spektakulära strimma skott togs från Hangar AF på Cape Canaveral Air Force Station, med en solid raket booster hämtning fartyg i förgrunden. För hela vår historia på jorden är det enda sättet vi någonsin har nått rymden genom att använda kemiska baserade bränslen.
NASA
så länge människor har tittat på natthimlen har vi drömt om att besöka andra världar och verkligen se vad som finns där ute i universum. Medan våra kemiska baserade raketer har tagit oss till en myriad av planeter, månar och andra kroppar i solsystemet, är den längsta rymdfarkosten som någonsin lanserats av mänskligheten — Voyager 1 — bara 22, 3 miljarder kilometer (13, 9 miljarder miles) från jorden: bara 0, 056% av avståndet till det närmaste kända stjärnsystemet. Med nuvarande teknik skulle det ta nära 100 000 år att resa till ett annat stjärnsystem.
men det finns ingen anledning att begränsa oss till att göra saker som vi gör dem just nu. Med rätt teknik kan vi avsevärt förbättra hur effektivt det är att få en stor nyttolastmassa, kanske till och med en som transporterade människor ombord, till oöverträffade avstånd över universum. I synnerhet finns det fyra tekniker som har potential att ta oss till stjärnorna på mycket kortare tidsskalor. Här är hur.
testning 1967. Denna raket drivs av massa/energiomvandling och stöds av den berömda ekvationen E=mc^2. Även om detta koncept aldrig har lett till en framgångsrik raket, kan det vara framtiden för interstellära rymdresor.
ECF (experimentell Motor kallt flöde) experimentell nukleär raketmotor, NASA, 1967
1.) Kärnvapenalternativet. Vid denna tidpunkt i mänsklig historia har varje raket som vi någonsin har lanserat i rymden en sak gemensamt: den har drivits av kemiskt baserat bränsle. Ja, raketbränsle är en speciell blandning av kemiska bränslen som är utformade för att maximera dragkraft, men ”kemiskt bränsle” – delen är mycket viktigt: det står att reaktionerna som driver det är beroende av omarrangering av bindningar mellan olika atomer för att ge energi.
detta är fundamentalt begränsande! För en atom är den överväldigande majoriteten av dess massa i atomens kärna: 99,95%. När du engagerar dig i en kemisk reaktion, blir elektronerna som kretsar runt atomerna omarrangerade, vilket vanligtvis släpper någonstans runt 0,0001% av den totala massan av de atomer som är involverade i form av energi, via Einsteins berömda ekvation: E = mc2. Det betyder att för varje 1 kilo bränsle du laddar upp din raket med, får du bara energiekvivalenten någonstans i ballparken på 1 milligram massa ur reaktionen.
Facility är det första steget i att öka laserstrålarnas energi när de tar sig mot målkammaren. NIF uppnådde nyligen ett 500 terawatt-skott – 1000 gånger mer kraft än USA använder när som helst. Kärnfusion är tusentals gånger effektivare än någon kemisk baserad reaktion.
Damien Jemison/LLNL
men om du gick med ett kärnbaserat bränsle förändras den historien dramatiskt. Istället för att förlita sig på att ändra hur elektroner konfigureras och hur atomer är bundna ihop, kan du släppa relativt enorma mängder energi genom att ändra hur atomkärnor själva är bundna till varandra. När du delar upp en Uranatom genom att bombardera den med en neutron, avger den en enorm mängd energi jämfört med någon kemisk baserad reaktion: 1 kilo U-235-bränsle kan frigöra energiekvivalenten på 911 milligram massa, en faktor på ~1000 gånger effektivare än kemiska baserade bränslen.
om vi skulle behärska kärnfusion istället, till exempel med ett tröghets-inneslutningssystem som kunde smälta väte till helium — samma kedjereaktion som äger rum i solen — kunde vi bli ännu effektivare. Att smälta 1 kilo vätebränsle till helium skulle göra 7,5 gram massa till ren energi, vilket gör det nästan 10 000 gånger så effektivt som kemiskt baserade bränslen.
