Kunnen We Interstellair Reizen Met Alleen Bekende Fysica?

NASA

zolang mensen naar de nachtelijke hemel hebben gekeken, hebben we gedroomd om andere werelden te bezoeken en echt te zien wat er daarbuiten in het universum is. Terwijl onze chemische raketten ons naar een groot aantal planeten, manen en andere lichamen in het zonnestelsel hebben gebracht, ligt het verste ruimteschip dat ooit door de mensheid is gelanceerd — Voyager 1 — slechts 22,3 miljard kilometer van de Aarde: slechts 0,056% van de afstand tot het dichtstbijzijnde bekende sterrenstelsel. Met de huidige technologie zou het bijna 100.000 jaar duren om naar een ander sterrenstelsel te reizen.

maar het is niet nodig om onszelf te beperken tot het doen van dingen zoals we ze nu doen. Met de juiste technologie kunnen we enorm verbeteren hoe efficiënt het is om een grote lading te krijgen, misschien zelfs een die mensen aan boord bracht, tot ongekende afstanden door het universum. In het bijzonder zijn er vier technologieën die het potentieel hebben om ons naar de sterren te brengen op veel kortere tijdschalen. Dit is hoe.

testen in 1967. Deze raket wordt aangedreven door massa / energie conversie, en wordt ondersteund door de beroemde vergelijking E=mc^2. Hoewel dit concept nooit heeft geleid tot een succesvolle raket, zou het de toekomst van de interstellaire ruimtevaart kunnen zijn.

ECF (Experimental Engine Cold Flow) experimental nuclear rocket engine, NASA, 1967

1.) De nucleaire optie. Op dit punt in de menselijke geschiedenis heeft elke raket die we ooit de ruimte in hebben gelanceerd één ding gemeen: Hij wordt aangedreven door chemische brandstof. Ja, raketbrandstof is een speciale mix van chemische brandstoffen ontworpen om de stuwkracht te maximaliseren, maar het “chemische brandstof” deel is erg belangrijk: het stelt dat de reacties die het voeden afhankelijk zijn van de herschikking van banden tussen verschillende atomen om energie te leveren.

Dit is fundamenteel beperkend! Voor een atoom is de overgrote meerderheid van zijn massa in de kern van het atoom: 99,95%. Als je een chemische reactie ondergaat, worden de elektronen die rond de atomen cirkelen herschikt, waardoor meestal ongeveer 0,0001% van de totale massa van de atomen die betrokken zijn bij de vorm van energie vrijkomt, via Einstein ‘ s beroemde vergelijking: E = mc2. Dat betekent dat voor elke 1 kilogram brandstof waarmee je je raket laadt, je alleen het energie-equivalent van ergens in de schaal van 1 milligram massa uit de reactie krijgt.

faciliteit is de eerste stap in het verhogen van de energie van laserstralen als ze hun weg naar de doelkamer. NIF heeft onlangs een 500 terawatt schot bereikt-1.000 keer meer vermogen dan de Verenigde Staten op elk moment in de tijd gebruikt. Kernfusie is duizenden malen efficiënter dan een chemische reactie.

Damien Jemison / LLNL

maar als je ging met een nucleaire brandstof, dat verhaal verandert dramatisch. In plaats van te vertrouwen op het veranderen van hoe elektronen worden geconfigureerd en hoe atomen aan elkaar zijn gebonden, zou je relatief enorme hoeveelheden energie kunnen vrijgeven door te veranderen hoe atoomkernen zelf aan elkaar zijn gebonden. Wanneer je een Uraniumatoom opsplitst door het te bombarderen met een neutron, geeft het een enorme hoeveelheid energie af in vergelijking met elke chemische reactie: 1 kilogram u-235 brandstof kan het energie-equivalent van 911 milligram massa afgeven, een factor van ~1000 keer efficiënter dan chemische brandstoffen.

