látványos csík lövés vették Hangár AF Cape Canaveral légierő állomás, szilárd rakétaerősítő visszakereső hajó az előtérben. Földi történelmünk során az egyetlen módja annak, hogy valaha is eljuthassunk az űrbe, a kémiai alapú üzemanyagok használata.
NASA
amióta az emberek figyelik az éjszakai égboltot, arról álmodoztunk, hogy meglátogatunk más világokat, és valóban meglátjuk, mi van odakint az univerzumban. Míg kémiai alapú rakétáink számtalan bolygóra, Holdra és más égitestre vittek minket a Naprendszerben, az emberiség által valaha indított legtávolabbi űrhajó — a Voyager 1 — csak 22,3 milliárd kilométerre (13,9 milliárd mérföldre) van a Földtől: a legközelebbi ismert csillagrendszer távolságának mindössze 0,056% – a. A jelenlegi technológiával közel 100 000 évbe telik egy másik csillagrendszerbe utazni.
de nincs szükség arra, hogy korlátozzuk magunkat arra, hogy a dolgokat úgy csináljuk, ahogy most csináljuk. A megfelelő technológiával jelentősen javíthatnánk, hogy mennyire hatékony egy nagy hasznos teher tömege, talán még olyan is, amely embereket szállított a fedélzeten, soha nem látott távolságokra az univerzumban. Különösen négy olyan technológia létezik, amelyek sokkal rövidebb időn belül eljuthatnak a csillagokhoz. Itt van, hogyan.
tesztelés 1967-ben. Ezt a rakétát tömeg/energia átalakítás hajtja, és a híres E=mc^2 egyenlet támasztja alá. Bár ez a koncepció soha nem vezetett sikeres rakétához, ez lehet a csillagközi űrutazás jövője.
ECF (kísérleti motor hideg áramlás) kísérleti nukleáris rakéta motor, NASA, 1967
1.) A nukleáris lehetőség. Az emberiség történelmének ezen a pontján minden rakétában, amit valaha az űrbe dobtunk, van egy közös vonás: kémiai alapú üzemanyag hajtotta. Igen, a rakétaüzemanyag a kémiai üzemanyagok speciális keveréke, amelynek célja a tolóerő maximalizálása, de a “kémiai üzemanyag” rész nagyon fontos: kijelenti, hogy az azt működtető reakciók a különböző atomok közötti kötések átrendeződésén alapulnak az energia biztosítása érdekében.
Ez alapvetően korlátozó! Egy atom esetében tömegének túlnyomó többsége az atommagban van: 99,95%. Amikor kémiai reakcióba lépünk, az atomok körül keringő elektronok átrendeződnek, jellemzően az energia formájában részt vevő atomok teljes tömegének körülbelül 0,0001% – át szabadítják fel Einstein híres egyenletén keresztül: E = mc2. Ez azt jelenti, hogy minden 1 kilogramm üzemanyagért, amellyel feltölti a rakétáját, csak az energia megfelelőjét kapja meg valahol a ballparkban 1 milligramm tömeg ki a reakcióból.
a létesítmény az első lépés a lézersugarak energiájának növelésében, amikor a célkamra felé haladnak. A NIF nemrégiben 500 terawattos lövést ért el – 1000-szer több energiát, mint amennyit az Egyesült Államok bármikor felhasználhat. A magfúzió ezerszer hatékonyabb, mint bármely kémiai alapú reakció.
Damien Jemison/LLNL
de ha nukleáris üzemanyaggal mentél, ez a történet drámaian megváltozik. Ahelyett, hogy az elektronok konfigurációjának és az atomok egymáshoz kötésének megváltoztatására támaszkodnánk, viszonylag hatalmas mennyiségű energiát szabadíthatnánk fel azáltal, hogy megváltoztatnánk az atommagok egymáshoz való kötődését. Ha egy Uránatomot neutronnal bombázunk, óriási mennyiségű energiát bocsát ki bármely kémiai alapú reakcióhoz képest: 1 kilogramm U-235 üzemanyag 911 milligramm tömegnek megfelelő energiaegyenértéket képes felszabadítani, ami ~1000-szer hatékonyabb, mint a kémiai alapú üzemanyagok.