nyckeln är att vi skulle kunna uppnå samma accelerationer för en raket under mycket längre tidsperioder: hundratals eller till och med tusentals gånger så länge, vilket gör att vi kan nå hastigheter hundratals eller tusentals gånger större än konventionella raketer uppnår idag. Det kan skära den interstellära restiden ner till bara århundraden eller kanske till och med årtionden. Det är en lovande väg som kan uppnås, beroende på hur tekniken utvecklas, innan vi träffar år 2100.
laser array slående och påskynda en relativt stor yta, låg massa rymdfarkoster. Detta har potential att accelerera icke-levande föremål till hastigheter som närmar sig ljusets hastighet, vilket gör en interstellär resa möjlig inom en enda mänsklig livstid.
2016 UCSB experimentell kosmologi grupp
2.) En rymdbaserad laser array. Detta var huvudtanken bakom” Breakthrough Starshot ” – konceptet som blev känt för några år sedan, och det är fortfarande ett spännande koncept. Medan konventionella rymdfarkoster förlitar sig på att föra sitt eget bränsle ombord och förbruka det för att självaccelerera, är den viktigaste tanken att spela här att en stor, högdriven laseruppsättning skulle ge den nödvändiga kraften till en extern rymdfarkost. Med andra ord skulle källan till drivkraften vara skild från rymdfarkosten själv.
detta är ett fascinerande koncept, och ett revolutionerande koncept på många sätt. Lasertekniken blir framgångsrikt inte bara kraftfullare, men också mer kollimerad, vilket innebär att om vi kan konstruera ett segelliknande material som kan återspegla en tillräckligt hög andel av det laserljuset, kan vi använda den laserblasten för att accelerera en rymdfarkost till enorma hastigheter bort från källan till vår array. En ~1 gram-massa ”starchip” kan tänkas nå ~20% ljusets hastighet, vilket skulle göra det möjligt att komma fram till Proxima Centauri, vår närmaste stjärna, på bara 22 år.
starship, har potential att accelerera en rymdfarkost till cirka 20% ljusets hastighet och nå en annan stjärna inom en mänsklig livstid. Det är möjligt att med tillräckligt med kraft kan vi till och med skicka ett besättningsbärande rymdskepp för att spänna över de interstellära avstånden.
genombrott Starshot
Visst, vi måste bygga en enorm laseruppsättning: om 100 kvadratkilometer värde av lasrar, och vi skulle behöva göra det i rymden, men det är ett problem med kostnad, inte vetenskap eller teknik. Men det finns tekniska problem som måste övervinnas för att detta ska fungera, inklusive:
- ett segel som inte stöds börjar rotera och kräver någon form av (outvecklad) stabiliseringsmekanism,
- det faktum att det inte finns något sätt att retardera när du gör det till din destination, eftersom det inte finns något bränsle ombord,
- och även om du kunde skala upp det för att transportera människor, skulle accelerationerna vara alltför stora-vilket kräver en stor hastighetsförändring under en kort tid — för att en människa ska överleva.
denna teknik kan kanske en dag ta oss till stjärnorna, men en framgångsrik plan att ta människor upp till ~20% ljusets hastighet har ännu inte kommit ut.
från ren energi är en helt reversibel reaktion (höger), med materia/antimateria som förintar tillbaka till ren energi. Vi vet hur man skapar och förstör antimateria, med hjälp av materia tillsammans med den för att återvinna ren energi i en användbar form, såsom fotoner.
