spectacular streak shot on otettu Hangar AF: stä Cape Canaveralin ilmavoimien asemalta, etualalla kiinteä rakettien booster-noutoalus. Koko maan historian ajan olemme päässeet avaruuteen vain käyttämällä kemiallisiin polttoaineisiin perustuvia polttoaineita.
NASA
niin kauan kuin ihmiset ovat katselleet yötaivasta, olemme haaveilleet vierailevamme muissa maailmoissa ja todella näkevämme, mitä maailmankaikkeudessa on. Kemiallisesti toimivat rakettimme ovat vieneet meidät lukemattomille aurinkokunnan planeetoille, kuille ja muille kappaleille, mutta kaukaisin ihmiskunnan koskaan laukaisema avaruusalus — Voyager 1 — on vain 22,3 miljardin kilometrin päässä Maasta: vain 0,056 prosenttia lähimmän tunnetun tähtijärjestelmän etäisyydestä. Nykyteknologialla matka toiseen tähtijärjestelmään kestäisi lähes 100 000 vuotta.
mutta ei tarvitse tyytyä tekemään asioita niin kuin nyt tehdään. Oikealla teknologialla voisimme parantaa sitä, miten tehokasta on saada suuren hyötykuorman massa, ehkä jopa sellainen, joka kuljetti ihmisiä aluksessa, ennennäkemättömille etäisyyksille universumin halki. Erityisesti on olemassa neljä teknologiaa, jotka voivat viedä meidät tähtiin paljon lyhyemmillä aikatauluilla. Näin.
testaus vuonna 1967. Tämän raketin voimanlähteenä on massan ja energian muuntaminen, ja sitä tukee kuuluisa yhtälö E=mc^2. Vaikka tämä konsepti ei ole koskaan johtanut onnistuneeseen rakettiin, se voi olla tähtienvälisen avaruusmatkailun tulevaisuus.
ECF (Experimental Engine Cold Flow) experimental nuclear rocket engine, NASA, 1967
1.) Ydinasevaihtoehto. Ihmiskunnan historian tässä vaiheessa jokaisella avaruuteen laukaisemallamme Raketilla on yksi yhteinen piirre: sitä on liikuttanut kemikaalipohjainen polttoaine. Kyllä, rakettipolttoaine on erityinen kemiallisten polttoaineiden sekoitus, joka on suunniteltu maksimoimaan työntövoima, mutta ”kemiallinen polttoaine” – osa on hyvin tärkeä: siinä sanotaan, että siihen vaikuttavat reaktiot riippuvat eri atomien välisten sidosten uudelleenjärjestelystä energian tuottamiseksi.
Tämä on pohjimmiltaan rajoittavaa! Atomin massasta ylivoimainen enemmistö on atomin ytimessä: 99,95%. Kemiallisessa reaktiossa atomeja kiertävät elektronit järjestyvät uudelleen, ja tyypillisesti ne vapauttavat noin 0,0001% atomien kokonaismassasta energian muodossa, Einsteinin kuuluisan yhtälön avulla: E = mc2. Se tarkoittaa, että jokaista 1 kilogrammaa polttoainetta kohti, jolla rakettisi Ladataan, saat reaktiosta vain energiaa, joka vastaa noin 1 milligramman massaa.
laitos on ensimmäinen askel lasersäteiden energian lisäämisessä niiden edetessä kohti kohdekammiota. NIF saavutti hiljattain 500 terawatin laukauksen – 1000 kertaa enemmän tehoa kuin Yhdysvallat käyttää milloinkaan hetkenä minä hyvänsä. Ydinfuusio on tuhansia kertoja tehokkaampi kuin mikään kemiallinen reaktio.
Damien Jemison/LLNL
mutta jos mennään ydinpolttoaineella, tarina muuttuu dramaattisesti. Sen sijaan että luottaisit siihen, että muuttaisit sitä, miten elektronit muodostuvat ja miten atomit ovat sitoutuneet toisiinsa, voisit vapauttaa verrattain valtavia määriä energiaa muuttamalla sitä, miten atomiytimet itse ovat sitoutuneet toisiinsa. Kun halkaisee uraaniatomin pommittamalla sitä neutronilla, se säteilee valtavasti energiaa verrattuna mihin tahansa kemiallisiin reaktioihin: 1 kilogramma U-235-polttoainetta voi vapauttaa energiaa, joka vastaa 911 milligrammaa massaa, mikä on ~1000 kertaa tehokkaampi kuin kemiallisiin polttoaineisiin perustuvat.
