Mohli Bychom Dosáhnout Mezihvězdného Cestování Pouze Pomocí Známé Fyziky?

velkolepý záběr byl pořízen z hangáru AF na Mysu Canaveral Air Force Station, s pevnou raketovou posilovací lodí v popředí. Pro celou naši historii na Zemi, jediný způsob, jak jsme se kdy dostali do vesmíru, je použití chemických paliv.

NASA

tak dlouho, jako lidské bytosti, a sledovali noční oblohu, jsme snili o návštěvě jiných světů a skutečně vidět, co je tam venku ve Vesmíru. Zatímco naše chemické bázi rakety vzali nás na nesčetné množství planet, měsíce a dalších těles ve Sluneční Soustavě, nejvzdálenější kosmická loď, jaká kdy byla na lidstvo — Voyager 1 — je pouze 22,3 miliardy kilometrů (13,9 miliardy kilometrů) od Země: jen 0.056% vzdálenost k nejbližší známý hvězdný systém. Se současnou technologií by cesta k jinému hvězdnému systému trvala téměř 100 000 let.

ale není třeba se omezovat na to, abychom dělali věci tak, jak je děláme právě teď. Se správnou technologií, mohli bychom výrazně zlepšit, jak efektivní je získat velké užitečné hmotnosti, možná i ten, který nesl lidmi na palubě, na nebývalé vzdálenosti ve Vesmíru. Zejména existují čtyři technologie, které mají potenciál přivést nás ke hvězdám v mnohem kratších časových lhůtách. Tady je návod.

testování v roce 1967. Tato raketa je poháněna přeměnou hmoty / energie a je podpořena slavnou rovnicí E=mc^2. Ačkoli tento koncept nikdy nevedl k úspěšné raketě, mohla by to být budoucnost mezihvězdného vesmírného cestování.

ECF (Experimental Engine Cold Flow) experimental nuclear rocket engine, NASA, 1967

1.) Jaderná varianta. V tomto bodě lidské historie má každá raketa, kterou jsme kdy vypustili do vesmíru, jedno společné: byla poháněna palivem na bázi chemikálií. Ano, raketové palivo je speciální směs chemických paliv navržen tak, aby maximalizoval tah, ale „chemická paliva“ část je velmi důležité: uvádí, že reakce napájení je spoléhat na přeskupení vazeb mezi jednotlivými atomy, které poskytují energii.

to je zásadně omezující! U atomu je převážná většina jeho hmotnosti v jádru atomu: 99,95%. Když jste zapojit se do chemické reakce, elektrony obíhající kolem atomů se přeskupeny, obvykle uvolňuje někde kolem 0,0001% z celkového množství atomů podílí ve formě energie, pomocí Einsteinovy známé rovnice: E = mc2. To znamená, že na každý 1 kilogram paliva, můžete načíst vaše raketa s, budete jen dostat energetický ekvivalent někde v ballpark 1 miligram hmoty z reakce.

zařízení jsou prvním krokem ke zvýšení energie laserových paprsků při jejich cestě k cílové komoře. NIF nedávno dosáhl 500 terawattového výstřelu-1 000krát více energie, než Spojené státy používají kdykoli v čase. Jaderná fúze je tisíckrát účinnější než jakákoli chemická reakce.

Damien Jemison / LLNL

ale pokud jste šli s jaderným palivem, tento příběh se dramaticky změní. Místo spoléhání se na měnící se, jak elektrony jsou nakonfigurovány a jak jsou atomy spojeny dohromady, můžete propustit poměrně obrovské množství energie, tím, že změní, jak sama jádra atomů jsou navzájem vázané. Při rozdělení, kromě atomu Uranu tím, že bombarduje je s neutron, to vyzařuje obrovské množství energie ve srovnání s jakoukoli založené chemické reakce: 1 kg U-235 paliva se může uvolnit energie ekvivalent 911 mg hmoty, faktor ~1000 krát účinnější než chemické bázi paliv.

Pokud bychom měli zvládnout jadernou fúzi místo, jako s inerciální-porodu fusion systém, který by byl schopen vodík na helium — stejnou řetězovou reakci, která probíhá na Slunci — by se mohl stát ještě efektivnější. Fixační 1 kilogram vodík na helium by zase 7.5 gramů hmotnosti na čistou energii, což je téměř 10 000 krát stejně efektivní jako chemické bázi paliv.

klíčem je, že bychom byli schopni dosáhnout stejných zrychlení pro raketu po mnohem delší dobu: stokrát nebo dokonce tisíckrát tak dlouho, což nám umožňuje dosáhnout rychlosti stokrát nebo tisíckrát větší, než dnes dosahují konvenční rakety. Mohlo by to zkrátit dobu mezihvězdného cestování na pouhá staletí nebo možná i desetiletí. Je to slibná cesta, která by mohla být dosažitelná, v závislosti na tom, jak se technologie vyvíjí, než se dostaneme do roku 2100.

laserové pole zasahuje a urychluje relativně velkou plochu s nízkou hmotností. To má potenciál urychlit neživé objekty na rychlosti blížící se rychlosti světla, což umožňuje mezihvězdnou cestu během jediného lidského života.

