既知の物理学だけを使って星間旅行を達成できますか？

NASAのカッシーニミッションを運ぶロケットの打ち上げ,October15,1997.'s Cassini mission, on October 15, 1997.

人間が夜空を見てきた限り、私たちは他の世界を訪れ、宇宙の中にあるものを本当に見ることを夢見てきました。私たちの化学ベースのロケットは、太陽系内の惑星、月、および他の体の無数に私たちを取っているが、これまで人類によって打ち上げられた最も遠い宇宙船-ボイジャー1—は、地球からわずか22.3億キロメートル（13.9億マイル）です。現在の技術では、別の星系に移動するのに100,000年近くかかります。しかし、私たちが今やっているように物事を行うことに自分自身を制限する必要はありません。

しかし、私たちが今やっているように物事を適切な技術により、宇宙全体の前例のない距離まで、おそらく人間を乗せた大きなペイロードの質量を得ることがいかに効率的であるかを大幅に改善することができました。特に、はるかに短いタイムスケールで星に私たちを取る可能性を秘めている四つの技術があります。ここではどのようにです。

1.）核オプション。人類の歴史のこの時点で、私たちが今まで宇宙に打ち上げたすべてのロケットには共通点があります：それは化学燃料によって推進されています。はい、ロケット燃料は推力を最大化するように設計された化学燃料の特別な混合物ですが、”化学燃料”の部分は非常に重要です：それに動力を与える反応これは根本的に制限されています！

原子の場合、その質量の圧倒的多数は原子の核にあります：99.95％。あなたが化学反応に従事しているとき、原子を周回する電子は、通常、アインシュタインの有名な方程式：e=mc2を介して、エネルギーの形で関与する原子の全質量の約0.0001％のどこかに放出し、再配置されます。つまり、あなたのロケットをロードする燃料のすべての1キロのために、あなただけの反応から質量の1ミリグラムの球場のどこかに相当するエネル

しかし、あなたは核燃料を使って行った場合、その話電子がどのように構成され、どのように原子が結合しているかを変えることに頼るのではなく、原子核自体がどのように結合しているかを変えるウラン原子を中性子で衝突させることによって分裂させると、化学反応に比べて膨大な量のエネルギーを放出します。1キログラムのU-235燃料は、911ミリグラムの質量に相当するエネルギーを放出することができます。これは化学燃料よりも1000倍効率的です。

太陽の下で起こるのと同じ連鎖反応である水素をヘリウムに融合させることができる慣性閉じ込め核融合システムのように、代わりに核融合をマスターした場合、私たちはさらに効率的になる可能性があります。 1キログラムの水素燃料をヘリウムに融合させると、7.5グラムの質量が純粋なエネルギーに変わり、化学燃料の約10,000倍の効率が得られます。重要なのは、はるかに長い期間、ロケットで同じ加速を達成できるということです。

: 数百または数千倍の長さ、従来のロケットが今日達成するよりも数百または数千倍の速度に到達することを可能にします。それは星間移動時間を単なる数世紀またはおそらく数十年に短縮することができます。それは我々が2100年を打つ前に、技術がどのように発展するかに応じて、達成可能であるかもしれない有望な道です。

ディープレーザーセイルの概念は、宇宙船を加速するために宇宙ベースのレーザーアレイを使用することができます。

2.）空間ベースのレーザーアレイ。これは数年前に悪評を得た”進歩のStarshot”の概念の後ろの主要な考えであり、刺激的な概念に残る。従来の宇宙船は、自分の燃料を搭載して自己加速するためにそれを消費することに依存していますが、ここで重要なアイデアは、大規模で高出力のレーザーアレイが外部の宇宙船に必要な推力を提供するということです。言い換えれば、推力の源は宇宙船自体から分離されるであろう。これは魅力的な概念であり、多くの点で革命的なものです。レーザー技術は、より強力であるだけでなく、より高度にコリメートされているだけでなく、そのレーザー光の十分な割合を反映することができる帆のような材料を設計することができれば、そのレーザーブラストを使用して、アレイのソースから驚異的な速度まで宇宙船を加速することができます。 1グラム質量の”starchip”は、光速が約20％に達する可能性があり、わずか22年でプロキシマ-ケンタウリ、私たちの最も近い星に到着することができます。

スターチップスタイルの宇宙船のためのレーザーセイルの概念は、私たちを星間に連れて行くことができます。

確かに、我々は途方もないレーザーアレイを構築する必要があると思います: 約100平方キロメートルのレーザーを宇宙で行う必要がありますが、それはコストの問題であり、科学や技術ではありません。しかし、これが機能するために克服する必要がある技術的な問題があります。:

サポートされていない帆が回転し始め、何らかの（未開発の）安定化メカニズムが必要です。
あなたが目的地に着いたら減速する方法がないという事実、オンボードの燃料がないので、
そしてあなたが人間を輸送するためにそれをスケールアップすることができたとしても、加速度はあまりにも大きくなります-短時間で大きな速度変化を必要とします—人間が生き残るためには。

