spektakulært streak shot blev taget fra Hangar af på Cape Canaveral Air Force Station med et solidt raketforstærker-hentningsskib i forgrunden. For hele vores historie på jorden er den eneste måde, vi nogensinde har nået rummet, gennem brug af kemisk baserede brændstoffer.
NASA
så længe mennesker har set nattehimlen, har vi drømt om at besøge andre verdener og virkelig se, hvad der er derude i universet. Mens vores kemiske baserede raketter har ført os til et utal af planeter, måner og andre kroppe i solsystemet, er det fjerneste rumfartøj nogensinde lanceret af menneskeheden — Voyager 1 — kun 22,3 milliarder kilometer (13,9 milliarder miles) fra jorden: kun 0,056% af afstanden til det nærmeste kendte stjernesystem. Med den nuværende teknologi ville det tage tæt på 100.000 år at rejse til et andet stjernesystem.
men der er ingen grund til at begrænse os til at gøre tingene som vi gør dem lige nu. Med den rigtige teknologi kunne vi meget forbedre, hvor effektivt det er at få en stor nyttelastmasse, måske endda en, der bar mennesker om bord, til hidtil usete afstande over hele universet. Især er der fire teknologier, der har potentialet til at føre os til stjernerne på meget kortere tidsplaner. Sådan gør du.
test i 1967. Denne raket er drevet af masse/energi konvertering, og understøttes af den berømte ligning E=mc^2. Selvom dette koncept aldrig har ført til en vellykket raket, kan det være fremtiden for interstellar rumrejse.
ECF (eksperimentel Motor koldstrøm) eksperimentel nuklear raketmotor, NASA, 1967
1.) Den nukleare mulighed. På dette tidspunkt i menneskets historie har hver raket, vi nogensinde har lanceret i rummet, en ting til fælles: den er blevet drevet af kemisk baseret brændstof. Ja, raketbrændstof er en speciel blanding af kemiske brændstoffer designet til at maksimere tryk, men den “kemiske brændstof” – del er meget vigtig: den siger, at reaktionerne, der driver den, er afhængige af omlægning af bindinger mellem forskellige atomer for at give energi.
Dette er grundlæggende begrænsende! For et atom er det overvældende flertal af dets masse i atomets kerne: 99,95%. Når du deltager i en kemisk reaktion, bliver elektronerne, der kredser om atomerne, omarrangeret og frigiver typisk et sted omkring 0,0001% af den samlede masse af atomerne involveret i form af energi via Einsteins berømte ligning: E = mc2. Det betyder, at for hver 1 kilo brændstof, du lægger din raket op med, får du kun energiækvivalenten et sted i ballparken på 1 milligram masse ud af reaktionen.
facilitet er det første skridt i at øge energien af laserstråler, som de gør deres vej mod målet kammer. NIF opnåede for nylig et 500 skud – 1.000 gange mere strøm end USA bruger på ethvert tidspunkt. Kernefusion er tusindvis af gange mere effektiv end nogen kemisk-baseret reaktion.
Damien Jemison/LLNL
men hvis du gik med et atombaseret brændstof, ændres historien dramatisk. I stedet for at stole på at ændre, hvordan elektroner konfigureres, og hvordan atomer er bundet sammen, kan du frigive relativt enorme mængder energi ved at ændre, hvordan atomkerner selv er bundet til hinanden. Når du opdeler et Uranatom ved at bombardere det med en neutron, udsender det en enorm mængde energi sammenlignet med enhver kemisk baseret reaktion: 1 kg U-235 brændstof kan frigive energiækvivalenten på 911 milligram masse, en faktor på ~1000 gange mere effektiv end kemisk baserede brændstoffer.
hvis vi i stedet skulle mestre nuklear fusion, såsom med et inerti-indeslutningsfusionssystem, der var i stand til at smelte brint til helium — den samme kædereaktion, der finder sted i solen — kunne vi blive endnu mere effektive. Fusion af 1 kg brintbrændstof til helium ville gøre 7,5 gram masse til ren energi, hvilket gør det næsten 10.000 gange så effektivt som kemisk baserede brændstoffer.
nøglen er, at vi ville være i stand til at opnå de samme accelerationer for en raket i langt længere perioder: hundreder eller endda tusinder af gange så længe, hvilket gør det muligt for os at nå hastigheder hundreder eller tusinder af gange større end konventionelle raketter opnår i dag. Det kunne skære den interstellare rejsetid ned til blot århundreder eller måske endda årtier. Det er en lovende avenue, der kan opnås, afhængigt af hvordan teknologien udvikler sig, før vi rammer år 2100.
laser array slår og accelererer et relativt stort område, lavmasse rumfartøj. Dette har potentialet til at accelerere ikke-levende objekter til hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed, hvilket muliggør en interstellar rejse inden for en enkelt menneskelig levetid.
