Könnten wir interstellare Reisen nur mit bekannter Physik erreichen?

spektakuläre Streifen Schuss wurde von Hangar AF auf Cape Canaveral Air Force Station genommen, mit einem festen Raketenverstärker Retrieval Schiff im Vordergrund. Während unserer gesamten Erdgeschichte haben wir den Weltraum nur durch die Verwendung chemischer Brennstoffe erreicht.

NASA

Seit Menschen den Nachthimmel beobachten, haben wir davon geträumt, andere Welten zu besuchen und wirklich zu sehen, was da draußen im Universum ist. Während unsere chemischen Raketen uns zu einer Vielzahl von Planeten, Monden und anderen Körpern im Sonnensystem gebracht haben, ist das am weitesten entfernte Raumschiff, das jemals von der Menschheit gestartet wurde — Voyager 1 — nur 22,3 Milliarden Kilometer (13,9 Milliarden Meilen) von der Erde entfernt: nur 0,056% der Entfernung zum nächsten bekannten Sternensystem. Mit der aktuellen Technologie würde es fast 100.000 Jahre dauern, um zu einem anderen Sternensystem zu reisen.

Aber wir müssen uns nicht darauf beschränken, die Dinge so zu machen, wie wir sie gerade machen. Mit der richtigen Technologie könnten wir erheblich verbessern, wie effizient es ist, eine große Nutzlastmasse, vielleicht sogar eine, die Menschen an Bord trug, in beispiellose Entfernungen über das Universum zu bringen. Insbesondere gibt es vier Technologien, die das Potenzial haben, uns in viel kürzeren Zeiträumen zu den Sternen zu bringen. Hier ist, wie.

Tests im Jahr 1967. Diese Rakete wird durch Masse / Energie-Umwandlung angetrieben und wird durch die berühmte Gleichung E = mc ^ 2 untermauert. Obwohl dieses Konzept nie zu einer erfolgreichen Rakete geführt hat, könnte es die Zukunft der interstellaren Raumfahrt sein.

ECF (Experimental Engine Cold Flow) experimenteller Atomraketentriebwerk, NASA, 1967

1.) Die nukleare Option. Zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte der Menschheit hat jede Rakete, die wir jemals ins All geschossen haben, eines gemeinsam: Sie wurde mit chemischem Treibstoff angetrieben. Ja, Raketentreibstoff ist eine spezielle Mischung chemischer Brennstoffe, die den Schub maximieren sollen, aber der Teil „chemischer Brennstoff“ ist sehr wichtig: Er besagt, dass die Reaktionen, die ihn antreiben, auf der Umlagerung von Bindungen zwischen verschiedenen Atomen beruhen, um Energie bereitzustellen.

Das ist grundsätzlich einschränkend! Für ein Atom befindet sich die überwiegende Mehrheit seiner Masse im Atomkern: 99,95%. Wenn Sie an einer chemischen Reaktion teilnehmen, werden die Elektronen, die die Atome umkreisen, neu angeordnet, wobei typischerweise etwa 0,0001% der Gesamtmasse der Atome in Form von Energie freigesetzt werden, über Einsteins berühmte Gleichung: E = mc2. Das heißt, für jedes 1 Kilogramm Treibstoff, mit dem Sie Ihre Rakete beladen, erhalten Sie nur das Energieäquivalent von irgendwo im Baseballstadion von 1 Milligramm Masse aus der Reaktion.

Sie sind der erste Schritt, um die Energie von Laserstrahlen auf ihrem Weg zur Zielkammer zu erhöhen. NIF hat kürzlich einen 500-Terawatt-Schuss erzielt – 1,000-mal mehr Leistung als die Vereinigten Staaten zu jedem Zeitpunkt verbrauchen. Kernfusion ist tausendmal effizienter als jede chemische Reaktion.