als we kernfusie in plaats daarvan onder de knie zouden krijgen, zoals met een inertiaal-opsluiting fusiesysteem dat in staat was om waterstof in helium te fuseren — dezelfde kettingreactie die in de zon plaatsvindt — zouden we nog efficiënter kunnen worden. Het smelten van 1 kilogram waterstofbrandstof in helium zou 7,5 gram massa omzetten in pure energie, waardoor het bijna 10.000 keer zo efficiënt is als chemische brandstoffen.

de sleutel is dat we in staat zouden zijn om dezelfde versnellingen te bereiken voor een raket voor veel langere perioden: honderden of zelfs duizenden keren zo lang, waardoor we snelheden kunnen bereiken die honderden of duizenden keren groter zijn dan conventionele raketten vandaag de dag. Het kan de interstellaire reistijd terugbrengen tot eeuwen of misschien zelfs decennia. Het is een veelbelovende weg die haalbaar zou kunnen zijn, afhankelijk van hoe de technologie zich ontwikkelt, voordat we het jaar 2100 bereiken.

laser array treft en versnelt een relatief groot ruimtevaartuig met een lage massa. Dit heeft het potentieel om niet-levende objecten te versnellen tot snelheden die de snelheid van het licht benaderen, waardoor een interstellaire reis mogelijk is binnen een enkel menselijk leven.

© 2016 UCSB Experimental Cosmology Group

2.) Een ruimte-gebaseerde laser array. Dit was het belangrijkste idee achter de “Breakthrough Starshot” concept dat bekendheid kreeg een paar jaar geleden, en het blijft een spannend concept. Terwijl conventionele ruimtevaartuigen vertrouwen op het brengen van hun eigen brandstof aan boord en het besteden om zelf te versnellen, het belangrijkste idee hier is dat een grote, high-powered laser array de benodigde stuwkracht zou leveren aan een extern ruimtevaartuig. Met andere woorden, de bron van de stuwkracht zou gescheiden zijn van het ruimteschip zelf.

Dit is een fascinerend en revolutionair concept in vele opzichten. Lasertechnologie wordt met succes niet alleen krachtiger, maar ook sterker gecollimeerd, wat betekent dat als we een zeilachtig materiaal kunnen ontwikkelen dat een hoog genoeg percentage van dat laserlicht kan reflecteren, we die laserstraal kunnen gebruiken om een ruimteschip te versnellen tot enorme snelheden van de bron van onze array. Een “sterchip” van ~1 gram kan waarschijnlijk ~20% van de lichtsnelheid bereiken, wat het in staat zou stellen om in slechts 22 jaar bij Proxima Centauri, onze dichtstbijzijnde ster, aan te komen.

sterrenschip, heeft de potentie om een ruimtevaartuig te versnellen tot ongeveer 20% van de lichtsnelheid en een andere ster binnen een mensenleven te bereiken. Het is mogelijk dat we met genoeg kracht zelfs een ruimteschip kunnen sturen om de interstellaire afstanden te overbruggen.

Breakthrough Starshot

Zeker, we zouden een enorme laser array moeten bouwen: ongeveer 100 vierkante kilometer aan lasers, en we zouden het in de ruimte moeten doen, maar dat is een kostenprobleem, geen wetenschap of technologie. Maar er zijn technologische problemen die moeten worden overwonnen om dit te laten werken, waaronder:

• een niet ondersteund zeil zal beginnen te roteren, en vereist een soort (onontwikkeld) stabilisatiemechanisme,
• het feit dat er geen manier is om te vertragen als je eenmaal op je bestemming bent, omdat er geen brandstof aan boord is,
• en zelfs als je het zou kunnen opschalen om mensen te vervoeren, zou de acceleraties veel te groot zijn-wat een grote verandering in snelheid over een korte tijd vereist — voor een mens om te overleven.deze technologie zou ons misschien ooit naar de sterren kunnen brengen, maar een succesvol plan om mensen tot ~20% van de lichtsnelheid te brengen is nog niet uitgekomen.
  

