шляху від Землі.
SMART-1 використовував іонні дроселі, що працюють на сонячних батареях, де електрична енергія збиралася з сонячних панелей і використовувалася для живлення рушників з ефектом Холла. Лише 82 кг ксенонового палива було використано для приведення SMART-1 на Місяць. 1 кг ксенонового палива забезпечував дельта-v 45 м / с. Це високоефективна форма руху, але це аж ніяк не швидко.
Однією з перших місій, яка використовувала технологію приводу іонів, була Глибокий простір 1 Місія в Кометі Борреллі, що відбулася в 1998 році. DS1 також використовував ксеноновий іонний привід, споживаючи 81,5 кг пального. За 20 місяців тяги DS1 вдалося досягти швидкості 56 000 км / год (35 000 миль / год) під час прольоту комети.
Отже, іонні штовхачі є більш економічними, ніж ракетна технологія, оскільки тяга на одиницю маси палива (питомий імпульс к.к.а) набагато вище. Але іоновим тягачам потрібно багато часу, щоб прискорити космічний корабель до будь-якої великої швидкості, а максимальна швидкість, яку він може досягти, залежить від його подачі палива та кількості електричної енергії, яку він може генерувати.
Отже, якби іонне рушійне середовище використовувалося для місії в Проксіму Кентаврі, дросельним двигунам знадобилося б величезне джерело виробництва енергії (тобто атомна енергетика) та велика кількість палива (хоча все ж менше, ніж звичайні ракети). Але виходячи з припущення, що запас 81,5 кг ксенонового палива перетворюється на максимальну швидкість 56000 км / год (і що немає інших форм руху, таких як гравітаційний рогат для подальшого його прискорення), деякі розрахунки можуть бути зробленим.
Коротше кажучи, з максимальною швидкістю 56 000 км / год, Глибокий простір 1 взяв би на себе 81 000 років пройти 4,24 світлових років між Землею та Проксімою Кентаврі. Якщо поставити цю шкалу часу в перспективу, це було б понад 2700 людських поколінь. Тож можна з упевненістю сказати, що місія міжпланетного іонного двигуна була б надто повільною, щоб вважатись для пілотованої міжзоряної місії.
Але, якщо іонні виштовхувачі будуть зростати більш потужними (тобто швидкість іонного вихлопу повинна бути значно більшою), і достатня кількість палива могла б перетягувати космічний корабель протягом усієї 4,243 світлового року, щоб час подорожі міг бути значно зменшено. Але все-таки недостатньо, щоб це сталося в житті когось.
Метод допомоги гравітації:
Найшвидший існуючий засіб космічних подорожей відомий як метод гравітації (Assistance Gravity Assist), який передбачає використання космічного апарату з використанням відносного руху (тобто орбіти) і зміни сили тяжіння планети - це шлях і швидкість. Гравітаційна допомога - це дуже корисна техніка космічного польоту, особливо при використанні Землі або іншої масивної планети (наприклад, газового гіганта) для збільшення швидкості.
The Марина 10 космічний корабель вперше застосував цей метод, застосувавши гравітаційне тяжіння Венери, щоб розчинити його до Меркурія у лютому 1974 року. У 1980-х роках Вояджер 1 щуп використовував Сатурн і Юпітер для гравітаційних знімків, щоб досягти його поточної швидкості в 60000 км / год (38000 миль / год) і перевести його в міжзоряний простір.
Однак це було саме Геліос 2 місія - яка була розпочата в 1976 р. для вивчення міжпланетного середовища від 0,3 АС до 1 АС на Сонце -, яка фіксує рекорд за найбільшу швидкість, досягнуту за допомогою сили тяжіння. У той час Геліос 1 (який був запущений у 1974 р.) та Геліос 2 тримав рекорд найближчого наближення до Сонця. Геліос 2 був запущений звичайним ракетним апаратом NASA Titan / Centaur і розміщений на високоеліптичній орбіті.