Jos hallitsisimme sen sijaan ydinfuusion, kuten inertiaalikontinenssifuusiojärjestelmän, joka kykenisi fuusioimaan vedyn heliumiksi-saman ketjureaktion, joka tapahtuu auringossa — meistä voisi tulla vieläkin tehokkaampia. Yhden kilon vetypolttoaineen sulauttaminen heliumiksi muuttaisi 7,5 grammaa massaa puhtaaksi energiaksi, jolloin se olisi lähes 10 000 kertaa tehokkaampi kuin kemiallisiin polttoaineisiin perustuvat polttoaineet.
olennaista on, että pystyisimme saavuttamaan samat kiihdytykset raketille paljon pidempiäkin aikoja: satoja tai jopa tuhansia kertoja niin pitkiä, että pystymme saavuttamaan satoja tai tuhansia kertoja suurempia nopeuksia kuin tavanomaisilla raketeilla nykyään saavutetaan. Se voisi lyhentää tähtienvälisen matka-ajan vain vuosisatoihin tai ehkä jopa vuosikymmeniin. Se on lupaava tie, joka saattaa olla saavutettavissa, riippuen siitä, miten tekniikka kehittyy, ennen kuin osumme vuoteen 2100.
laserryhmä iskee ja kiihdyttää suhteellisen suuren alueen pienimassaista avaruusalusta. Tällä on mahdollisuus kiihdyttää ei-eläviä kappaleita valonnopeutta lähestyviin nopeuksiin, jolloin tähtienvälinen matka on mahdollinen yhden ihmisen eliniän aikana.
© 2016 UCSB Experimental Cosmology Group
2.) Avaruuslaseriryhmä. Tämä oli pääidea ”Breakthrough Starshot” käsite, joka sai mainetta muutama vuosi sitten, ja se on edelleen jännittävä käsite. Siinä missä tavalliset avaruusalukset turvautuvat Oman polttoaineensa tuomiseen alukselle ja sen kuluttamiseen itsensä kiihdyttämiseen, tässä on keskeisenä ajatuksena se, että suuri, suuritehoinen Laserjärjestelmä antaisi tarvittavan työntövoiman ulkoiselle avaruusalukselle. Toisin sanoen työntövoiman lähde olisi erillinen itse avaruusaluksesta.
Tämä on kiehtova ja monella tapaa mullistava käsite. Laserteknologia on kehittymässä tehokkaammaksi, – mutta myös erittäin kollimoiduksi, – mikä tarkoittaa, että jos voimme luoda purjeen kaltaisen materiaalin, – joka heijastaa riittävän suuren osan laservalosta, – voisimme käyttää tuota laserpurkausta kiihdyttämään avaruusaluksen valtaviin nopeuksiin poispäin alustamme lähteestä. ~1 gramman massainen ”tähtisiru” voisi mahdollisesti saavuttaa ~20% valonnopeudesta, mikä mahdollistaisi sen saapumisen lähimmälle tähdellemme Proxima Centaurille vain 22 vuodessa.
starshipilla on mahdollisuus kiihdyttää avaruusalus noin 20% valonnopeuteen ja saavuttaa toinen tähti ihmisen elinaikana. On mahdollista, että tarpeeksi suurella teholla voisimme lähettää jopa miehistöä kuljettavan avaruusaluksen kiertämään tähtienväliset etäisyydet.
Breakthrough Starshot
Sure, we ’ d have to build a huikea laser array: noin 100 neliökilometrin edestä lasereita, ja se pitäisi tehdä avaruudessa, mutta se on kustannusongelma, ei tiede tai teknologia. On kuitenkin teknisiä ongelmia, jotka on voitettava, jotta tämä toimisi, mukaan lukien:
- tukematon purje alkaa pyöriä ja vaatii jonkinlaisen (kehittymättömän) stabilointimekanismin,
- se, että ei ole mitään keinoa hidastaa, kun pääsee määränpäähän, koska aluksella ei ole polttoainetta,
- ja vaikka sitä voisi skaalata jopa ihmisten kuljettamiseen, kiihdytykset olisivat aivan liian suuria-edellyttäisivät suurta nopeuden muutosta lyhyessä ajassa — ihmisen selviytymiseen.
tämä teknologia voisi ehkä jonain päivänä viedä meidät tähtiin, mutta onnistunut suunnitelma viedä ihmiset jopa ~20% valonnopeuteen ei ole vielä tullut julki.
puhtaasta energiasta on täysin reversiibeli reaktio (oikea), jossa aine / antiaine annihiloituu takaisin puhtaaksi energiaksi. Osaamme luoda ja tuhota antimateriaa. käytämme ainetta sen mukana palauttaaksemme puhtaan energian käyttökelpoiseen muotoon, kuten fotoneihin.