  

  uit pure energie is een volledig omkeerbare reactie (rechts), waarbij materie / antimaterie weer wordt vernietigd tot pure energie. We weten hoe we antimaterie kunnen creëren en vernietigen, met behulp van materie samen met het om pure energie terug te winnen in een bruikbare vorm, zoals fotonen.

  Dmitri Pogosyan / University of Alberta

  3.) Antimateriebrandstof. Als we brandstof meenemen, kunnen we het net zo goed de meest efficiënte brandstof maken: materie-antimaterie vernietiging. In plaats van chemische of zelfs nucleaire brandstoffen, waar slechts een deel van de massa aan boord wordt omgezet in energie, zou een materie-antimaterie vernietiging 100% van de massa van zowel materie als antimaterie omzetten in energie. Dit is de ultieme efficiëntie voor brandstof: het vooruitzicht om alles om te zetten in energie die kan worden gebruikt voor stuwkracht.

  de moeilijkheid komt alleen in de praktijk, en in het bijzonder op drie fronten:

  • het creëren van stabiele, neutrale antimaterie,
  • het vermogen om deze af te zonderen van normale materie en nauwkeurig te beheersen,
  • en het in voldoende grote hoeveelheden te produceren dat het nuttig kan zijn voor interstellaire reizen.

  spannend genoeg zijn de eerste twee uitdagingen al overwonnen.

  

  geladen antimateriedeeltjes worden samengebracht en kunnen positieve ionen, neutrale atomen of negatieve ionen vormen, afhankelijk van het aantal positronen dat bindt met een antiproton. Als we met succes antimaterie kunnen vangen en opslaan, zou het een 100% efficiënte brandstofbron zijn, maar vele tonnen antimaterie, in tegenstelling tot de kleine fracties van een gram die we hebben gemaakt, zouden nodig zijn voor een interstellaire reis.

  E. Siegel

  bij CERN, de thuisbasis van de Large Hadron Collider, is er een enorm complex bekend als” de antimateriefabriek”, waar ten minste zes afzonderlijke teams onderzoek doen naar de verschillende eigenschappen van antimaterie. Ze nemen antiprotonen en vertragen ze, waardoor positronen zich met hen binden: het creëren van anti-atomen, of neutrale antimaterie.

  ze houden deze anti-atomen vast in een vat met wisselende elektrische en magnetische velden, die ze effectief vastpinnen, weg van de omhulselwanden die van materie zijn gemaakt. Op dit moment, midden 2020, hebben ze met succes meerdere anti-atomen geïsoleerd en stabiel gehouden gedurende bijna een uur op hetzelfde moment. Op een gegeven moment in de komende jaren, zullen ze hier goed genoeg in zijn om voor het eerst te kunnen meten of antimaterie op of neer valt in een gravitatieveld.

  het is niet noodzakelijk een technologie op korte termijn, maar het zou wel eens onze snelste manier van interstellaire reizen kunnen worden: een antimaterie-aangedreven raket.

  

  brandstof, maar als een donkere-materiemotor werd gemaakt, kan er altijd nieuwe brandstof worden gevonden door simpelweg door het melkwegstelsel te reizen. Omdat donkere materie geen interactie heeft met normale materie (meestal) maar er dwars doorheen gaat, zou je er geen moeite mee hebben om het in een specifiek ruimtevolume te verzamelen; het zou er altijd zijn als je door het melkwegstelsel bewoog.

  NASA / MSFC

  4.) Een ruimtevaartuig aangedreven door donkere materie. Deze, toegegeven, berust op een aanname over welk deeltje verantwoordelijk is voor donkere materie: dat het zich gedraagt als een boson, waardoor het zijn eigen antideeltje. In theorie heeft donkere materie die zijn eigen antideeltje is een kleine maar niet-NUL kans om te vernietigen met elk ander deeltje donkere materie waarmee het botst, waardoor energie vrijkomt die we mogelijk kunnen gebruiken in het proces.