Через велику ексцентриситету (0,54) сонячної орбіти зондів (190 днів) при перигелії Геліос 2 вдалося досягти максимальної швидкості понад 240 000 км / год (150 000 миль / год). Ця орбітальна швидкість була досягнута лише гравітаційним потягом Сонця. Технічно Геліос 2 Швидкість перигелію не була гравітаційною рогаткою, вона була максимальною орбітальною швидкістю, але вона все ще зберігає рекорд як найшвидший техногенний об'єкт незалежно.
Отже, якщо Вояджер 1 мандрував у напрямку червоного карлика Проксима Кентавра з постійною швидкістю 60000 км / год., щоб пройти цю відстань потрібно було б 76 000 років (або понад 2500 поколінь). Але якби це могло досягти рекордної швидкості Геліос 2Близький наближення Сонця - постійна швидкість 240 000 км / год - знадобиться 19 000 років (або понад 600 поколінь), щоб подорожувати 4.243 світлових років. Значно краще, але все ще не в царині практичності.
Електромагнітний (ЕМ) привід:
Ще один запропонований метод міжзоряного руху є у вигляді резонансної тяги порожнини радіочастоти (RF), також відомий як EM Drive. Спочатку запропонований у 2001 році Роджером К. Шойєром, вченим з Великобританії, який розпочав дослідження Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), щоб привести його до плодоношення, цей привід побудований на основі ідеї, що електромагнітні порожнини НВЧ можуть дозволяти безпосередньо перетворювати електричну енергію в тягу. .
Якщо звичайні електромагнітні виштовхувачі призначені для приведення в дію певного типу маси (наприклад, іонізованих частинок), ця конкретна приводна система не покладається на реакційну масу і не випромінює спрямованого випромінювання. Така пропозиція зіткнулася з великою кількістю скептицизму, головним чином через те, що вона порушує закон збереження імпульсу - який стверджує, що в межах системи кількість імпульсу залишається постійною і не створюється і не знищується, а змінюється лише завдяки дії сил.
Однак останні експерименти з дизайном, очевидно, дали позитивні результати. У липні 2014 року на 50-й спільній конференції з приводу сил AIAA / ASME / SAE / ASEE в Клівленді, штат Огайо, дослідники з передових досліджень НАСА в галузі твердження про те, що вони успішно випробували нову конструкцію електромагнітного приводного двигуна.
Це було продовжено у квітні 2015 року, коли дослідники NASA Eagleworks (частина космічного центру Джонсона) заявляли, що вони успішно випробували привід у вакуумі, що свідчить про те, що він може насправді працювати в космосі. У липні того ж року науково-дослідна команда відділу космічної системи Дрезденського технологічного університету побудувала власну версію двигуна і помітила помітну тягу.
А в 2010 році професор Хуан Ян з Північно-Західного політехнічного університету в Сіані, Китай, почав публікувати серію робіт про свої дослідження технології EM Drive. Досягненням цього стала робота в 2012 році, де вона повідомила про більш високу вхідну потужність (2,5 кВт) і перевірила рівень тяги (720 мН). У 2014 році вона додатково повідомила про обширні випробування, що стосувались внутрішніх вимірювань температури із вбудованими термопарами, які, здавалося, підтверджували, що система працює.
Згідно з розрахунками, заснованими на прототипі NASA (які дали оцінку потужності в 0,4 Н / кіловат), космічний апарат, оснащений приводом ЕМ, міг здійснити подорож до Плутона менше ніж за 18 місяців. Це був шостий раз, коли знадобилося зонд "New Horizons", який рухався зі швидкістю близько 58 000 км / год (36000 миль / год).
Звучить вражаюче. Але навіть із такою швидкістю, це займе корабель, оснащений двигунами ЕМ 13 000 років щоб судно перейшло до Проксима Кентавра. Зближуючись, але не досить швидко! і до тих пір, коли ця технологія може бути остаточно доведена для роботи, не має сенсу класти наші яйця в цей кошик.