Damien Jemison / LLNL

Aber wenn Sie mit einem nuklearen Brennstoff gingen, ändert sich diese Geschichte dramatisch. Anstatt sich darauf zu verlassen, wie Elektronen konfiguriert und wie Atome miteinander verbunden sind, könnten Sie vergleichsweise enorme Energiemengen freisetzen, indem Sie ändern, wie Atomkerne selbst aneinander gebunden sind. Wenn Sie ein Uranatom durch Beschuss mit einem Neutron aufspalten, emittiert es im Vergleich zu jeder chemischen Reaktion eine enorme Energiemenge: 1 Kilogramm U-235-Brennstoff kann das Energieäquivalent von 911 Milligramm Masse freisetzen, ein Faktor von ~ 1000 mal effizienter als chemische Brennstoffe.Wenn wir stattdessen die Kernfusion beherrschen würden, wie zum Beispiel mit einem Inertial-Confinement—Fusionssystem, das in der Lage ist, Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen — die gleiche Kettenreaktion, die in der Sonne stattfindet -, könnten wir noch effizienter werden. Die Verschmelzung von 1 Kilogramm Wasserstoff zu Helium würde 7,5 Gramm Masse in reine Energie umwandeln und damit fast 10.000 Mal so effizient sein wie Kraftstoffe auf chemischer Basis.

Der Schlüssel ist, dass wir in der Lage wären, die gleichen Beschleunigungen für eine Rakete für viel längere Zeiträume zu erreichen: hunderte oder sogar tausende Male so lange, so dass wir Geschwindigkeiten erreichen können, die hunderte oder tausende Male höher sind als die, die herkömmliche Raketen heute erreichen. Es könnte die interstellare Reisezeit auf nur Jahrhunderte oder vielleicht sogar Jahrzehnte verkürzen. Es ist ein vielversprechender Weg, der je nach Entwicklung der Technologie erreichbar sein könnte, bevor wir das Jahr 2100 erreichen.

Laserarray, das ein relativ großflächiges Raumschiff mit geringer Masse trifft und beschleunigt. Dies hat das Potenzial, nicht lebende Objekte auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern und eine interstellare Reise innerhalb eines einzigen menschlichen Lebens ermöglichen.

© 2016 UCSB Experimentelle Kosmologie Gruppe

2.) Ein weltraumgestütztes Laserarray. Dies war die Hauptidee hinter dem „Breakthrough Starshot“ -Konzept, das vor einigen Jahren Bekanntheit erlangte, und es bleibt ein aufregendes Konzept. Während herkömmliche Raumfahrzeuge darauf angewiesen sind, ihren eigenen Treibstoff an Bord zu bringen und ihn zur Selbstbeschleunigung aufzuwenden, ist die Schlüsselidee, dass ein großes, leistungsstarkes Laserarray einem externen Raumfahrzeug den erforderlichen Schub verleihen würde. Mit anderen Worten, die Quelle des Schubs wäre vom Raumschiff selbst getrennt.

Dies ist ein faszinierendes Konzept und in vielerlei Hinsicht revolutionär. Die Lasertechnologie wird erfolgreich nicht nur leistungsfähiger, sondern auch stärker kollimiert, was bedeutet, dass wir, wenn wir ein segelartiges Material entwickeln können, das einen ausreichend hohen Prozentsatz dieses Laserlichts reflektieren könnte, diesen Laserstrahl verwenden könnten, um ein Raumschiff zu beschleunigen enorme Geschwindigkeiten weg von der Quelle unseres Arrays. Ein „Sternchip“ mit einer Masse von ~ 1 Gramm könnte möglicherweise ~ 20% der Lichtgeschwindigkeit erreichen, was es ihm ermöglichen würde, in nur 22 Jahren bei Proxima Centauri, unserem nächsten Stern, anzukommen.

Raumschiff, hat das Potenzial, ein Raumschiff auf etwa 20% der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und einen anderen Stern innerhalb eines menschlichen Lebens zu erreichen. Es ist möglich, dass wir mit genügend Kraft sogar ein Raumschiff mit Besatzung schicken könnten, um die interstellaren Entfernungen zu überbrücken.

Breakthrough Starshot

Sicher, wir müssten ein gewaltiges Laserarray bauen: laser im Wert von etwa 100 Quadratkilometern, und wir müssten es im Weltraum tun, aber das ist ein Kostenproblem, nicht Wissenschaft oder Technologie. Es gibt jedoch technologische Probleme, die überwunden werden müssen, damit dies funktioniert, einschließlich:

• Ein nicht unterstütztes Segel beginnt sich zu drehen und erfordert eine Art (unentwickelten) Stabilisierungsmechanismus,
• die Tatsache, dass es keine Möglichkeit gibt, zu verlangsamen, sobald Sie es zu Ihrem Ziel geschafft haben, da es keinen Treibstoff an Bord gibt,
• und selbst wenn Sie es skalieren könnten, um Menschen zu transportieren, wären die Beschleunigungen viel zu groß – was eine große Geschwindigkeitsänderung in kurzer Zeit erforderlich macht —, als dass ein Mensch überleben könnte.