Dmitri Pogosyan/Albertan yliopisto
3.) Antimateriapolttoainetta. Jos aiomme tuoda polttoainetta mukanamme, voimme yhtä hyvin tehdä siitä tehokkainta mahdollista polttoainetta: Materia-antimateriatuhoja. Sen sijaan, että kemikaalipohjaiset tai jopa ydinpohjaiset polttoaineet, joissa vain osa alukselle tuodusta massasta muunnetaan energiaksi, Materia-antiaine-annihilaatio muuttaisi 100% sekä Materian että antiaineen massasta energiaksi. Tämä on äärimmäinen hyötysuhde polttoaineelle: mahdollisuus muuttaa kaikki se energiaksi, jota voitaisiin käyttää työntövoimana.
vaikeus tulee vain käytännössä ja erityisesti kolmella rintamalla:
- vakaan, neutraalin antiaineen luominen,
- kyky eristää se normaalista aineesta ja tarkasti hallita sitä,
- ja tuottaa sitä niin suuria määriä, että siitä voisi olla hyötyä tähtienvälisessä matkailussa.
jännää riittää, kaksi ensimmäistä haastetta on jo voitettu.
varautuneet antimateriahiukkaset kerääntyvät yhteen ja voivat muodostaa joko positiivisia ioneja, neutraaleja atomeja tai negatiivisia ioneja riippuen antiprotoniin sitoutuvien positronien määrästä. Jos onnistumme nappaamaan ja varastoimaan antiainetta, – se on 100% tehokas polttoainelähde, – mutta monta tonnia antiainetta, – toisin kuin luomamme gramman pienet osat, – tarvittaisiin tähtienväliseen matkaan.
E. Siegel
Cernissä, Large Hadron Colliderin kotikaupungissa, on valtava kompleksi, joka tunnetaan nimellä ”antimateriatehdas”, jossa ainakin kuusi erillistä ryhmää tutkii antimateriaalin eri ominaisuuksia. Ne ottavat antiprotoneja ja hidastavat niitä, pakottaen positronit sitoutumaan niihin: syntyy antiatomeja eli neutraalia antiainetta.
ne sitovat nämä anti-atomit astiaan, jossa on vaihtuvat sähkö-ja magneettikentät, jotka tehokkaasti kiinnittävät ne paikoilleen, pois aineesta koostuvien kontin seinämistä. Tässä vaiheessa, vuoden 2020 puolivälissä, he ovat onnistuneesti eristäneet ja pitäneet vakaina useita anti-atomeja lähes tunnin samaan aikaan. Jossain vaiheessa lähivuosina, he ovat tarpeeksi hyviä tässä, että he pystyvät mittaamaan, ensimmäistä kertaa, putoaako antiaine ylös vai alas gravitaatiokentässä.
se ei välttämättä ole lähiteknologiaa, mutta se voi päätyä kaikkein nopeimmaksi keinoksi tähtienväliseen matkustamiseen: antimateria-ohjattavaksi raketiksi.
polttoaine, mutta jos pimeän aineen Moottori luotiin, uusi polttoaine on aina löydettävissä yksinkertaisesti kiertämällä galaksin läpi. Koska pimeä aine ei ole vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa (enimmäkseen), vaan kulkee sen läpi, sinulla ei olisi mitään vaikeuksia kerätä sitä tiettyyn avaruuden tilavuuteen; se olisi aina siellä liikkuessasi galaksin läpi.