Ядерна теплова / ядерна електрична система (НТП / НЕП):
Іншою можливістю міжзоряного космічного польоту є використання космічних апаратів, оснащених ядерними двигунами, концепцію яких NASA вивчає десятиліттями. У ракеті ядерного теплового двигуна (НТП) уран або дейтерій використовуються для нагрівання рідкого водню всередині реактора, перетворення його в іонізований водень (плазму), який потім направляється через ракетну форсунку для створення тяги.
Ракета ядерного електричного двигуна (NEP) включає той самий базовий реактор, який перетворює свою теплоту та енергію в електричну енергію, яка потім буде живити електричний двигун. В обох випадках ракета покладалася б на ядерний поділ або синтез для отримання двигуна, а не на хімічні паливні речовини, що до цього часу було основою НАСА та всіх інших космічних агентств.
Порівняно з хімічним приводом, і NTP, і NEC надають ряд переваг. Перше і найбільш очевидне - це практично необмежена щільність енергії, яку він пропонує порівняно з ракетним паливом. Крім того, ядерний двигун також може забезпечити чудову тягу відносно кількості використовуваного палива. Це дозволить скоротити загальну кількість необхідного палива, таким чином, скоротити стартову вагу та вартість окремих місій.
Хоча жоден ядерно-тепловий двигун ніколи не пролітав, за останні кілька десятиліть було розроблено та випробувано декілька дизайнерських концепцій, запропоновано численні концепції. Вони варіювались від традиційної твердоядерної конструкції - наприклад, ядерного двигуна для застосування ракетних транспортних засобів (NERVA) - до більш вдосконалених та ефективних концепцій, що покладаються на рідке або газове ядро.
Однак, незважаючи на ці переваги в економічності палива та специфічному імпульсі, найскладніша концепція NTP має максимальний питомий імпульс 5000 секунд (50 кН · с / кг). Використовуючи ядерні двигуни, керовані поділом або синтезом, вчені NASA вважають, що космічний корабель знадобиться лише 90 днів, щоб дістатися до Марса, коли планета опинилася в "опозиції" - тобто близько 55 000 000 км від Землі.
Але налагоджена для подорожі в одну сторону до Проксіми Кентаврі, ядерній ракеті все ж знадобиться століття, щоб прискорити її до тієї точки, де вона летіла на частку швидкості світла. Потім знадобиться кілька десятиліть часу в дорозі, а потім ще багато століть сповільнення, перш ніж досягти місця призначення. Все сказане, ми все ще говоримо 1000 років перед тим, як досягти місця призначення. Добре для міжпланетних місій, не так добре для міжзоряних.
Теоретичні методи:
Використовуючи існуючу технологію, час, який знадобиться для відправки вчених та космонавтів на міжзоряну місію, буде надмірно повільним. Якщо ми хочемо здійснити цю подорож протягом одного життя, або навіть покоління, знадобиться щось трохи більш радикальне (т.к. дуже теоретичне). І хоча черв'ячні отвори і стрибкові двигуни все ще можуть бути чистою вигадкою на даний момент, є кілька досить просунутих ідей, які розглядалися роками.
Ядерний імпульс:
Ядерний імпульс - це теоретично можлива форма швидкого космічного подорожі. Концепція спочатку була запропонована в 1946 році Станіславом Уламом, польсько-американським математиком, який брав участь у проекті на Манхеттені, а попередні розрахунки були зроблені Ф. Рейнсом та Уламом у 1947 р. Фактичний проект - відомий як Project Orion - був розпочатий у 1958 і тривав до 1963 року.
Очолений Тедом Тейлором із загальної атомної галузі та фізиком Фріманом Дайсоном з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, Оріон сподівався використати потужність імпульсних ядерних вибухів, щоб забезпечити величезну тягу з дуже високим питомим імпульсом (тобто величиною тяги порівняно з вагою або кількість секунд, ракета може постійно стріляти).