© 2016 UCSB Experimental Cosmology Group

2.) Vesmírné laserové pole. To byla hlavní myšlenka konceptu „Breakthrough Starshot“, který získal proslulost před několika lety, a zůstává vzrušujícím konceptem. Zatímco konvenční kosmická loď se spoléhá na to, že si na palubu přivede vlastní palivo a vynaloží ho na vlastní zrychlení, klíčovou myšlenkou je, že velký, vysoce výkonné laserové pole by poskytlo potřebný tah externí kosmické lodi. Jinými slovy, zdroj tahu by byl oddělen od samotné kosmické lodi.

Jedná se o fascinující koncept a revoluční v mnoha ohledech. Laserová technologie je úspěšně stává nejen silnější, ale více vysoce kolimovaný stejně, což znamená, že pokud budeme moci vyrobit plachtu-jako materiál, který by mohl odrážet dostatečně vysoké procento, že laserové světlo, můžeme použít laser blast k urychlení kosmické lodi, aby se obrovskou rychlostí pryč od zdroje našeho pole. ~1 gramová hmotnost „škrobu“ by mohla teoreticky dosáhnout ~20% rychlosti světla, což by jí umožnilo dorazit k Proxima Centauri, naší nejbližší hvězdě, za pouhých 22 let.

hvězdná loď má potenciál urychlit kosmickou loď na asi 20% rychlosti světla a dosáhnout další hvězdy během lidského života. Je možné, že s dostatečným výkonem bychom mohli vyslat i kosmickou loď s posádkou, která by překonala mezihvězdné vzdálenosti.

průlom Starshot

jistě, museli bychom postavit obrovské laserové pole: lasery v hodnotě asi 100 kilometrů čtverečních, a museli bychom to udělat ve vesmíru, ale to je problém nákladů, ne vědy nebo techniky. Existují však technologické problémy, které je třeba překonat, aby to fungovalo, včetně:

• nepodporovaný plavit se začne otáčet, a vyžaduje nějaký (nezastavěné) stabilizační mechanismus,
• skutečnost, že neexistuje žádný způsob, jak zpomalit, jakmile se dostanete do cíle, protože tam není palubní paliva,
• a i když jste mohli měřítku to až přepravu lidí, zrychlení by bylo příliš velké — vyžaduje velkou změnu v rychlosti v krátkém čase — pro člověka přežít.

Tato technologie by mohla, možná, jednoho dne, vezměte nás do hvězd, ale úspěšný plán, aby se lidé až do ~20% rychlosti světla ještě nemá.

z čisté energie je zcela reverzibilní reakce (vpravo), přičemž hmota/antihmota se ničí zpět na čistou energii. Víme, jak vytvořit a zničit antihmotu, pomocí hmoty spolu s ní Obnovit čistou energii v použitelné formě, jako jsou fotony.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta,

3.) Palivo antihmoty. Pokud si s sebou vezmeme palivo, můžeme z něj udělat to nejefektivnější možné palivo: zničení hmoty-antihmoty. Spíše než chemické bázi nebo dokonce i jaderná paliva, kde pouze část hmoty na palubu dostane přeměněn na energii, a reakce hmoty a antihmoty by převést 100% z hmotnosti obou hmoty a antihmoty na energii. To je nejvyšší účinnost paliva: vyhlídka na přeměnu všeho na energii, která by mohla být použita pro tah.

potíž Je jen v praxi, a zejména, a to na třech frontách:

• vytvoření stabilní, neutrální antihmoty,
• možnost izolovat od normální hmoty a přesně řídit to,
• a produkovat v dostatečně velkém množství, že by to mohlo být užitečné pro mezihvězdné cestování.

je dost vzrušující, že první dvě výzvy jsou již překonány.

nabité částice antihmoty se spojí dohromady, a mohou tvořit buď kladné ionty, neutrální atomy, nebo negativní ionty, v závislosti na počtu pozitronů, které se vážou s antiprotonových. Pokud můžeme úspěšně zachytit a uložit antihmoty, to by znamenalo 100% efektivní zdroj paliva, ale mnoho tun z antihmoty, na rozdíl od malé zlomky gramu, které jsme vytvořili, by bylo potřebné pro mezihvězdné cesty.

e. Siegel

V CERNU, Velký Hadronový Urychlovač, tam je obrovský komplex známý jako „antihmoty factory“, kde nejméně šest samostatných týmy jsou zkoumání různých vlastností antihmoty. Berou antiprotonů a zpomalit, nutí pozitrony vázat s nimi: vytvoření anti-atomy, nebo neutrální antihmoty.

omezit tyto anti-atomy v nádobě s střídavého elektrického a magnetického pole, které účinně pin je na místě, daleko od stěny nádoby, které jsou vyrobeny z hmoty. V tomto okamžiku, v polovině roku 2020, úspěšně izolovali a udržovali stabilní více antiatomů téměř hodinu současně. V určitém okamžiku během několika příštích let budou v tomto dost dobří na to, aby byli schopni poprvé změřit, zda antihmota padá nahoru nebo dolů v gravitačním poli.