list 2016 UCSB eksperimentel kosmologi gruppe
2.) Et rumbaseret laser array. Dette var hovedideen bag “Breakthrough Starshot” – konceptet, der blev kendt for et par år siden, og det forbliver et spændende koncept. Mens konventionelle rumfartøjer er afhængige af at bringe deres eget brændstof om bord og bruge det til selvaccelerering, er nøgleideen her, at et stort, højdrevet laserarray ville give det nødvendige tryk til et eksternt rumfartøj. Med andre ord ville kilden til trykket være adskilt fra selve rumfartøjet.
dette er et fascinerende koncept og en revolutionerende på mange måder. Laserteknologi bliver med succes ikke kun mere kraftfuld, men også mere kollimeret, hvilket betyder, at hvis vi kan konstruere et sejllignende materiale, der kunne afspejle en høj nok procentdel af det laserlys, kunne vi bruge den laserblast til at accelerere et rumfartøj til enorme hastigheder væk fra kilden til vores array. En ~1 gram masse “starchip” kunne tænkes at nå ~20% lysets hastighed, hvilket ville gøre det muligt at nå frem til proksima Centauri, vores nærmeste stjerne, på bare 22 år.
starship, har potentialet til at accelerere et rumfartøj til omkring 20% lysets hastighed og nå en anden stjerne inden for en menneskelig levetid. Det er muligt, at vi med tilstrækkelig kraft endda kunne sende et besætningsbærende rumfartøj til at spænde over de interstellære afstande.
gennembrud Starshot
sikker på, vi bliver nødt til at bygge en enorm laser array: omkring 100 kvadratkilometer værd af lasere, og vi bliver nødt til at gøre det i rummet, men det er et omkostningsproblem, ikke videnskab eller teknologi. Men der er teknologiske problemer, der skal overvindes for at dette kan fungere, herunder:
- et ikke-understøttet sejl vil begynde at rotere og kræver en slags (uudviklet) stabiliseringsmekanisme,
- det faktum, at der ikke er nogen måde at bremse, når du kommer til din destination, da der ikke er noget brændstof om bord,
- og selvom du kunne skalere det op for at transportere mennesker, ville accelerationerne være alt for store — hvilket nødvendiggør en stor ændring i hastighed over kort tid — for et menneske at overleve.
denne teknologi kunne måske en dag tage os til stjernerne, men en vellykket plan om at tage mennesker op til ~20% lysets hastighed er endnu ikke kommet ud.
fra ren energi er en fuldstændig reversibel reaktion (højre), med materie / antimaterie udslettende tilbage til ren energi. Vi ved, hvordan man skaber og ødelægger antimateriale ved at bruge stof sammen med det til at genvinde ren energi i en brugbar form, såsom fotoner.
Dmitri Pogosyan/University of Alberta
3.) Antimatterbrændstof. Hvis vi skal bringe brændstof med os, kan vi lige så godt gøre det til det mest effektive brændstof muligt: materie-antimatter udslettelser. I stedet for kemikaliebaserede eller endda atombaserede brændstoffer, hvor kun en del af den masse, der bringes om bord, omdannes til energi, ville en materie-antimatterudslettelse omdanne 100% af massen af både stof og antimateriale til energi. Dette er den ultimative effektivitet for brændstof: udsigten til at omdanne det hele til energi, der kunne bruges til fremdrift.
vanskeligheden kommer kun i praksis, og især på tre fronter:
- oprettelsen af stabilt, neutralt antimateriale,
- evnen til at isolere det væk fra normalt stof og præcist kontrollere det,
- og at producere det i store nok mængder, at det kunne være nyttigt til interstellar rejse.
spændende nok er de to første udfordringer allerede overvundet.
ladede antimatterpartikler bringes sammen og kan danne enten positive ioner, neutrale atomer eller negative ioner afhængigt af antallet af positroner, der binder med et antiproton. Hvis vi med succes kan fange og opbevare antimaterie, ville det repræsentere en 100% effektiv brændstofkilde, men mange tons antimaterie, i modsætning til de små fraktioner af et gram, vi har oprettet, ville være nødvendige for en interstellar rejse.