Коротше кажучи, конструкція Orion передбачає великий космічний корабель з великим запасом термоядерних боєголовок, що досягає рушійного виходу, випустивши бомбу за собою, а потім проїхавши детонаційну хвилю за допомогою встановленого ззаду колодки, що називається «штовхач». Після кожного вибуху вибухова сила буде поглинана цією штовхачкою, яка потім переводить тягу в імпульс.
Перевага конструкції, хоч і не є елегантною за сучасними мірками, полягає в тому, що вона досягає високого питомого імпульсу - це означає, що вона отримує максимальну кількість енергії зі свого джерела палива (в даному випадку ядерних бомб) за мінімальних витрат. Крім того, концепція теоретично могла б досягти дуже високих швидкостей, згідно з деякими оцінками, показник бального парка досягає 5% швидкості світла (або 5,4 × 107 км / год).
Але звичайно, там неминучі недоліки в дизайні. Для одного корабель такого розміру був би неймовірно дорогим для будівництва. За підрахунками, зробленими Дайсоном у 1968 році, космічний корабель «Оріон», який використовував водневі бомби для виробництва двигуна, важив би 400 000 до 4 000 000 метричних тонн. І принаймні три чверті цієї ваги складаються з ядерних бомб, де кожна боєголова важить приблизно 1 метричну тону.
За всіма словами, найскромніші оцінки Дайсона визначали загальну вартість будівництва судна "Оріон" в 367 мільярдів доларів. З урахуванням інфляції це складає приблизно 2,5 трлн дол., Що складає понад дві третини поточного річного доходу уряду США. Отже, навіть у найлегшій мірі це судно було б надзвичайно дорогим.
Існує також невелика проблема всього випромінювання, яке він виробляє, не кажучи вже про ядерні відходи. Насправді, саме тому, вважається, що проект був припинений через прийняття Договору про часткову заборону випробувань 1963 р., Який прагнув обмежити ядерні випробування та припинити надмірне викид ядерних викидів в атмосферу планети.
Fusion ракети:
Інша можливість в царині запряженої ядерної енергетики передбачає ракети, які покладаються на термоядерні реакції для створення тяги. Для цієї концепції енергія створюється, коли гранули суміші дейтерій / гелій-3 запалюються в реакційній камері шляхом інерційного утримування за допомогою електронних променів (аналогічно тому, що робиться в Національному центрі запалювання в Каліфорнії). Цей плавильний реактор підірвав би 250 гранул в секунду, щоб створити високоенергетичну плазму, яку потім направлятимуть магнітною форсункою для створення тяги.
Як і ракета, яка спирається на ядерний реактор, ця концепція пропонує переваги, що стосується економії палива та конкретного імпульсу. Оцінюється швидкість вихлопу до 10 600 км / с, що значно перевищує швидкість звичайних ракет. Крім того, за останні кілька десятиліть цю технологію широко вивчали, і було зроблено багато пропозицій.
Наприклад, між 1973 і 1978 рр. Британське міжпланетарне товариство провело техніко-економічне обґрунтування, відоме як Project Daedalus. Спираючись на сучасні знання технологій синтезу та існуючі методи, дослідження закликало створити двоступеневий безпілотний науковий зонд, який здійснив подорож до зірки Барнард (5,9 світлових років від Землі) за одне життя.
Перший етап, більший з двох, діяв би 2.05 років і прискорив космічний апарат до 7,1% швидкості світла (o.071 c). Потім ця стадія буде викинута, після чого друга ступінь запалить свій двигун і прискорить космічний апарат до приблизно 12% швидкості світла (0,12 c) протягом 1,8 років. Потім двигун другого ступеня буде вимкнено, і судно вступить у 46-річний круїзний період.
За підрахунками Проекту, місії знадобиться 50 років, щоб досягти зірки Барнара. Пристосований для Proxima Centauri, той же корабель міг здійснити подорож 36 років. Але, звичайно, проект також визначив численні камені спотикання, які зробили його нездійсненним із застосуванням тодішніх технологій - більшість з яких досі не вирішені.