Ha ehelyett magfúziót kellene elsajátítanunk, például egy inerciális-zárt fúziós rendszerrel, amely képes a hidrogént héliummá olvasztani — ugyanaz a láncreakció, amely a napban zajlik—, még hatékonyabbá válhatnánk. 1 kilogramm hidrogén üzemanyag héliummá olvasztása 7,5 gramm tömeget tiszta energiává változtatna, így közel 10 000-szer olyan hatékony lenne, mint a kémiai alapú üzemanyagok.
a kulcs az, hogy sokkal hosszabb ideig képesek lennénk elérni ugyanazt a gyorsulást egy rakéta számára: több száz vagy akár több ezer alkalommal olyan hosszú, amely lehetővé teszi számunkra, hogy százszor vagy ezerszer nagyobb sebességet érjünk el, mint a hagyományos rakéták. Ez a csillagközi utazási időt pusztán évszázadokra, vagy akár évtizedekre is csökkentheti. Ez egy ígéretes út, amely elérhető lehet, attól függően, hogy a technológia hogyan fejlődik, mielőtt elérnénk a 2100-as évet.
lézeres tömb, amely egy viszonylag nagy területű, kis tömegű űrhajót üt meg és gyorsít fel. Ez képes felgyorsítani az élettelen tárgyakat a fénysebességhez közeledő sebességre, lehetővé téve a csillagközi utazást egyetlen emberi életen belül.
2016 UCSB kísérleti kozmológiai csoport
2.) Űralapú lézer tömb. Ez volt a “Breakthrough Starshot” koncepció fő gondolata, amely néhány évvel ezelőtt ismertté vált, és továbbra is izgalmas koncepció. Míg a hagyományos űrhajók arra támaszkodnak, hogy saját üzemanyagukat a fedélzetre hozzák és öngyorsításra fordítják, a legfontosabb ötlet itt az, hogy egy nagy, nagy teljesítményű lézer tömb biztosítja a szükséges tolóerőt egy külső űrhajóhoz. Más szavakkal, a tolóerő forrása elkülönülne magától az űrhajótól.
Ez egy lenyűgöző koncepció, és sok szempontból forradalmi. A lézertechnológia sikeresen nem csak erősebbé, hanem kollimáltabbá is válik, ami azt jelenti, hogy ha olyan vitorlaszerű anyagot tudunk megtervezni, amely elég nagy százalékban képes visszaverni a lézerfényt, akkor ezt a lézerrobbanást felhasználhatjuk arra, hogy egy űrhajót hatalmas sebességre gyorsítsunk fel a tömb forrásától távol. Egy ~1 gramm tömegű “keményítőcsip” valószínűleg elérheti a fénysebesség ~20%-át, ami lehetővé tenné, hogy mindössze 22 év alatt megérkezzen a Proxima Centauri-hoz, a legközelebbi csillagunkhoz.
A starship képes felgyorsítani egy űrhajót a fénysebesség 20% – ára, és elérni egy másik csillagot egy emberi életen belül. Lehetséges, hogy elegendő energiával akár egy legénységet szállító űrhajót is küldhetünk a csillagközi távolságokra.
áttörés Starshot
persze, meg kell építeni egy hatalmas lézer tömb: kb. 100 négyzetkilométernyi lézert, amit az űrben kellene csinálnunk, de ez költségprobléma, nem tudomány vagy technológia. De vannak olyan technológiai problémák, amelyeket le kell küzdeni ahhoz, hogy ez működjön, beleértve:
- egy nem támogatott vitorla elkezd forogni, és valamilyen (fejletlen) stabilizáló mechanizmust igényel,
- az a tény, hogy nem lehet lassítani, ha eljutunk az úticélig, mivel nincs fedélzeti üzemanyag,
- és még ha fel is tudjuk méretezni, hogy embereket szállítsunk, a gyorsulások túl nagyok lennének-ami rövid idő alatt nagy sebességváltozást tesz szükségessé — ahhoz, hogy egy ember túlélje.