E. Siegel
på CERN, hjemmet til Large Hadron Collider, er der et enormt kompleks kendt som “antimateriefabrikken”, hvor mindst seks separate hold undersøger antimateriens forskellige egenskaber. De tager antiprotoner og sænker dem og tvinger positroner til at binde med dem: skabe antiatomer eller neutralt antimateriale.
de begrænser disse antiatomer i et kar med skiftende elektriske og magnetiske felter, som effektivt fastgør dem på plads væk fra beholdervæggene, der er lavet af stof. På dette tidspunkt, midten af 2020, har de med succes isoleret og holdt stabile flere antiatomer i næsten en time på samme tid. På et tidspunkt inden for de næste par år vil de være gode nok til dette, at de for første gang kan måle, om antimaterie falder op eller ned i et tyngdefelt.
det er ikke nødvendigvis en kortsigtet teknologi, men det kan ende med at være vores hurtigste middel til interstellar rejse af alle: en antimatterdrevet raket.
brændstof, men hvis der blev oprettet en mørk materie-motor, findes der altid nyt brændstof ved blot at rejse gennem galaksen. Fordi mørkt stof ikke interagerer med normalt stof (for det meste), men passerer lige igennem det, ville du ikke have nogen problemer med at samle det i et bestemt rumfang; det ville altid være der, da du bevægede dig gennem galaksen.
NASA/MSFC
4.) Et rumfartøj drevet af mørkt stof. Denne er ganske vist afhængig af en antagelse om, hvilken partikel der er ansvarlig for mørkt stof: at det opfører sig som en boson, hvilket gør det til sin egen antipartikel. I teorien vil mørkt stof, der er dets egen antipartikel, have en lille, men ikke-nul chance for at udslette med enhver anden mørk stofpartikel, den kolliderer med, frigive energi, som vi potentielt kunne udnytte i processen.
der er nogle potentielle beviser for dette, da ikke kun Mælkevejen, men også andre galakser observeres at have et uforklarligt overskud af gammastråler, der kommer fra deres galaktiske centre, hvor den mørke materietæthed skal være størst. Det er altid muligt, at der er en dagligdags astrofysisk forklaring på dette — som pulsarer — men det er også muligt, at mørkt stof udsletter sig selv i galaksernes centre, hvilket giver en utrolig mulighed: et mørkt materie-fueled rumfartøj.
enorm, diffus mørk materie halo, hvilket indikerer, at der skal være mørkt stof, der strømmer gennem solsystemet. Selvom vi endnu ikke har opdaget mørkt stof direkte, kan dets rigelige tilstedeværelse i hele vores galakse og videre give en perfekt opskrift på det perfekte raketbrændstof, der kan tænkes.
Robert Cald godt& Marc Kamionkoski Nature 458, 587-589 (2009)
fordelen ved dette er, at mørkt stof bogstaveligt talt er overalt i hele galaksen, hvilket betyder, at vi ikke behøver at tage brændstof med os på en rejse til hvor vi gik. I stedet kunne en mørk materie “reaktor” simpelthen:
- tag det mørke stof, der skete at passere inden i det,
- enten lette dets udslettelse eller lade det udslette naturligt,
- og omdirigere udstødningen for at opnå fremdrift i den retning, vi ønskede,
og vi kunne kontrollere reaktorens størrelse og størrelse for at opnå de ønskede resultater.
uden behov for at transportere brændstof ombord, ville mange af problemerne med fremdrivningsdrevet rumrejse blive ikke-problemer. I stedet ville vi være i stand til at opnå den ultimative drøm om rejse: ubegrænset konstant acceleration. Fra selve rumskibets perspektiv ville dette åbne en af de mest fantasifulde muligheder for alle, evnen til at nå ethvert sted i universet inden for en enkelt menneskelig levetid.
destination, hvis den accelererer med en konstant hastighed på jordens overfladegravitation. Bemærk, at i betragtning af tilstrækkelig tid ved en acceleration på 1g kan du nå ethvert sted i universet inden for en enkelt menneskelig levetid.
P.
Hvis vi begrænser os til den nuværende raketteknologi, vil det tage titusinder af år — som minimum — at gennemføre en rejse fra jorden til det nærmeste solsystem ud over vores eget. Men enorme fremskridt inden for fremdrivningsteknologier er inden for rækkevidde og kan reducere denne rejse til inden for en enkelt menneskelig levetid. Hvis vi kan mestre brugen af nukleart brændsel, af spaceborne laser arrays, af antimaterie eller endda af mørkt stof, kunne vi realisere vores drøm om at blive en rumfarende civilisation uden at påberåbe os fysikbrydende teknologier som kædedrev.
der er flere potentielle veje til at gøre det, der allerede er påvist som videnskabeligt gyldigt, til en gennemførlig, levedygtig næste generations fremdrivningsteknologi. Ved slutningen af århundredet er det absolut en mulighed for, at et rumfartøj, der endnu ikke er designet, vil overvinde nye horisonter, Pioneer og Voyager missioner som de fjerneste objekter fra jorden. Videnskaben er der allerede. Det er op til os at se ud over begrænsningerne i vores nuværende teknologier og bringe denne drøm til virkelighed.
Følg mig på Facebook. Tjek min hjemmeside eller noget af mit andet arbejde her.