To není nutně krátkodobý technologie, ale to by mohlo skončit, že naše nejrychlejší způsob mezihvězdného cestování: antihmoty-řízené rakety.

palivo, ale pokud byl vytvořen motor temné hmoty, nové palivo se vždy najde jednoduše cestou galaxií. Protože temné hmoty nereaguje s normální hmotou (většinou), ale prochází skrz něj, nebudete mít žádné potíže vyzvednutí v určitém objemu prostoru; to by být vždy tam, jak jste se přestěhovali přes galaxii.

NASA / MSFC

4.) Kosmická loď poháněná temnou hmotou. Ten se sice spoléhá na předpoklad o jakékoli částici odpovědné za temnou hmotu: že se chová jako boson, což z něj činí vlastní antičástici. V teorii temné hmoty, která je jeho vlastní antiparticle bude mít malou, ale nenulovou šanci zničit s jinými částice temné hmoty se s ní srazí, uvolnění energie, které můžeme potenciálně využít v procesu.

existuje pro to nějaký potenciální důkaz, protože nejen Mléčná dráha, ale i jiné galaxie mají nevysvětlitelný přebytek gama paprsků pocházejících z jejich galaktických center, kde by hustota temné hmoty měla být největší. Je vždy možné, že pro to existuje světské astrofyzikální vysvětlení-například pulsary-ale je také možné, že temná hmota se sama ničí v centrech galaxií, což přináší neuvěřitelnou možnost: kosmická loď poháněná temnou hmotou.

obrovský, rozptýlený halo temné hmoty, což naznačuje, že sluneční soustavou musí protékat temná hmota. I když ještě musíme detekovat temnou hmotu přímo, její hojná přítomnost v celé naší galaxii i mimo ni by mohla poskytnout dokonalý recept na dokonalé raketové palivo, které si lze představit.

Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)

výhodou je, že temná hmota je doslova všude po celé galaxii, což znamená, že jsme nepotřebovali, aby se palivo s námi na cestu, kamkoli jsme šli. Místo toho by „reaktor“ temné hmoty mohl jednoduše:

• vzít, co temná hmota stalo se to v ní,
• buď usnadnit jeho zničení, nebo to nechat zničit přirozeně,
• a přesměrování výfuku dosáhnout tah směrem, kterým jsme si přáli,

a můžeme kontrolovat velikost a velikost reaktoru pro dosažení požadovaných výsledků.

bez nutnosti přepravovat palivo na palubě by se mnoho problémů vesmírného cestování poháněného pohonem stalo bez problémů. Místo toho bychom byli schopni dosáhnout konečného snu o cestování: neomezené neustálé zrychlení. Z pohledu samotné kosmické lodi by to otevřelo jednu z nejnápaditějších možností ze všech, schopnost dosáhnout jakéhokoli místa ve vesmíru během jediného lidského života.

místo určení, pokud se urychluje při konstantní rychlosti z povrchu Země gravitační. Všimněte si, že vzhledem k dostatečnému času při zrychlení 1g můžete dosáhnout jakéhokoli místa ve vesmíru během jediného lidského života.

p. Fraundorf na Wikipedii

Pokud se omezíme na současné raketové technologie, to bude trvat desítky tisíc let — minimálně — na kompletní cestu od Země k nejbližší sluneční soustavě mimo naši vlastní. Ale obrovský pokrok v pohonných technologiích je na dosah, a mohl by tuto cestu snížit na jediný lidský život. Pokud můžeme zvládnout použití jaderného paliva, spaceborne laserové pole, antihmoty, nebo dokonce temné hmoty, bychom mohli realizovat náš sen stát spacefaring civilizace bez vyvolání fyzika-lámání technologie, jako warpový pohon.

existuje několik možných cest, jak přeměnit to, co již bylo prokázáno jako vědecky platné, na proveditelnou, životaschopnou pohonnou technologii nové generace. Do konce století je naprosto možné, že kosmická loď, která ještě nebyla navržena, předstihne mise New Horizons, Pioneer a Voyager jako nejvzdálenější objekty ze země. Věda už tam je. Je na nás, abychom se podívali za hranice našich současných technologií a uskutečnili tento sen.

Následujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo některé z mých dalších prací zde.