Kan Vi Oppnå Interstellar Reise Ved Hjelp Av Kun Kjent Fysikk?

NASA

så lenge mennesker har sett på nattehimmelen, har vi drømt om å besøke andre verdener og virkelig se hva som er der ute i Universet. Mens våre kjemisk baserte raketter har tatt oss til et myriade av planeter, måner og andre legemer i Solsystemet, er det lengste romfartøyet Som noensinne er lansert av menneskeheten — Voyager 1 — bare 22, 3 milliarder kilometer (13, 9 milliarder miles) Fra Jorden: bare 0, 056% av avstanden til det nærmeste kjente stjernesystemet. Med dagens teknologi vil det ta nærmere 100 000 år å reise til et annet stjernesystem.

Men det er ikke nødvendig å begrense oss til å gjøre ting slik vi gjør dem akkurat nå. Med riktig teknologi kan vi forbedre hvor effektivt det er å få en stor nyttelastmasse, kanskje til og med en som bar mennesker ombord, til enestående avstander over Hele Universet. Spesielt er det fire teknologier som har potensial til å ta oss til stjernene på mye kortere tidsrammer. Slik gjør du det.

testing i 1967. Denne raketten drives av Masse / energikonvertering,og støttes av den berømte ligningen E=mc^2. Selv om dette konseptet aldri har ført til en vellykket rakett, kan det være fremtiden for interstellar romfart.

ECF (Eksperimentell Motor Kaldstrøm) eksperimentell atomrakettmotor, NASA, 1967

1.) Det kjernefysiske alternativet. På dette punktet i menneskets historie har hver rakett vi noen gang har lansert i rommet en ting til felles: den har blitt drevet av kjemisk basert drivstoff. Ja, rakettbrensel er en spesiell blanding av kjemiske brensel designet for å maksimere trykk, men «kjemisk drivstoff» – delen er svært viktig: den sier at reaksjonene som driver den, er avhengige av omlegging av bindinger mellom ulike atomer for å gi energi.

dette er fundamentalt begrensende! For et atom er det overveldende flertallet av dets masse i atomets kjerne: 99,95%. Når du engasjerer deg i en kjemisk reaksjon, blir elektronene som kretser atomene omarrangert, og frigjør vanligvis et sted rundt 0,0001% av den totale massen av atomene som er involvert i form av energi, via Einsteins berømte ligning: E = mc2. Det betyr at for hver 1 kilo drivstoff du laster opp raketten din med, får du bare energiekvivalenten til et sted i ballparken på 1 milligram masse ut av reaksjonen.

Anlegget er det første trinnet i å øke energien av laserstråler som de gjør sin vei mot målet kammeret. NIF oppnådde nylig et 500 terawatt-skudd-1000 ganger mer kraft enn Usa bruker til enhver tid. Kjernefysisk fusjon er tusenvis av ganger mer effektiv enn noen kjemisk-basert reaksjon.

Damien Jemison/LLNL

Men hvis du gikk med et atombasert drivstoff, endres denne historien dramatisk. I stedet for å stole på å endre hvordan elektroner er konfigurert og hvordan atomer er bundet sammen, kan du frigjøre relativt enorme mengder energi ved å endre hvordan atomkjerner selv er bundet til hverandre. Når Du deler Fra Hverandre Et Uranatom ved å bombardere det med et nøytron, avgir det en enorm mengde energi sammenlignet med enhver kjemisk basert reaksjon: 1 kilo U – 235 drivstoff kan frigjøre energiekvivalenten på 911 milligram masse, en faktor på ~1000 ganger mer effektiv enn kjemisk baserte drivstoff.hvis vi skulle mestre kjernefysisk fusjon i stedet, for eksempel med et inertial-confinement fusion system som var i stand til å fusjonere hydrogen til helium – den samme kjedereaksjonen som foregår i Solen-kunne vi bli enda mer effektive. Fusjon av 1 kilo hydrogen til helium ville gjøre 7, 5 gram masse til ren energi, noe som gjør det nesten 10.000 ganger så effektivt som kjemisk baserte brensel.nøkkelen er at vi vil kunne oppnå de samme akselerasjonene for et rakett i langt lengre perioder: hundrevis eller tusenvis av ganger så lenge, slik at vi kan nå hastigheter hundrevis eller tusenvis av ganger større enn konvensjonelle raketter oppnår i dag. Det kan kutte interstellar reisetid ned til bare århundrer eller kanskje til og med tiår. Det er en lovende avenue som kan oppnås, avhengig av hvordan teknologien utvikler seg, før vi treffer år 2100.

laser array slående og akselerere et relativt stort område, lav masse romfartøy. Dette har potensial til å akselerere ikke-levende objekter til hastigheter som nærmer seg lysets hastighet, noe som gjør en interstellar reise mulig innen en enkelt menneskelig levetid.