Diese Technologie könnte uns vielleicht eines Tages zu den Sternen bringen, aber ein erfolgreicher Plan, Menschen auf ~ 20% der Lichtgeschwindigkeit zu bringen, ist noch nicht herausgekommen.

von reiner Energie ist eine vollständig reversible Reaktion (rechts), wobei Materie / Antimaterie zurück zu reiner Energie vernichtet wird. Wir wissen, wie man Antimaterie erzeugt und zerstört, indem wir Materie zusammen mit ihr verwenden, um reine Energie in einer nutzbaren Form wie Photonen zurückzugewinnen.

Dmitri Pogosyan / Universität von Alberta

3.) Antimaterie-Brennstoff. Wenn wir Treibstoff mitbringen, können wir ihn genauso gut zum effizientesten Treibstoff machen: Materie-Antimaterie-Vernichtungen. Anstelle von Brennstoffen auf chemischer oder sogar nuklearer Basis, bei denen nur ein Teil der an Bord gebrachten Masse in Energie umgewandelt wird, würde eine Materie-Antimaterie-Vernichtung 100% der Masse von Materie und Antimaterie in Energie umwandeln. Dies ist die ultimative Effizienz für Kraftstoff: die Aussicht, alles in Energie umzuwandeln, die für Schub verwendet werden könnte.

Die Schwierigkeit besteht nur in der Praxis und insbesondere an drei Fronten:

• die Schaffung stabiler, neutraler Antimaterie,
• die Fähigkeit, sie von normaler Materie zu isolieren und präzise zu kontrollieren,
• und sie in so großen Mengen zu produzieren, dass sie für interstellare Reisen nützlich sein könnte.

Spannend genug, die ersten beiden Herausforderungen sind bereits bewältigt.

E. Siegel

Am CERN, der Heimat des Large Hadron Colliders, gibt es einen riesigen Komplex, der als „Antimaterie-Fabrik“ bekannt ist, in dem mindestens sechs separate Teams die verschiedenen Eigenschaften von Antimaterie erforschen. Sie nehmen Antiprotonen und verlangsamen sie, indem sie Positronen zwingen, sich mit ihnen zu binden: Sie erzeugen Antiatome oder neutrale Antimaterie.

Sie begrenzen diese Antiatome in einem Gefäß mit wechselnden elektrischen und magnetischen Feldern, die sie effektiv von den Behälterwänden weghalten, die aus Materie bestehen. Zu diesem Zeitpunkt, Mitte 2020, haben sie mehrere Antiatome erfolgreich isoliert und fast eine Stunde lang gleichzeitig stabil gehalten. Irgendwann in den nächsten Jahren werden sie darin gut genug sein, um zum ersten Mal messen zu können, ob Antimaterie in einem Gravitationsfeld nach oben oder unten fällt.Es ist nicht unbedingt eine kurzfristige Technologie, aber es könnte unser schnellstes Mittel der interstellaren Reise von allen sein: eine Antimaterie-angetriebene Rakete.

Treibstoff, aber wenn eine Dunkle Materie-Engine erstellt wurde, ist immer neuer Treibstoff zu finden, indem man einfach durch die Galaxie reist. Da dunkle Materie (meistens) nicht mit normaler Materie interagiert, sondern direkt durch sie hindurchgeht, hätten Sie keine Schwierigkeiten, sie in einem bestimmten Raumvolumen zu sammeln.

