lovitura spectaculoasă a fost luată de la hangar AF pe stația Forțelor Aeriene Cape Canaveral, cu o navă solidă de recuperare a rachetelor în prim-plan. Pentru toată istoria noastră de pe Pământ, singurul mod în care am ajuns vreodată în spațiu este prin utilizarea combustibililor chimici.
NASA
De când ființele umane au privit cerul nopții, am visat să vizităm alte lumi și să vedem cu adevărat ce este acolo în univers. În timp ce rachetele noastre chimice ne-au dus la o multitudine de planete, luni și alte corpuri din Sistemul Solar, cea mai îndepărtată navă spațială lansată vreodată de umanitate — Voyager 1 — se află la doar 22,3 miliarde de kilometri (13,9 miliarde de mile) de pământ: doar 0,056% din Distanța până la cel mai apropiat sistem stelar cunoscut. Cu tehnologia actuală, ar fi nevoie de aproape 100.000 de ani pentru a călători într-un alt sistem stelar.
dar nu este nevoie să ne limităm la a face lucrurile așa cum le facem acum. Cu tehnologia potrivită, am putea îmbunătăți foarte mult cât de eficient este să obținem o masă utilă mare, poate chiar una care să transporte oameni la bord, la distanțe fără precedent în univers. În special, există patru tehnologii care au potențialul de a ne duce la stele pe intervale de timp mult mai scurte. Iată cum.
testarea în 1967. Această rachetă este alimentată de Conversia masă / energie și este susținută de faimoasa ecuație E=mc^2. Deși acest concept nu a dus niciodată la o rachetă de succes, ar putea fi viitorul călătoriei spațiale interstelare.
ECF (Experimental Engine Cold Flow) experimental nuclear rocket engine, NASA, 1967
1.) Opțiunea nucleară. În acest moment al istoriei umane, fiecare rachetă pe care am lansat-o vreodată în spațiu are un lucru în comun: a fost propulsată de combustibil chimic. Da, combustibilul pentru rachete este un amestec special de combustibili chimici conceput pentru a maximiza forța, dar partea „combustibil chimic” este foarte importantă: afirmă că reacțiile care îl alimentează se bazează pe rearanjarea legăturilor dintre diferiți atomi pentru a furniza energie.
Acest lucru este fundamental limitativ! Pentru un atom, majoritatea covârșitoare a masei sale se află în nucleul atomului: 99,95%. Când te angajezi într-o reacție chimică, electronii care orbitează atomii se rearanjează, eliberând de obicei undeva în jur de 0,0001% din masa totală a atomilor implicați sub formă de energie, prin celebra ecuație a lui Einstein: E = mc2. Asta înseamnă că, pentru fiecare 1 kilogram de combustibil pe care îl încărcați cu racheta, veți obține doar echivalentul energetic al undeva în stadionul de 1 miligram de masă din reacție.
facilitatea reprezintă primul pas în creșterea energiei fasciculelor laser pe măsură ce se îndreaptă spre camera țintă. NIF a obținut recent o lovitură de 500 terawatt – de 1.000 de ori mai multă putere decât Statele Unite utilizează în orice moment. Fuziunea nucleară este de mii de ori mai eficientă decât orice reacție chimică.
Damien Jemison/LLNL
dar dacă ai merge cu un combustibil nuclear, povestea se schimbă dramatic. În loc să vă bazați pe schimbarea modului în care electronii sunt configurați și a modului în care atomii sunt legați împreună, ați putea elibera cantități relativ enorme de energie modificând modul în care nucleele atomice sunt legate între ele. Când împărțiți un atom de uraniu bombardându-l cu un neutron, acesta emite o cantitate enormă de energie în comparație cu orice reacție chimică: 1 kilogram de combustibil U-235 poate elibera echivalentul energetic de 911 miligrame de masă, un factor de ~1000 de ori mai eficient decât combustibilii pe bază de substanțe chimice.
dacă ar fi să stăpânim fuziunea nucleară, cum ar fi cu un sistem de fuziune inerțială care era capabil să fuzioneze hidrogenul în heliu-aceeași reacție în lanț care are loc la soare — am putea deveni și mai eficienți. Fuzionarea a 1 kilogram de combustibil hidrogen în heliu ar transforma 7,5 grame de masă în energie pură, făcându-l de aproape 10.000 de ori mai eficient decât combustibilii pe bază de substanțe chimice.
cheia este că am putea realiza aceleași accelerații pentru o rachetă pentru perioade mult mai lungi de timp: sute sau chiar mii de ori mai lungi, ceea ce ne permite să atingem viteze de sute sau mii de ori mai mari decât ating astăzi rachetele convenționale. Ar putea reduce timpul de călătorie interstelar la doar secole sau poate chiar decenii. Este o cale promițătoare care ar putea fi realizabilă, în funcție de modul în care se dezvoltă tehnologia, înainte de a ajunge în anul 2100.