この技術は、おそらくいつか私たちを星に連れて行くことができますが、光の速度を-20％まで人間を連れて行く成功した計画はまだ出ていません。

物質と反物質は、自発的に生成または等量で破壊することができます。純粋なエネルギーからの

3.）反物質燃料。私たちが燃料を持って来るならば、それを可能な限り最も効率的な燃料にするかもしれません：物質-反物質の消滅。むしろ、ボード上にもたらされた質量の一部のみがエネルギーに変換されます化学ベース、あるいは核ベースの燃料よりも、物質-反物質の消滅は、エネルギーに物質と反物質の両方の質量の100％を変換することになります。これは燃料のための効率の最終的である: 推力のために使用することができるエネルギーにそれのすべてを変換する見通し。

難易度は実際にのみ来て、特に、三つの面で：

安定した、中性反物質の作成、
通常の物質から離れてそれを分離し、正確にそれを制御する能力、
そして、それが星間旅行のために有用である可能性が十分に大きい量でそれを生成する。興奮して十分に、最初の2つの課題はすでに克服されています。

荷電反物質粒子が一緒になっており、反陽子と結合する陽電子の数に応じて、正イオン、中性原子、または負イオンのいずれかを形成することがでもし我々が反物質を捕獲して貯蔵することができれば、それは100％効率的な燃料源を表すだろうが、我々が作成したグラムの小さな画分とは対照的に、多くのトンの反物質は、星間の旅に必要とされるだろう。

E. Siegel

大型ハドロン衝突型加速器の本拠地であるCERNには、少なくとも六つの別々のチームが反物質の様々な特性を研究している”反物質工場”と呼ばれる巨大な複合体があります。彼らは反陽子を取り、それらを遅くし、陽電子をそれらと結合させます：反原子、または中性反物質を作ります。

それらは、これらの反原子を交互の電場と磁場で容器内に閉じ込め、物質でできた容器の壁から効果的に固定します。この時点で、2020年半ば、彼らは首尾よく単離し、同時にほぼ1時間安定した複数の反原子を維持しました。今後数年以内のある時点で、彼らは反物質が重力場で上下に落ちるかどうかを初めて測定することができるほど十分に良いでしょう。それは必ずしも短期的な技術ではありませんが、それはすべての星間旅行の私たちの最速の手段であることを巻くことができます：反物質駆動ロケッ

NASA/MSFC

4.）は、暗黒物質を動力とする宇宙船である。これは、確かに、どのような粒子が暗黒物質の原因であるかについての仮定に依存しています：それはボソンとして振る舞い、それ自身の反粒子にな理論的には、それ自身の反粒子であるダークマターは、それが衝突する他のダークマター粒子と消滅する可能性は小さいがゼロではない可能性があり、その過程で潜在的に活用できるエネルギーを放出します。

天の川銀河だけでなく、他の銀河も、ダークマター密度が最大でなければならない銀河中心から来る原因不明の過剰なガンマ線を持つことが観察されているため、これにはいくつかの潜在的な証拠があります。これについては、パルサーのような世俗的な天体物理学的説明があることは常に可能ですが、暗黒物質が銀河の中心でそれ自体を消滅させ、信じられな

巨大な、拡散ダークマターハロー、太陽系を流れるダークマターがなければならないことを示します。私たちはまだダークマターを直接検出していませんが、私たちの銀河全体とそれ以降の豊富な存在は、想像できる完璧なロケット燃料の完璧なレシピを提供するかもしれません。

Robert Caldwell&Marc Kamionkowski Nature458,587-589(2009)

これの利点は、暗黒物質が文字通り銀河のどこにでもあるということです。代わりに、ダークマター”原子炉”は、単に可能性があります:
- ダークマターがその中を通過したものを取り、
- その消滅を促進するか、自然に消滅させ、
- 排気をリダイレクトして、私たちが望む方向に推力を達成するために、
そして、原子炉の大きさと大きさを制御して、所望の結果を達成することができます。

燃料を機内に運ぶ必要がなければ、推進主導の宇宙旅行の問題の多くは非問題になるでしょう。無制限の一定の加速：代わりに、私たちは旅行の究極の夢を達成することができるだろう。宇宙船自体の観点から、これはすべての最も想像力豊かな可能性の一つ、単一の人間の一生の中で宇宙の任意の場所に到達する能力を開くだろう。

それは地球の表面重力の一定の速度で加速する場合。 1gの加速度で十分な時間を与えられた場合、あなたは単一の人間の一生の間に宇宙の任意の場所に到達することができることに注意してくださ

P. Fraundorf at Wikipedia

現在のロケット技術に制限すると、地球から私たち自身を超えて最も近い太陽系への旅を完了するには、最低でも数万年しかし、推進技術の巨大な進歩は手の届くところにあり、その旅を単一の人間の一生の中に減らすことができます。核燃料、宇宙ボーンレーザーアレイ、反物質、さらにはダークマターの使用を習得できれば、ワープドライブなどの物理学を破る技術を呼び出すことなく、宇宙飛行文明になるという夢を実現することができました。

すでに科学的に有効であることが実証されているものを、実現可能で実行可能な次世代の推進技術に変えるための潜在的な道が複数あります。世紀の終わりまでに、まだ設計されていない宇宙船が、地球から最も遠い物体としてNew Horizons、Pioneer、Voyagerのミッションを追い越す可能性は絶対にあります。科学はすでにそこにあります。それは私達の現在の技術の限界を越えて見、結実にこの夢を持って来る私達まである。

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