NASA/MSFC

4.) Ein Raumschiff, das von dunkler Materie angetrieben wird. Dieser beruht zugegebenermaßen auf einer Annahme darüber, welches Teilchen für die dunkle Materie verantwortlich ist: dass es sich wie ein Boson verhält und es zu seinem eigenen Antiteilchen macht. Theoretisch hat dunkle Materie, die ihr eigenes Antiteilchen ist, eine kleine, aber ungleiche Chance, mit jedem anderen Teilchen der dunklen Materie, mit dem sie kollidiert, zu vernichten und Energie freizusetzen, die wir möglicherweise in diesem Prozess nutzen könnten.Es gibt einige potenzielle Beweise dafür, da nicht nur die Milchstraße, sondern auch andere Galaxien einen unerklärlichen Überschuss an Gammastrahlen aus ihren galaktischen Zentren haben, wo die Dichte der dunklen Materie am größten sein sollte. Es ist immer möglich, dass es dafür eine weltliche astrophysikalische Erklärung gibt — wie Pulsare —, aber es ist auch möglich, dass dunkle Materie sich in den Zentren von Galaxien mit sich selbst vernichtet, was eine unglaubliche Möglichkeit mit sich bringt: ein mit dunkler Materie betriebenes Raumschiff.

enormer, diffuser Halo aus dunkler Materie, der anzeigt, dass dunkle Materie durch das Sonnensystem fließen muss. Obwohl wir dunkle Materie noch nicht direkt entdeckt haben, könnte ihre reichlich vorhandene Präsenz in unserer Galaxie und darüber hinaus ein perfektes Rezept für den perfekten Raketentreibstoff liefern, den man sich vorstellen kann.

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

Der Vorteil davon ist, dass dunkle Materie buchstäblich überall in der Galaxie ist, was bedeutet, dass wir auf einer Reise dorthin, wohin wir auch gingen, keinen Treibstoff mitnehmen müssten. Stattdessen könnte ein „Reaktor“ für dunkle Materie einfach:

• Nehmen Sie die dunkle Materie, die zufällig in ihr vorbeiging,
• erleichtern Sie entweder ihre Vernichtung oder lassen Sie sie auf natürliche Weise vernichten,
• und leiten Sie den Auspuff um, um Schub in jede gewünschte Richtung zu erzielen,

und wir könnten die Größe und Größe des Reaktors steuern, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.Ohne die Notwendigkeit, Treibstoff an Bord zu transportieren, würden viele der Probleme der antriebsgetriebenen Raumfahrt nicht zu Problemen werden. Stattdessen könnten wir den ultimativen Traum vom Reisen verwirklichen: unbegrenzte konstante Beschleunigung. Aus der Perspektive des Raumschiffs selbst würde dies eine der einfallsreichsten Möglichkeiten von allen eröffnen, die Fähigkeit, jeden Ort im Universum innerhalb eines einzigen menschlichen Lebens zu erreichen.

Ziel, wenn es mit einer konstanten Geschwindigkeit der Erdoberflächengravitation beschleunigt. Beachten Sie, dass Sie bei ausreichender Zeit bei einer Beschleunigung von 1 g jeden Ort im Universum innerhalb eines einzigen menschlichen Lebens erreichen können.

P. Fraundorf bei Wikipedia

Wenn wir uns auf die aktuelle Raketentechnologie beschränken, wird es mindestens Zehntausende von Jahren dauern, bis eine Reise von der Erde zum nächsten Sonnensystem außerhalb unseres eigenen abgeschlossen ist. Aber enorme Fortschritte in den Antriebstechnologien sind in Reichweite und könnten diese Reise auf ein einziges menschliches Leben reduzieren. Wenn wir die Verwendung von Kernbrennstoff, von weltraumgestützten Laserarrays, von Antimaterie oder sogar von dunkler Materie beherrschen, könnten wir unseren Traum verwirklichen, eine weltraumfahrende Zivilisation zu werden, ohne uns auf physikbrechende Technologien wie den Warpantrieb zu berufen.

Es gibt mehrere mögliche Wege, um das, was bereits als wissenschaftlich gültig nachgewiesen wurde, in eine praktikable, praktikable Antriebstechnologie der nächsten Generation umzuwandeln. Bis zum Ende des Jahrhunderts ist es absolut möglich, dass ein Raumschiff, das noch nicht entworfen wurde, New Horizons, die Pioneer- und Voyager-Missionen als die am weitesten entfernten Objekte von der Erde überholen wird. Die Wissenschaft ist schon da. Es liegt an uns, über die Grenzen unserer aktuellen Technologien hinauszuschauen und diesen Traum zu verwirklichen.Holen Sie sich das Beste von Forbes in Ihren Posteingang mit den neuesten Erkenntnissen von Experten auf der ganzen Welt. Folgen Sie mir auf Twitter. Schauen Sie sich meine Website oder einige meiner anderen Arbeiten hier an.