Наприклад, існує той факт, що гелій-3 дефіцитний на Землі, а значить, його доведеться видобувати в іншому місці (швидше за все, на Місяці). По-друге, реакція, яка керує космічним кораблем, вимагає, щоб енергія, що виділяється, значно перевищувала енергію, що використовується для запуску реакції. І хоча експерименти тут, на Землі, перевершили "ціль беззбитковості", ми все ще далекі від енергії, необхідної для живлення міжзоряного космічного корабля.
По-третє, існує коефіцієнт витрат на будівництво такого судна. Навіть за скромним стандартом безпілотного ремесла Project Daedalus, повне пальне судно важило б до 60 000 млн. Тонн. З огляду на це, валова вага SLS НАСА становить трохи більше 30 млн. Тонн, і за один запуск із ціною в 5 мільярдів доларів (на основі оцінок, зроблених у 2013 році).
Коротше кажучи, термоядерну ракету було б не тільки надмірно дорого побудувати; це також вимагає рівня технологій плавлення реактора, що наразі перевищує наші можливості. Icarus Interstellar, міжнародна організація вчених-добровольців-громадянинів (деякі з яких працювали в NASA чи ESA), намагалася реалізувати цю концепцію разом з Project Icarus. Заснована у 2009 році, група сподівається зробити найближчим часом можливим вибухонебезпечне спорудження (серед іншого).
Fusion Ramjet:
Також відома як Bussard Ramjet, ця теоретична форма руху вперше була запропонована фізиком Робертом В. Буссаром у 1960 році. В основному це вдосконалення в порівнянні зі стандартною ракетою ядерного синтезу, яка використовує магнітні поля для стиснення водневого палива до такої точки, що плавлення трапляється. Але у випадку Ramjet величезна електромагнітна воронка «вибирає» водень з міжзоряного середовища і скидає його в реактор як паливо.
Коли корабель набирає швидкість, реактивна маса примушується до прогресивно звуженого магнітного поля, стискаючи його, поки не відбудеться термоядерний синтез. Потім магнітне поле спрямовує енергію у вигляді вихлопу ракети через форсунку двигуна, тим самим прискорюючи судно. Без жодних паливних баків, які б зважували її, плавкий реактивний апарат міг би досягти швидкості, що наближається до 4% швидкості світла, і подорожувати будь-якою мірою в галактиці.
Однак потенційні недоліки цієї конструкції численні. Наприклад, існує проблема перетягування. Корабель покладається на підвищену швидкість накопичення палива, але, коли він стикається з дедалі більшою кількістю міжзоряного водню, він також може втратити швидкість - особливо в більш щільних районах галактики. По-друге, дейтерій і тритій (використовуються в плавких реакторах тут на Землі) рідкісні в космосі, тоді як плавлення звичайного водню (якого в космосі багато) не виходить за сучасні методи.
Ця концепція широко популяризується в науковій фантастиці. Мабуть, найвідоміший приклад цього - у франшизі Зоряний шлях, де "колектори Bussard" - це світяться нацели на основоположних двигунах. Але насправді наші знання про реакції синтезу потребують значного прогресу до того, як стане можливим реактивний реактор. Нам також слід було б розібратися у тій прискіпливій проблемі із затягуванням, перш ніж ми почали розглядати питання будівництва такого корабля!
Лазерне вітрило:
Сонячні вітрила здавна вважаються економічно ефективним способом вивчення Сонячної системи. Окрім того, що виготовлення є відносно простим і дешевим, є додатковий бонус сонячних вітрил, що не потребують палива. Замість того, щоб використовувати ракети, яким потрібен ракет, вітрило використовує тиск випромінювання зірок для підштовхування великих надтонких дзеркал до високих швидкостей.
Однак заради міжзоряного польоту такий вітрил потребує руху за допомогою сфокусованих енергетичних променів (тобто лазерів або мікрохвильових печей), щоб підштовхнути його до швидкості, що наближається до швидкості світла. Концепція спочатку була запропонована Робертом Форвардом у 1984 р., Який в той час був фізиком в дослідницьких лабораторіях Х'юз Еркрафт.