NASA/MSFC
4.) Pimeän aineen voimanlähteenä toimiva avaruusalus. Tämä tosin perustuu olettamukseen siitä, mikä hiukkanen on vastuussa pimeästä aineesta: että se käyttäytyy bosonin tavoin ja tekee siitä Oman antipartikkelinsa. Teoriassa pimeällä aineella, joka on sen oma antihiukkanen, on pieni mutta ei-nolla mahdollisuus tuhota minkä tahansa muun pimeän aineen hiukkasen kanssa, johon se törmää, vapauttaen energiaa, jota voisimme mahdollisesti hyödyntää prosessissa.
tästä on joitakin mahdollisia todisteita, sillä Linnunradan lisäksi myös muissa galakseissa on havaittu selittämätöntä gammasäteilyn ylimäärää, joka tulee niiden galaktisista keskuksista, joissa pimeän aineen tiheyden pitäisi olla suurin. On aina mahdollista, että tälle on arkinen astrofyysinen selitys — kuten pulsarit — mutta on myös mahdollista, että pimeä aine tuhoutuu itsensä kanssa galaksien keskuksissa, tuoden esiin uskomattoman mahdollisuuden: pimeää ainetta ruokkivan avaruusaluksen.
valtava, diffuusi pimeän aineen halo, mikä viittaa siihen, että aurinkokunnan läpi täytyy virrata pimeää ainetta. Vaikka emme ole vielä havainneet pimeää ainetta suoraan, sen runsas läsnäolo galaksissamme ja sen ulkopuolella saattaa tarjota täydellisen reseptin täydelliselle kuviteltavissa olevalle rakettipolttoaineelle.
Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
tämän etuna on se, että pimeää ainetta on kirjaimellisesti kaikkialla galaksissa, eli meidän ei tarvitsisi ottaa polttoainetta mukaan matkalle minne tahansa menimmekin. Sen sijaan pimeän aineen ”reaktori” voisi yksinkertaisesti:
- ota mitä tahansa pimeää ainetta, joka sattui kulkemaan sen sisällä,
- joko helpottaa sen annihilaatiota tai antaa sen annihiloitua luonnollisesti,
- ja ohjaa pakokaasua työntövoiman saamiseksi haluamaamme suuntaan,
ja voimme kontrolloida reaktorin kokoa ja suuruutta halutun tuloksen saavuttamiseksi.
ilman tarvetta kuljettaa polttoainetta aluksella, monet työntövoimakäyttöisen avaruusmatkailun ongelmat muuttuisivat ongelmattomiksi. Sen sijaan pääsisimme matkustamisen perimmäiseen unelmaan: rajattomaan jatkuvaan kiihdytykseen. Itse avaruusaluksen näkökulmasta tämä avaisi yhden kaikkein mielikuvituksellisimmista mahdollisuuksista, kyvyn päästä mihin tahansa paikkaan maailmankaikkeudessa yhden ihmisen eliniän aikana.
määränpää, jos se kiihtyy maan pintagravitaation vakionopeudella. Huomaa, että kun kiihdytyksessä on tarpeeksi aikaa 1 g, voi päästä mihin tahansa paikkaan maailmankaikkeudessa yhden ihmisen eliniän aikana.
P. Fraundorf Wikipediassa
Jos rajoitumme nykyiseen rakettiteknologiaan, kestää — vähintäänkin — kymmeniä tuhansia vuosia tehdä matka maasta lähimpään aurinkokuntaan oman aurinkokuntamme ulkopuolelle. Mutta valtavat edistysaskeleet propulsiotekniikassa ovat saavutettavissa, ja ne voivat lyhentää matkan yhden ihmisen eliniän mittaiseksi. Jos hallitsemme ydinpolttoaineen, avaruuslaserrakettien, antimaterian tai jopa pimeän aineen käytön, voisimme toteuttaa unelmamme tulla avaruutta laajentavaksi sivilisaatioksi turvautumatta fysiikan rikkoviin teknologioihin, kuten poimuajoon.
on olemassa useita mahdollisia keinoja muuttaa se, mikä on jo osoitettu tieteellisesti päteväksi, toteuttamiskelpoiseksi seuraavan sukupolven propulsiotekniikaksi. Vuosisadan loppuun mennessä on täysin mahdollista, että avaruusalus, jota ei ole vielä suunniteltu, ohittaa New Horizonsin, Pioneerin ja Voyagerin tehtävät Kaukaisimpina kohteina maasta. Tiede on jo olemassa. Meidän tehtävämme on katsoa nykyisten teknologioidemme rajojen yli ja toteuttaa tämä unelma.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu sivustooni tai joihinkin muihin töihini täällä.