spektakularny strzał streak został wykonany z hangaru AF na Cape Canaveral Air Force Station, z rakietą nośną na pokładzie na pierwszym planie. W całej naszej historii na Ziemi, jedynym sposobem dotarcia do kosmosu jest użycie paliw chemicznych.
NASA
tak długo, jak ludzie obserwują nocne niebo, marzyliśmy o odwiedzaniu innych światów i prawdziwym oglądaniu tego, co jest we wszechświecie. Podczas gdy nasze chemiczne rakiety przeniosły nas na niezliczoną ilość planet, księżyców i innych ciał w Układzie Słonecznym, najdalszy statek kosmiczny, jaki kiedykolwiek został wystrzelony przez ludzkość — Voyager 1 — znajduje się zaledwie 22,3 miliarda kilometrów (13,9 miliarda mil) od Ziemi: zaledwie 0,056% odległości od najbliższego znanego układu gwiezdnego. Przy obecnej technologii podróż do innego układu gwiezdnego zajęłaby blisko 100 000 lat.
ale nie ma potrzeby ograniczać się do robienia rzeczy tak, jak robimy to teraz. Dzięki odpowiedniej technologii możemy znacznie poprawić efektywność przenoszenia dużej masy ładunku, być może nawet takiej, która przewoziła ludzi na pokładzie, na niespotykane dotąd odległości w całym wszechświecie. W szczególności istnieją cztery technologie, które mają potencjał, aby zabrać nas do gwiazd w znacznie krótszych skalach czasowych. Oto jak.
Ta rakieta jest zasilana przez konwersję masy / energii i opiera się na słynnym równaniu E = mc^2. Chociaż koncepcja ta nigdy nie doprowadziła do sukcesu rakiety, może to być przyszłość międzygwiezdnych podróży kosmicznych.
ECF (Experimental Engine cold Flow) experimental Nuclear rocket engine, NASA, 1967
1.) Opcja jądrowa. Na tym etapie historii ludzkości, każda rakieta, którą wystrzelaliśmy w kosmos, ma jedną wspólną cechę: jest napędzana paliwem chemicznym. Tak, paliwo rakietowe jest specjalną mieszanką paliw chemicznych zaprojektowaną w celu maksymalizacji ciągu, ale część „paliwa chemicznego” jest bardzo ważna: stwierdza, że reakcje zasilające je opierają się na przegrupowaniu wiązań między różnymi atomami w celu zapewnienia energii.
To jest zasadniczo ograniczające! W przypadku atomu przeważająca większość jego masy znajduje się w jądrze atomu: 99,95%. Kiedy bierzesz udział w reakcji chemicznej, elektrony orbitujące wokół atomów zostają uporządkowane, Zwykle uwalniając około 0,0001% całkowitej masy atomów zaangażowanych w formę energii, dzięki słynnemu równaniu Einsteina: E = mc2. Oznacza to, że na każdy kilogram paliwa, którym załadujesz rakietę, otrzymasz tylko równowartość energii w przybliżeniu 1 miligrama masy z reakcji.
obiekty są pierwszym krokiem w zwiększaniu energii wiązek laserowych, gdy trafiają do komory docelowej. NIF niedawno osiągnął 500 terawatt strzał – 1000 razy więcej mocy niż Stany Zjednoczone zużywa w każdej chwili w czasie. Fuzja jądrowa jest tysiące razy bardziej wydajna niż jakakolwiek reakcja chemiczna.