Концепція зберігає переваги сонячного вітрила тим, що він не потребує бортового палива, а також від того, що лазерна енергія не розсіюється з відстані майже стільки, скільки сонячне випромінювання. Отже, хоча вітрило, яке керується лазером, потребує певного часу, щоб прискорити його до блискучих швидкостей, воно обмежилося б лише швидкістю світла.
Відповідно до дослідження, проведеного 2000 р., Проведеного Робертом Фрісбі, директором розширених досліджень концепції руху в Лабораторії реактивного руху НАСА, лазерне вітрило може бути прискорене до половини швидкості світла менш ніж за десять років. Він також підрахував, що вітрило діаметром близько 320 км (200 миль) може досягти Проксіми Кентаврі трохи більше 12 років. Тим часом вітрило діаметром близько 965 км (600 миль) прилетить трохи нижче 9 років.
Однак такий вітрил повинен бути побудований з передових композитів, щоб уникнути плавлення. У поєднанні зі своїми розмірами це додало б досить копійки! Ще гірше - суттєві витрати, пов'язані з побудовою лазера, достатньо великого та потужного, щоб привести вітрило до половини швидкості світла. Згідно з власним дослідженням Фрісбі, лазерам буде потрібно постійний потік потужності 17 000 тераватт - близько до того, що споживає весь світ за один день.
Антиматеричний двигун:
Шанувальники наукової фантастики, безумовно, чули про антиматерію. Але якщо ви цього не зробили, антиматерія - це по суті матеріал з античастинок, які мають ту саму масу, але протилежний заряд, як звичайні частинки. Тим часом антимоноподібний двигун - це форма руху, яка використовує взаємодію між речовиною і антиматерією для отримання сили або для створення тяги.
Коротше кажучи, двигун антиматерії включає частинки водню та антигідрогену, що потрапляють разом. Ця реакція вивільняє стільки ж, скільки і енергія, як термоядерна бомба, разом з душем субатомних частинок під назвою піони та мюони. Ці частинки, які рухалися б на третину швидкості світла, потім спрямовуються магнітною насадкою для створення тяги.
Перевага цього класу ракет полягає в тому, що велика частка маси спокою речовини / антиматеріальної суміші може бути перетворена на енергію, що дозволяє ракетам антиматерії мати набагато більшу щільність енергії та специфічний імпульс, ніж будь-який інший запропонований клас ракети. Більше того, контроль над такою реакцією може, можливо, підштовхнути ракету до половини швидкості світла.
Фунт за фунт, цей клас кораблі був би найшвидшим і найефективнішим із затрат. У той час як звичайні ракети потребують тонн хімічного палива, щоб привести космічний корабель до місця призначення, протимоторний двигун міг би виконати ту саму роботу з кількома міліграмами палива. Насправді взаємне знищення півлітра водню та частинок антигену дало б більше енергії, ніж 10-мегатонна воднева бомба.
Саме з цієї точної причини НАСА Інститут передових концепцій (NIAC) дослідив технологію як можливий засіб для майбутніх місій на Марсі. На жаль, при розгляді місій до сусідніх зіркових систем кількість палива, необхідного для здійснення поїздки, множиться експоненціально, а витрати, пов'язані з її виготовленням, будуть астрономічними (не каламбур!).
Згідно з доповіддю, підготовленим до 39-ї спільної конференції та виставки AIAA / ASME / SAE / ASEE (також Робертом Фрісбі), для двоступеневої ракетної антиматеріальної ракети знадобиться понад 815 000 метричних тонн (900 000 тонн США) палива для здійснення подорожі до Проксима Центавра приблизно через 40 років. Це не погано, наскільки тривають терміни. Але знову ж таки вартість ...
Тоді як один грам антиматерії виробляв би неймовірну кількість енергії, за оцінками, для виробництва всього одного граму потрібно приблизно 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії та коштуватиме понад трильйон доларів. В даний час загальна кількість антиматерії, яку створили людина, становить менше 20 нанограм.