© 2016 Ucsb Eksperimentell Kosmologi Gruppe

2.) En rombasert laser array. Dette var hovedideen bak «Breakthrough Starshot» – konseptet som ble kjent for noen år siden, og det er fortsatt et spennende konsept. Mens konvensjonelle romfartøy er avhengige av å bringe sitt eget drivstoff om bord og bruke det til selvakselerasjon, er nøkkelideen her at et stort, kraftig laseroppsett vil gi den nødvendige kraften til et eksternt romfartøy. Med andre ord vil kilden til stødkraften være skilt fra romfartøyet selv.

dette er et fascinerende konsept, og en revolusjonerende på mange måter. Laserteknologi blir vellykket ikke bare kraftigere, men også mer kollimert, noe som betyr at hvis vi kan konstruere et seillignende materiale som kan reflektere en høy nok prosentandel av det laserlyset, kan vi bruke den laserblasten til å akselerere et romfartøy til enorme hastigheter vekk fra kilden til vårt utvalg. En ~1 gram-masse «starchip» kunne tenkes å nå ~20% lysets hastighet, noe som ville gjøre det mulig å ankomme Proxima Centauri, vår nærmeste stjerne, på bare 22 år.

starship, har potensial til å akselerere et romfartøy til ca 20% lysets hastighet og nå en annen stjerne i løpet av en menneskelig levetid. Det er mulig at med nok kraft kan vi til og med sende et mannskap som bærer romfartøy for å spenne interstellare avstander.

Gjennombrudd Starshot

Sikker, vi måtte bygge en enorm laser array: om lag 100 kvadratkilometer verdt lasere, og vi må gjøre det i rommet, men det er et kostnadsproblem, ikke vitenskap eller teknologi. Men det er teknologiske problemer som må overvinnes for at dette skal fungere, inkludert:

• et ikke-støttet seil vil begynne å rotere, og krever en slags (uutviklet) stabiliseringsmekanisme,
• det faktum at det ikke er mulig å bremse når du gjør det til reisemålet ditt, siden det ikke er noe drivstoff ombord,
• og selv om du kunne skalere det opp for å transportere mennesker, vil akselerasjonene være altfor store-nødvendiggjør en stor hastighetsendring over kort tid – for at et menneske skal overleve.Denne teknologien kan kanskje en dag ta oss til stjernene, men en vellykket plan for å ta mennesker opp til ~20% lysets hastighet har ennå ikke kommet ut.
  

  

  fra ren energi er en fullstendig reversibel reaksjon (høyre), med materie / antimaterie som ødelegger tilbake til ren energi. Vi vet hvordan å skape og ødelegge antimaterie, ved hjelp av materie sammen med det for å gjenopprette ren energi i en brukbar form, for eksempel fotoner.

  Dmitri Pogosyan/Universitetet I Alberta

  3.) Antimatter drivstoff. Hvis vi skal ta med oss drivstoff, kan vi like godt gjøre det mest effektive drivstoffet mulig: materie-antimatterutslettelser. I stedet for kjemisk-baserte eller til og med kjernebaserte brensel, hvor bare en del av massen som bringes om bord, blir omdannet til energi, vil en materie-antimatterutslettelse konvertere 100% av massen av både materie og antimatter til energi. Dette er den ultimate effektiviteten for drivstoff: utsiktene til å konvertere alt til energi som kan brukes til trykk.

  vanskeligheten kommer bare i praksis, og spesielt på tre fronter:

  • opprettelsen av stabil, nøytral antimaterie,
  • evnen til å isolere den bort fra normal materie og nøyaktig kontrollere den,
  • og å produsere den i store nok mengder at den kan være nyttig for interstellar reise.

  Spennende nok, de to første utfordringene blir allerede overvunnet.

  

  E. Siegel

  PÅ CERN, hjemmet Til Large Hadron Collider, er DET et enormt kompleks kjent som «antimatterfabrikken», hvor minst seks separate lag undersøker de forskjellige egenskapene til antimatter. De tar antiprotoner og senker dem, tvinger positroner til å binde seg med dem: skape antiatomer eller nøytral antimaterie.

  de begrenser disse antiatomer i et fartøy med vekslende elektriske og magnetiske felt, som effektivt knytter dem på plass, vekk fra beholderveggene som er laget av materie. På dette tidspunktet, midt i 2020, har de vellykket isolert og holdt stabile flere antiatomer i nesten en time på samme tid. På et tidspunkt i løpet av de neste årene vil de være gode nok til dette at de for første gang kan måle om antimatter faller opp eller ned i et gravitasjonsfelt.Det er ikke nødvendigvis en nærtids teknologi, men det kan ende opp med å være vårt raskeste middel til interstellar reise av alle: en antimatter-drevet rakett.