Damien Jemison/LLNL
ale jeśli zdecydujesz się na paliwo jądrowe, historia zmienia się dramatycznie. Zamiast polegać na zmianie konfiguracji elektronów i sposobu wiązania atomów, można uwolnić stosunkowo ogromne ilości energii poprzez zmianę sposobu wiązania samych jąder atomowych. Kiedy rozszczepisz atom uranu bombardując go neutronem, emituje on ogromną ilość energii w porównaniu z jakąkolwiek reakcją chemiczną: 1 kilogram paliwa U – 235 może uwolnić równoważnik energii 911 miligramów masy, współczynnik ~1000 razy bardziej wydajny niż paliwa chemiczne.
gdybyśmy zamiast tego opanowali fuzję jądrową, na przykład za pomocą inercyjnego systemu syntezy jądrowej, który był w stanie stopić wodór w hel — tę samą reakcję łańcuchową, która ma miejsce na słońcu — moglibyśmy stać się jeszcze bardziej wydajni. Fuzja 1 kilograma paliwa wodorowego w hel zamieniłaby 7,5 grama masy w czystą energię, co czyniłoby go prawie 10 000 razy bardziej wydajnym niż paliwa chemiczne.
kluczem jest to, że bylibyśmy w stanie osiągnąć te same przyspieszenia dla rakiety przez znacznie dłuższy czas: setki, a nawet tysiące razy dłużej, co pozwala nam osiągnąć prędkości setki lub tysiące razy większe niż konwencjonalne rakiety osiągnąć dzisiaj. Może skrócić czas podróży międzygwiezdnej do zaledwie stuleci, a może nawet dziesięcioleci. To obiecująca droga, która może być osiągalna, w zależności od rozwoju technologii, zanim osiągniemy rok 2100.
Laser array uderzający i przyspieszający stosunkowo duży obszar o niskiej masie statku kosmicznego. Ma to potencjał przyspieszania nieożywionych obiektów do prędkości zbliżonej do prędkości światła, dzięki czemu podróż międzygwiezdna jest możliwa w ciągu jednego ludzkiego życia.
© 2016 UCSB Experimental Cosmology Group
2.) Układ laserowy oparty na przestrzeni kosmicznej. To była główna idea koncepcji „Breakthrough Starshot”, która zyskała rozgłos kilka lat temu i pozostaje ekscytującą koncepcją. Podczas gdy konwencjonalne statki kosmiczne polegają na wniesieniu własnego paliwa na pokład i wydaniu go na samonapędzanie, kluczową ideą jest to, że duża, potężna matryca laserowa zapewniłaby potrzebny ciąg do zewnętrznego statku kosmicznego. Innymi słowy, źródło ciągu byłoby oddzielone od samego statku kosmicznego.
to fascynująca koncepcja, rewolucyjna pod wieloma względami. Technologia laserowa z powodzeniem staje się nie tylko potężniejsza, ale również bardziej skolimowana, co oznacza, że jeśli stworzymy materiał podobny do żagla, który odbije wystarczająco wysoki procent tego światła laserowego, możemy użyć tego laserowego wybuchu, aby rozpędzić statek kosmiczny do ogromnej prędkości od źródła naszego układu. „Starchip” o masie około 1 grama mógłby osiągnąć ~20% prędkości światła, co umożliwiłoby mu dotarcie do Proximy Centauri, naszej najbliższej gwiazdy, w ciągu zaledwie 22 lat.
statek kosmiczny ma potencjał, aby przyspieszyć statek kosmiczny do około 20% prędkości światła i dotrzeć do innej gwiazdy w ciągu życia człowieka. Jest możliwe, że przy wystarczającej mocy moglibyśmy nawet wysłać statek kosmiczny z załogą na odległość międzygwiezdną.
Breakthrough Starshot
oczywiście, musielibyśmy zbudować olbrzymi Laser: lasery warte około 100 kilometrów kwadratowych, i musielibyśmy to zrobić w kosmosie, ale to problem kosztów, nie nauki czy technologii. Ale są problemy technologiczne, które muszą zostać przezwyciężone, aby to zadziałało, w tym:
- nieobsługiwany żagiel zacznie się obracać i wymaga pewnego rodzaju (niezabudowanego) mechanizmu stabilizującego,
- fakt, że nie ma sposobu na spowolnienie po dotarciu do celu, ponieważ nie ma na pokładzie paliwa,
- i nawet jeśli można go przeskalować do transportu ludzi, przyspieszenia byłyby zbyt duże-co wymaga dużej zmiany prędkości w krótkim czasie — aby człowiek mógł przetrwać.