laser array lovind și accelerând o navă spațială relativ mare, cu masă redusă. Acest lucru are potențialul de a accelera obiectele nevii la viteze care se apropie de viteza luminii, făcând posibilă o călătorie interstelară într-o singură viață umană.
grupul de Cosmologie experimentală UCSB 2016
2.) O matrice laser bazată pe spațiu. Aceasta a fost ideea principală din spatele conceptului „Breakthrough Starshot” care a câștigat notorietate în urmă cu câțiva ani și rămâne un concept interesant. În timp ce navele spațiale convenționale se bazează pe aducerea propriului combustibil la bord și cheltuirea acestuia pentru a se auto-accelera, ideea cheie în joc Aici este că o matrice laser mare, de mare putere, ar oferi forța necesară unei nave spațiale externe. Cu alte cuvinte, sursa tracțiunii ar fi separată de nava spațială în sine.
acesta este un concept fascinant și unul revoluționar în multe feluri. Tehnologia Laser devine cu succes nu numai mai puternică, dar și mai mult colimată, ceea ce înseamnă că dacă putem proiecta un material asemănător unei pânze care ar putea reflecta un procent suficient de mare din acea lumină laser, am putea folosi acea explozie laser pentru a accelera o navă spațială la viteze enorme departe de sursa matricei noastre. Un „starchip” de ~1 gram de masă ar putea ajunge la ~20% viteza luminii, ceea ce i-ar permite să ajungă la Proxima Centauri, cea mai apropiată stea a noastră, în doar 22 de ani.
starship, are potențialul de a accelera o navă spațială la aproximativ 20% din viteza luminii și de a ajunge la o altă stea în timpul vieții umane. Este posibil ca, cu suficientă putere, să putem trimite chiar și o navă spațială care transportă echipaj pentru a parcurge distanțele interstelare.
Breakthrough Starshot
sigur, va trebui să construim o matrice laser extraordinară: aproximativ 100 de kilometri pătrați de lasere, și ar trebui să o facem în spațiu, dar asta e o problemă de cost, nu știință sau tehnologie. Dar există probleme tehnologice care trebuie depășite pentru ca acest lucru să funcționeze, inclusiv:
- o velă neacceptată va începe să se rotească și necesită un fel de mecanism de stabilizare (nedezvoltat),
- faptul că nu există nicio modalitate de a decelera odată ce ajungeți la destinație, deoarece nu există combustibil la bord,
- și chiar dacă ați putea să-l măriți pentru a transporta oamenii, accelerațiile ar fi mult prea mari — necesitând o schimbare mare a vitezei într — un timp scurt-pentru ca un om să supraviețuiască.
această tehnologie ar putea, probabil, într-o zi să ne ducă la stele, dar un plan de succes pentru a duce oamenii până la ~20% viteza luminii nu a ieșit încă.
din energia pură este o reacție complet reversibilă (dreapta), cu materia / antimateria anihilând înapoi la energia pură. Știm cum să creăm și să distrugem antimateria, folosind Materia împreună cu ea pentru a recupera energia pură într-o formă utilizabilă, cum ar fi fotonii.
Dmitri Pogosyan/Universitatea din Alberta
3.) Combustibil antimaterie. Dacă vom aduce combustibil cu noi, am putea la fel de bine să-l facem cel mai eficient combustibil posibil: anihilările materie-antimaterie. În loc de combustibili chimici sau chiar nucleari, unde doar o parte din masa adusă la bord este transformată în energie, o anihilare materie-antimaterie ar transforma 100% din masa materiei și a antimateriei în energie. Aceasta este cea mai mare eficiență pentru combustibil: perspectiva de a transforma totul în energie care ar putea fi folosită pentru împingere.
dificultatea vine doar în practică și, în special, pe trei fronturi:
- crearea de antimaterie stabilă și neutră,
- capacitatea de a o izola de materia normală și de a o controla cu precizie,
- și de a o produce în cantități suficient de mari încât să poată fi utilă pentru călătoriile interstelare.
destul de interesant, primele două provocări sunt deja depășite.