  

  NASA/MSFC

  4.) Et romfartøy drevet av mørk materie. Denne er ganske vist avhengig av en antagelse om hvilken partikkel som er ansvarlig for mørk materie: at den oppfører seg som en boson, noe som gjør den til sin egen antipartikkel. I teorien vil mørk materie som er sin egen antipartikkel ha en liten, men ikke-null sjanse til å ødelegge med enhver annen mørk materiepartikkel den kolliderer med, og frigjøre energi som vi potensielt kan utnytte i prosessen.det er noen potensielle bevis for Dette, da Ikke Bare Melkeveien, men også andre galakser observeres å ha et uforklarlig overskudd av gammastråler som kommer fra deres galaktiske sentre, hvor den mørke materiens tetthet burde være størst. Det er alltid mulig at det er en verdslig astrofysisk forklaring på dette — for eksempel pulsarer — men det er også mulig at mørk materie ødelegger seg selv i galaksens sentre, noe som gir en utrolig mulighet: et mørk materie-drevet romfartøy.

  

  enorm, diffus halo av mørk materie som indikerer at det må være mørk materie som strømmer gjennom solsystemet. Selv om vi ennå ikke har oppdaget mørk materie direkte, kan dens rike tilstedeværelse i hele vår galakse og utover gi en perfekt oppskrift på det perfekte rakettbrenselet som er tenkelig.

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

  fordelen med dette er at mørk materie er bokstavelig talt overalt i galaksen, noe som betyr at vi ikke trenger å ta drivstoff med oss på en reise til hvor vi gikk. I stedet kan en mørk materie «reaktor» ganske enkelt:

  • ta det mørke stoffet som skjedde for å passere i det,
  • enten lette dets utslettelse eller la det utslette naturlig,
  • og omdirigere eksosen for å oppnå trykk i hvilken retning vi ønsket,

  og vi kunne kontrollere størrelsen og størrelsen på reaktoren for å oppnå de ønskede resultatene.

  uten behov for å bære drivstoff ombord, ville mange av problemene med fremdriftsdrevet romfart bli ikke-problemer. I stedet vil vi kunne oppnå den ultimate drømmen om reise: ubegrenset konstant akselerasjon. Fra romskipets perspektiv vil dette åpne opp en av de mest fantasifulle mulighetene for alle, evnen til å nå ethvert sted I Universet innen en enkelt menneskelig levetid.

  

  destinasjon hvis den akselererer med en konstant hastighet På Jordens overflategravitasjon. Merk at, gitt nok tid ved en akselerasjon på 1g, kan du nå ethvert sted I Universet innen en enkelt menneskelig levetid.

  P. Fraundorf på Wikipedia

  hvis vi begrenser oss til dagens rakettteknologi, vil det ta titusenvis av år-minst – å fullføre en reise Fra Jorden til nærmeste solsystem utenfor vårt eget. Men enorme fremskritt innen fremdriftsteknologi er innen rekkevidde, og kan redusere den reisen til en enkelt menneskelig levetid. Hvis vi kan mestre bruken av atombrensel, av spaceborne laserarrays, antimaterie eller til og med mørk materie, kan vi innse vår drøm om å bli en romfarende sivilisasjon uten å påkalle fysikkbrytende teknologier som warp drive.Det er flere potensielle muligheter for å snu det som allerede er demonstrert som vitenskapelig gyldig til en gjennomførbar, levedyktig, neste generasjons fremdriftsteknologi. Ved slutten av århundret er det absolutt en mulighet for at et romfartøy som ikke er designet ennå, vil overta New Horizons, Pioneer og Voyager-oppdragene som De fjerneste gjenstandene Fra Jorden. Vitenskapen er der allerede. Det er opp til oss å se utover begrensningene i vår nåværende teknologi og bringe denne drømmen til virkelighet.

  Få Det Beste Fra Forbes til innboksen din med den nyeste innsikten fra eksperter over hele verden.

  Følg Meg På Twitter. Sjekk ut min hjemmeside eller noen av mine andre arbeid her.

  Laster …