ta technologia może kiedyś zabrać nas do gwiazd, ale pomyślny plan podniesienia ludzi do ~20% prędkości światła jeszcze nie wyszedł.
z czystej energii jest całkowicie odwracalną reakcją (po prawej), z materią / antymaterią anihilującą z powrotem do czystej energii. Wiemy, jak tworzyć i niszczyć antymaterię, wykorzystując materię wraz z nią do odzyskiwania czystej energii w użytecznej formie, takiej jak fotony.
3.) Paliwo antymaterii. Jeśli mamy zabrać ze sobą paliwo, równie dobrze możemy uczynić z niego najefektywniejsze możliwe paliwo: anihilacje materii i antymaterii. Zamiast paliw chemicznych, a nawet jądrowych, gdzie tylko część masy wniesionej na pokład zostaje zamieniona na energię, anihilacja materii-antymaterii przekształciłaby 100% masy zarówno materii, jak i antymaterii w energię. Jest to najwyższa wydajność paliwa: perspektywa przekształcenia tego wszystkiego w energię, którą można wykorzystać do pchnięcia.
trudność pojawia się tylko w praktyce, a w szczególności na trzech frontach:
- tworzenie stabilnej, neutralnej antymaterii,
- zdolność odizolowania jej od normalnej materii i precyzyjnego kontrolowania jej,
- i wytwarzanie jej w wystarczająco dużych ilościach, aby mogła być przydatna w podróżach międzygwiezdnych.
naładowane cząstki antymaterii są połączone i mogą tworzyć jony dodatnie, neutralne atomy lub jony ujemne, w zależności od liczby pozytonów, które wiążą się z antyprotonem. Jeśli uda nam się przechwycić i przechować antymaterię, będzie to w 100% wydajne źródło paliwa, ale wiele ton antymaterii, w przeciwieństwie do maleńkich ułamków grama, które stworzyliśmy, będzie potrzebnych do podróży międzygwiezdnej.
E. Siegel
w CERN, domu Wielkiego Zderzacza Hadronów, znajduje się ogromny kompleks znany jako „fabryka antymaterii”, gdzie co najmniej sześć oddzielnych zespołów bada różne właściwości antymaterii. Biorą antyprotony i spowalniają je, zmuszając pozytony do wiązania się z nimi: tworząc anty atomy lub neutralną antymaterię.
ograniczają te antyatom w naczyniu ze zmiennym polem elektrycznym i magnetycznym, które skutecznie spinają je na swoim miejscu, z dala od ścian pojemnika, które są zbudowane z materii. W tym momencie, w połowie 2020 roku, udało im się wyizolować i utrzymać stabilne wiele antyatomów przez prawie godzinę w tym samym czasie. W pewnym momencie w ciągu najbliższych kilku lat będą w tym na tyle dobrzy, że będą w stanie po raz pierwszy zmierzyć, czy antymateria spada w górę czy w dół w polu grawitacyjnym.
niekoniecznie jest to technologia bliska, ale może stać się naszym najszybszym środkiem podróży międzygwiezdnej ze wszystkich: rakietą napędzaną antymaterią.
paliwa, ale jeśli stworzono silnik ciemnej materii, nowe paliwo zawsze można znaleźć po prostu podróżując po galaktyce. Ponieważ ciemna materia nie oddziałuje z normalną materią (w większości), ale przechodzi przez nią, nie miałbyś żadnych trudności z gromadzeniem jej w określonej objętości przestrzeni; zawsze byłaby tam, gdy poruszałeś się przez galaktykę.