E. Siegel
la CERN, casa Large Hadron Collider, există un complex enorm cunoscut sub numele de „fabrica de antimaterie”, unde cel puțin șase echipe separate cercetează diferitele proprietăți ale antimateriei. Ei iau antiprotoni și îi încetinesc, forțând pozitronii să se lege cu ei: creând anti-atomi sau antimaterie neutră.
ei limitează acești anti-atomi într-un vas cu câmpuri electrice și magnetice alternante, care îi fixează efectiv în poziție, departe de pereții containerului care sunt făcuți din materie. În acest moment, la mijlocul anului 2020, au izolat cu succes și au menținut mai mulți anti-atomi stabili timp de aproape o oră în același timp. La un moment dat, în următorii câțiva ani, vor fi suficient de buni pentru a putea măsura, pentru prima dată, dacă antimateria cade în sus sau în jos într-un câmp gravitațional.
nu este neapărat o tehnologie pe termen scurt, dar ar putea ajunge să fie cel mai rapid mijloc de călătorie interstelară dintre toate: o rachetă condusă de antimaterie.
combustibil, dar dacă s-ar crea un motor de materie întunecată, combustibilul nou se găsește întotdeauna pur și simplu călătorind prin galaxie. Deoarece materia întunecată nu interacționează cu materia normală (mai ales), ci trece chiar prin ea, nu ați avea nicio dificultate să o colectați într-un anumit volum de spațiu; ar fi întotdeauna acolo pe măsură ce vă deplasați prin galaxie.
NASA/MSFC
4.) O navă spațială alimentată de materie întunecată. Aceasta, desigur, se bazează pe o presupunere despre orice particulă este responsabilă pentru materia întunecată: că se comportă ca un boson, făcându-l propria antiparticulă. În teorie, materia întunecată care este propria sa antiparticulă va avea o șansă mică, dar diferită de zero, de anihilare cu orice altă particulă de materie întunecată cu care se ciocnește, eliberând energie pe care am putea să o folosim în acest proces.
există unele dovezi potențiale pentru acest lucru, deoarece nu numai Calea Lactee, ci și alte galaxii sunt observate ca având un exces inexplicabil de raze gamma provenind din centrele lor galactice, unde densitatea materiei întunecate ar trebui să fie cea mai mare. Este întotdeauna posibil să existe o explicație astrofizică banală pentru acest lucru — cum ar fi pulsarii-dar este, de asemenea, posibil ca materia întunecată să se anihileze cu ea însăși în centrele galaxiilor, aducând o posibilitate incredibilă: o navă spațială alimentată cu materie întunecată.
halo enorm, difuz de materie întunecată, indicând faptul că trebuie să existe materie întunecată care curge prin sistemul solar. Deși încă nu am detectat direct materia întunecată, prezența sa abundentă în galaxia noastră și dincolo de ea ar putea oferi o rețetă perfectă pentru combustibilul perfect pentru rachete imaginabil.
Robert Caldwell& Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
avantajul acestui lucru este că materia întunecată este literalmente peste tot în întreaga galaxie, ceea ce înseamnă că nu ar trebui să luăm combustibil cu noi într-o călătorie către oriunde am mers. În schimb, un „reactor” de materie întunecată ar putea pur și simplu:
- ia orice materie întunecată sa întâmplat să treacă în ea,
- fie facilita anihilarea sau lăsați-l anihila natural,
- și redirecționa de evacuare pentru a atinge forța de tracțiune în orice direcție ne-am dorit,
și am putea controla dimensiunea și amploarea reactorului pentru a obține rezultatele dorite.
fără a fi nevoie să transportați combustibil la bord, multe dintre problemele călătoriei spațiale bazate pe propulsie ar deveni non-probleme. În schimb, am fi capabili să realizăm visul suprem al călătoriei: accelerarea constantă nelimitată. Din perspectiva navei spațiale în sine, aceasta ar deschide una dintre cele mai imaginative posibilități dintre toate, capacitatea de a ajunge în orice locație din univers într-o singură viață umană.
destinație dacă accelerează la o rată constantă a gravitației suprafeței Pământului. Rețineți că, având suficient timp la o accelerație de 1g, puteți ajunge în orice locație din univers într-o singură viață umană.
P. Fraundorf la Wikipedia
dacă ne limităm la tehnologia actuală a rachetelor, va dura zeci de mii de ani — cel puțin — pentru a finaliza o călătorie de la pământ la cel mai apropiat sistem solar dincolo de al nostru. Dar progresele enorme în tehnologiile de propulsie sunt la îndemână și ar putea reduce această călătorie într-o singură viață umană. Dacă putem stăpâni utilizarea combustibilului nuclear, a matricelor laser spațiale, a antimateriei sau chiar a materiei întunecate, am putea realiza visul nostru de a deveni o civilizație spațială fără a invoca tehnologii care distrug fizica, cum ar fi motorul warp.
există multiple căi potențiale de a transforma ceea ce s-a demonstrat deja ca fiind valabil din punct de vedere științific într-o tehnologie de propulsie fezabilă, viabilă, de generație următoare. Până la sfârșitul secolului, este absolut posibil ca o navă spațială care nu a fost încă proiectată să depășească misiunile New Horizons, Pioneer și Voyager ca fiind cele mai îndepărtate obiecte de pe Pământ. Știința este deja acolo. Depinde de noi să privim dincolo de limitările tehnologiilor noastre actuale și să realizăm acest vis.
Urmați-mă pe Twitter. Check out site-ul meu sau o parte din alte munca mea aici.