Ez a technológia talán egy nap eljuttathat minket a csillagokhoz, de egy sikeres terv, hogy az embereket a fénysebesség ~20% – áig vegye fel, még nem jött ki.
a tiszta energiából egy teljesen reverzibilis reakció (jobbra), az anyag/antianyag megsemmisül a tiszta energiává. Tudjuk, hogyan kell létrehozni és elpusztítani az antianyagot, az anyagot vele együtt felhasználva tiszta energiát visszanyerni használható formában, például fotonokban.
Dmitri Pogosyan / Alberta Egyetem
3.) Antianyag üzemanyag. Ha üzemanyagot akarunk magunkkal vinni, akkor a lehető leghatékonyabb üzemanyaggá tehetjük: anyag-antianyag megsemmisítés. A kémiai vagy akár nukleáris alapú üzemanyagok helyett, ahol a fedélzetre hozott tömegnek csak egy része alakul át energiává, az anyag-antianyag megsemmisítés mind az anyag, mind az antianyag tömegének 100% – át energiává alakítja. Ez a végső hatékonyság az üzemanyag számára: annak a lehetősége, hogy mindezt energiává alakítsuk, amelyet fel lehet használni a tolóerőre.
a nehézség csak a gyakorlatban jelentkezik, és különösen három fronton:
- stabil, semleges antianyag létrehozása,
- az a képesség, hogy elkülönítsük a normál anyagtól és pontosan irányítsuk,
- és elég nagy mennyiségben állítsuk elő, hogy hasznos legyen a csillagközi utazáshoz.
elég izgalmasan, az első két kihívás már leküzdésre kerül.
a töltött antianyag részecskék összeállnak, és pozitív ionokat, semleges atomokat vagy negatív ionokat képezhetnek, az antiprotonnal kötődő pozitronok számától függően. Ha sikerül elfogni és tárolni az antianyagot, az 100% – ban hatékony üzemanyagforrást jelentene, de sok tonna antianyagra lenne szükség, szemben az általunk létrehozott gramm apró töredékeivel, egy csillagközi utazáshoz.
E. Siegel
a CERN-ben, a Nagy Hadronütköztető otthonában van egy hatalmas komplexum, az úgynevezett” antianyaggyár”, ahol legalább hat különálló csapat kutatja az antianyag különböző tulajdonságait. Antiprotonokat vesznek és lelassítják őket, arra kényszerítve a pozitronokat, hogy kötődjenek hozzájuk: antiatomokat vagy semleges antianyagot hoznak létre.
ezeket az anti-atomokat egy váltakozó elektromos és mágneses mezővel rendelkező edénybe korlátozzák, amelyek hatékonyan rögzítik őket a helyükön, távol az anyagból készült tartályfalaktól. Ebben a pillanatban, 2020 közepén sikeresen izoláltak és stabilan tartottak több antiatomot közel egy órán keresztül ugyanabban az időben. Néhány éven belül elég jók lesznek ahhoz, hogy első alkalommal meg tudják mérni, hogy az antianyag a gravitációs mezőben felfelé vagy lefelé esik-e.
ez nem feltétlenül rövid távú technológia, de a csillagközi utazás leggyorsabb eszköze lehet: antianyag-meghajtású rakéta.
üzemanyag, de ha egy sötét anyag motort hoztak létre, akkor mindig új üzemanyagot kell találni egyszerűen a galaxisban való utazással. Mivel a sötét anyag nem lép kölcsönhatásba a normál anyaggal (többnyire), hanem közvetlenül áthalad rajta, nem lenne nehéz összegyűjteni egy adott térfogatú térben; mindig ott lenne, amikor áthaladsz a galaxison.