4.) Statek kosmiczny zasilany przez ciemną materię. Ta, co prawda, opiera się na założeniu, że każda cząstka jest odpowiedzialna za ciemną materię: że zachowuje się jak bozon, czyniąc ją własną antycząstką. Teoretycznie ciemna materia, która jest jej antycząstką, będzie miała małą, ale niezerową szansę na anihilację z jakąkolwiek inną cząstką ciemnej materii, z którą się zderzy, uwalniając energię, którą moglibyśmy potencjalnie wykorzystać w tym procesie.
istnieją na to potencjalne dowody, ponieważ nie tylko droga Mleczna, ale również inne galaktyki mają niewyjaśniony nadmiar promieni gamma pochodzących z ich centrów galaktyk, gdzie gęstość ciemnej materii powinna być największa. Zawsze jest możliwe, że istnieje na to przyziemne Astrofizyczne wytłumaczenie — takie jak pulsary — ale jest również możliwe, że ciemna materia anihiluje sama ze sobą w centrach galaktyk, co stwarza niesamowitą możliwość: statek kosmiczny napędzany ciemną materią.
ogromne, rozproszone halo ciemnej materii, wskazujące, że musi istnieć ciemna materia przepływająca przez układ słoneczny. Chociaż nie mamy jeszcze bezpośredniego wykrycia ciemnej materii, jej obecność w całej naszej galaktyce i poza nią może stanowić idealną recepturę na idealne paliwo rakietowe, jakie można sobie wyobrazić.
Robert Caldwell& Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
zaletą tego jest to, że ciemna materia jest dosłownie wszędzie w całej galaktyce, co oznacza, że nie musielibyśmy zabierać ze sobą paliwa w podróż, gdziekolwiek się udaliśmy. Zamiast tego „reaktor” ciemnej materii mógłby po prostu:
- weź każdą ciemną materię, która się w niej znalazła,
- albo Ułatw jej anihilację, albo pozwól jej unicestwić się w sposób naturalny,
- i skieruj wydech, aby osiągnąć ciąg w dowolnym kierunku,
i możemy kontrolować rozmiar i wielkość reaktora, aby osiągnąć pożądane rezultaty.
bez konieczności przewożenia paliwa na pokładzie, wiele problemów związanych z podróżami kosmicznymi napędzanymi napędem stałoby się bezprzedmiotowymi. Zamiast tego będziemy w stanie zrealizować największe marzenie o podróży: nieograniczone, stałe przyspieszenie. Z perspektywy samego statku kosmicznego, otworzyłoby to jedną z najbardziej pomysłowych możliwości, możliwość dotarcia do dowolnego miejsca we wszechświecie w ciągu jednego ludzkiego życia.
cel podróży, jeśli przyspiesza ze stałym tempem grawitacji powierzchniowej Ziemi. Zauważ, że mając wystarczająco dużo czasu przy przyspieszeniu 1g, możesz dotrzeć do dowolnego miejsca we wszechświecie w ciągu jednego ludzkiego życia.
P. Fraundorf w Wikipedii
jeśli ograniczymy się do obecnej technologii rakietowej, Ukończenie podróży z ziemi do najbliższego układu słonecznego poza naszym własnym zajmie dziesiątki tysięcy lat. Ale ogromny postęp w technologiach napędowych jest w zasięgu ręki i może skrócić tę podróż do jednego ludzkiego życia. Jeśli opanujemy użycie paliwa jądrowego, kosmicznych macierzy laserowych, antymaterii, a nawet ciemnej materii, moglibyśmy zrealizować nasze marzenie o zostaniu cywilizacją Kosmiczną bez odwoływania się do technologii łamiących fizykę, takich jak napęd warp.
istnieje wiele potencjalnych możliwości, aby przekształcić to, co już zostało udowodnione jako naukowo uzasadnione, w wykonalną, wykonalną technologię napędową nowej generacji. Pod koniec wieku istnieje możliwość, że statek kosmiczny, który nie został jeszcze zaprojektowany, wyprzedzi misje New Horizons, The Pioneer i Voyager jako najbardziej odległe obiekty od Ziemi. Nauka już tam jest. Do nas należy wyjście poza ograniczenia naszych obecnych technologii i urzeczywistnienie tego marzenia.
Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.