  Er is mogelijk bewijs hiervoor, omdat niet alleen de Melkweg maar ook andere sterrenstelsels een onverklaarbare overmaat aan gammastralen hebben die uit hun Galactische centra komen, waar de dichtheid van donkere materie het grootst zou moeten zijn. Het is altijd mogelijk dat er een alledaagse astrofysische verklaring voor is — zoals pulsars-maar het is ook mogelijk dat donkere materie zichzelf vernietigt in de centra van sterrenstelsels, wat een ongelooflijke mogelijkheid oplevert: een ruimtevaartuig met donkere materie.

  

  enorme, diffuse donkere materie halo, wat aangeeft dat er donkere materie door het zonnestelsel moet stromen. Hoewel we donkere materie nog niet direct moeten detecteren, kan de overvloedige aanwezigheid ervan in onze Melkweg en daarbuiten een perfect recept zijn voor de perfecte raketbrandstof denkbaar.

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

  het voordeel hiervan is dat donkere materie letterlijk overal in de Melkweg is, wat betekent dat we geen brandstof zouden hoeven mee te nemen op een reis naar waar we ook gingen. In plaats daarvan zou een donkere materie “reactor” gewoon:

  • neem de donkere materie die erin terecht is gekomen,
  • vergemakkelijkt de annihilatie ervan of laat deze op natuurlijke wijze vernietigen,
  • en richt de uitlaat om de stuwkracht te bereiken in de gewenste richting,

  en we kunnen de grootte en grootte van de reactor controleren om de gewenste resultaten te bereiken.

  zonder de noodzaak om brandstof aan boord te hebben, zouden veel van de problemen van de door de aandrijving aangedreven ruimtevaart geen problemen worden. In plaats daarvan zouden we in staat zijn om de ultieme droom van reizen te bereiken: onbeperkte constante versnelling. Vanuit het perspectief van het ruimteschip zelf, zou dit een van de meest fantasierijke mogelijkheden van allemaal openen, de mogelijkheid om elke locatie in het universum te bereiken binnen een enkel menselijk leven.

  

  bestemming indien deze versnelt met een constante snelheid van de zwaartekracht van het aardoppervlak. Merk op dat, gegeven genoeg tijd bij een versnelling van 1g, je elke locatie in het universum binnen een enkel menselijk leven kunt bereiken.

  P. Fraundorf at Wikipedia

  als we ons beperken tot de huidige rakettechnologie, zal het minstens tienduizenden jaren duren om een reis van de aarde naar het dichtstbijzijnde zonnestelsel buiten het Onze te voltooien. Maar enorme vooruitgang in voortstuwingstechnologieën is binnen handbereik, en kan die reis terugbrengen tot binnen één menselijk leven. Als we het gebruik van nucleaire brandstof, van spaceborne laser arrays, van antimaterie, of zelfs van donkere materie kunnen beheersen, kunnen we onze droom realiseren om een ruimtevarende beschaving te worden zonder een beroep te doen op fysica-brekende technologieën zoals warpaandrijving.

  Er zijn meerdere mogelijkheden om van wat reeds wetenschappelijk is aangetoond, een haalbare, levensvatbare voortstuwingstechnologie van de volgende generatie te maken. Tegen het einde van de eeuw is het absoluut een mogelijkheid dat een ruimteschip dat nog niet is ontworpen New Horizons, de Pioneer en Voyager missies zal inhalen als de meest verre objecten van de aarde. De wetenschap is er al. Het is aan ons om verder te kijken dan de beperkingen van onze huidige technologieën en deze droom te verwezenlijken.

  haal het beste van Forbes naar uw inbox met de nieuwste inzichten van experts over de hele wereld.

  Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een aantal van mijn andere werk hier.

  Laden …