NASA/MSFC
4.) Sötét anyag által hajtott űrhajó. Ez kétségkívül azon a feltételezésen alapul, hogy bármilyen részecske felelős a sötét anyagért: hogy bozonként viselkedik, így saját antirészecskéjévé válik. Elméletileg a sötét anyagnak, amely a saját antirészecskéje, kicsi, de nem nulla esélye lesz megsemmisülni bármely más sötét anyag részecskével, amellyel ütközik, felszabadítva az energiát, amelyet potenciálisan kihasználhatunk a folyamat során.
van néhány lehetséges bizonyíték erre, mivel nemcsak a Tejútrendszerben, hanem más galaxisokban is megfigyelték, hogy megmagyarázhatatlan mennyiségű gamma-sugárzás érkezik a Galaktikus központjaikból, ahol a sötét anyag sűrűségének a legnagyobbnak kell lennie. Mindig lehetséges, hogy van egy hétköznapi asztrofizikai magyarázat erre — mint például a pulzárok—, de az is lehetséges, hogy a sötét anyag megsemmisül önmagával a galaxisok központjában, hihetetlen lehetőséget hozva fel: egy sötét anyag által táplált űrhajó.
hatalmas, diffúz sötét anyag Glória, jelezve, hogy sötét anyagnak kell áramolnia a Naprendszeren. Bár még nem észleltük közvetlenül a sötét anyagot, bőséges jelenléte galaxisunkban és azon túl tökéletes receptet adhat az elképzelhető tökéletes rakétaüzemanyaghoz.
Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
ennek az az előnye, hogy a sötét anyag szó szerint mindenütt jelen van a galaxisban, ami azt jelenti, hogy nem kell üzemanyagot vinnünk magunkkal egy útra, bárhová is mentünk. Ehelyett egy sötét anyag “reaktor” egyszerűen:
- vegyük azt a sötét anyagot, ami történt, hogy áthaladjon benne,
- vagy megkönnyítse a megsemmisítését, vagy hagyja, hogy természetes módon megsemmisüljön,
- és irányítsa át a kipufogógázt, hogy elérje a tolóerőt a kívánt irányba,
és szabályozhatjuk a reaktor méretét és nagyságát a kívánt eredmények elérése érdekében.
anélkül, hogy üzemanyagot kellene szállítani a fedélzeten, a meghajtás által vezérelt űrutazás számos problémája nem lenne kérdés. Ehelyett képesek lennénk elérni az utazás végső álmát: korlátlan állandó gyorsulást. Maga az űrhajó szempontjából ez megnyitná az egyik legötletesebb lehetőséget, azt a képességet, hogy egyetlen emberi életen belül elérje az univerzum bármely helyét.
rendeltetési hely, ha a Föld felszíni gravitációjának állandó sebességével gyorsul. Vegye figyelembe, hogy ha elegendő idő áll rendelkezésre 1 g gyorsulással, egyetlen emberi életen belül elérheti az univerzum bármely helyét.
P. Fraundorf a Wikipédián
Ha a jelenlegi rakétatechnológiára korlátozódunk, akkor legalább több tízezer évbe fog telni egy utazás a földről a legközelebbi naprendszerre a sajátunkon túl. De a hajtástechnológia hatalmas fejlődése elérhető közelségben van, és ezt az utat egyetlen emberi életen belül csökkentheti. Ha el tudjuk sajátítani a nukleáris üzemanyag, az űrborne lézer tömbök, az antianyag vagy akár a sötét anyag használatát, akkor megvalósíthatjuk álmunkat, hogy űrutazó civilizációvá váljunk anélkül, hogy olyan fizikát megszakító technológiákat alkalmaznánk, mint a warp drive.
számos lehetőség van arra, hogy a már tudományosan igazoltakat megvalósítható, életképes, következő generációs meghajtási technológiává alakítsuk. A század végére teljesen lehetséges, hogy egy még meg nem tervezett űrhajó a New Horizons, a Pioneer és a Voyager küldetéseket a föld legtávolabbi objektumaként fogja megelőzni. A tudomány már ott van. Rajtunk múlik, hogy túllépjünk jelenlegi technológiáink korlátain, és megvalósítsuk ezt az álmot.
Kövess engem a Twitteren. Nézze meg a honlapomat vagy néhány más munkámat itt.