І навіть якщо ми могли б виготовити антиматерію дешево, то вам знадобиться величезний корабель, щоб вмістити необхідну кількість палива. Згідно з повідомленням доктора Даррела Сміта та Джонатана Веббі з аеронавігаційного університету "Ембрі-загадка" в Арізоні, міжзоряне судно, оснащене протисистемним двигуном, могло досягти 0,5 швидкості світла та трохи досягти Проксима Центаври. 8 років. Однак сам корабель важив би 400 метричних тонн (441 тонн США) і йому потрібно було б 170 метричних тонн (187 тонн США) антиматеріального палива для здійснення подорожі.
Можливий спосіб цього - створити посудину, яка зможе створити антиматерію, яку вона може зберігати як паливо. Ця концепція, відома під назвою «Вакуум-антиматеріальна ракетна система міжзоряних дослідників» (VARIES), була запропонована Річардом Обьюсі з Icarus Interstellar. Виходячи з ідеї заправки на місці, корабель VARIES покладався б на великі лазери (живляться від величезних сонячних масивів), які створювали б частинки антиматерії при стрільбі з порожнього простору.
Подібно до концепції Ramjet, ця пропозиція вирішує проблему перевезення палива, використовуючи його з космосу. Але ще раз, велика вартість такого корабля буде надзвичайно дорогою, використовуючи сучасні технології. Крім того, можливість створити антиматерію у великих обсягах - це не те, що ми зараз маємо робити. Існує також питання випромінювання, оскільки знищення речовини-антиматерії може створювати вибухи високоенергетичних гамма-променів.
Це не тільки несе небезпеку для екіпажу, вимагаючи значних випромінювань, але й вимагає, щоб двигуни були екрановані, щоб вони не зазнавали атомної деградації від усіх випромінювань, яким вони піддаються. Отже, суть антиматерійного двигуна абсолютно недоцільна з нашими сучасними технологіями та в нинішньому бюджетному середовищі.
Алькаб'єр Warp Drive:
Шанувальники наукової фантастики також, без сумніву, знайомі з концепцією приводу Алькаб'єра (або "Warp"). Запропонований мексиканським фізиком Мігелем Алкуб'єром у 1994 році, цей запропонований метод був спробою зробити можливим подорож FTL без порушення теорії особливої відносності Ейнштейна. Коротше кажучи, концепція передбачає розтягнення тканини простору-часу хвилею, що теоретично призвело б до скорочення простору, що передує об'єкту, і простору за ним.
Об'єкт всередині цієї хвилі (тобто космічний корабель) тоді міг би їхати по цій хвилі, відомій як «пухирчастий міхур», понад межі релятивістської швидкості. Оскільки корабель не рухається всередині цієї міхура, а переноситься вздовж руху, правила простору-часу та відносності перестануть діяти. Причина цього методу не покладається на те, щоб рухатись швидше, ніж світло, у місцевому розумінні.
Це лише "швидше, ніж світло", в тому сенсі, що корабель міг досягти пункту призначення швидше, ніж промінь світла, який рухався за межі бульбашкової основи. Отже, якщо припустити, що космічний корабель може бути оснащений системою Alcubierre Drive, він зможе здійснити поїздку до Проксіми Центаври в менше 4 років. Тож якщо мова йде про теоретичні міжзоряні космічні подорожі, це, безумовно, найперспективніша технологія, принаймні з точки зору швидкості.
Природно, що концепція отримала свою частку контр-аргументів протягом багатьох років. Основним серед них є той факт, що він не враховує квантову механіку і може бути визнаний недійсним Теорією всього (наприклад, квантовою гравітацією циклу). Розрахунки кількості необхідної енергії також вказували на те, що для роботи варп-приводу потрібна буде надмірна кількість енергії для роботи. Інші невизначеності включають безпеку такої системи, вплив на простір-час у пункті призначення та порушення причинності.
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!