Dmitri Pogosyan / University of Alberta
3.) Antimatterbränsle. Om vi ska ta med bränsle med oss, kan vi lika bra göra det till det mest effektiva bränslet möjligt: materia-antimateria-annihilations. I stället för kemiskt baserade eller till och med kärnbaserade bränslen, där endast en del av massan ombord omvandlas till energi, skulle en materia-antimateriaförintelse omvandla 100% av massan av både materia och antimateria till energi. Detta är den ultimata effektiviteten för bränsle: utsikterna att omvandla allt till energi som kan användas för dragkraft.
svårigheten kommer endast i praktiken, och i synnerhet på tre fronter:
- skapandet av stabil, neutral antimateria,
- förmågan att isolera den från normal Materia och exakt kontrollera den,
- och att producera den i tillräckligt stora mängder att det kan vara användbart för interstellär resa.
spännande nog är de två första utmaningarna redan övervunna.
laddade antimaterialpartiklar samlas och kan bilda antingen positiva joner, neutrala atomer eller negativa joner, beroende på antalet positroner som binder med ett antiproton. Om vi lyckas fånga och lagra antimateria skulle det representera en 100% effektiv bränslekälla, men många ton antimateria, i motsats till de små fraktionerna av ett gram som vi har skapat, skulle krävas för en interstellär resa.
E. Siegel
på CERN, hemmet för Large Hadron Collider, finns det ett enormt komplex som kallas ”antimatterfabriken”, där minst sex separata lag undersöker de olika egenskaperna hos antimatter. De tar antiprotoner och saktar ner dem och tvingar positroner att binda med dem: skapa antiatomer eller neutral antimateria.
de begränsar dessa antiatomer i ett kärl med alternerande elektriska och magnetiska fält, som effektivt stiftar dem på plats, bort från behållarväggarna som är gjorda av materia. Vid denna tidpunkt, mitten av 2020, har de framgångsrikt isolerat och hållit stabila flera antiatomer i nästan en timme samtidigt. Vid någon tidpunkt inom de närmaste åren kommer de att vara tillräckligt bra för att de för första gången kan mäta om antimateria faller upp eller ner i ett gravitationsfält.
det är inte nödvändigtvis en kortsiktig teknik, men det kan sluta vara vårt snabbaste sätt att interstellära resor av alla: en antimatterdriven raket.
bränsle, men om en mörk materia-motor skapades, kan nytt bränsle alltid hittas helt enkelt genom att resa genom galaxen. Eftersom mörk materia inte interagerar med normal Materia (mestadels) men passerar rakt igenom det, skulle du inte ha några svårigheter att samla in det i en viss rymdvolym; det skulle alltid vara där när du rörde dig genom galaxen.
NASA / MSFC
4.) En rymdfarkost som drivs av mörk materia. Den här är visserligen beroende av ett antagande om vilken partikel som är ansvarig för mörk materia: att den beter sig som en boson, vilket gör den till sin egen antipartikel. I teorin kommer mörk materia som är sin egen antipartikel att ha en liten men icke-noll chans att utplåna med någon annan mörk materiepartikel som den kolliderar med, vilket frigör energi som vi potentiellt kan utnyttja i processen.
det finns några potentiella bevis för detta, eftersom inte bara Vintergatan utan även andra galaxer observeras ha ett oförklarligt överskott av gammastrålar som kommer från deras galaktiska centra, där den mörka materiens densitet borde vara störst. Det är alltid möjligt att det finns en vardaglig astrofysisk förklaring till detta — som pulsarer — men det är också möjligt att mörk materia förintar sig själv i galaxernas centrum, vilket ger en otrolig möjlighet: en mörk materia-driven rymdfarkost.
enorm, diffus mörk materia halo, vilket indikerar att det måste finnas mörk materia som strömmar genom solsystemet. Även om vi ännu inte har upptäckt mörk materia direkt, kan dess rikliga närvaro i hela vår galax och bortom ge ett perfekt recept på det perfekta raketbränslet som kan tänkas.
Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Nature 458, 587-589 (2009)
fördelen med detta är att mörk materia är bokstavligen överallt i hela galaxen, vilket innebär att vi inte skulle behöva ta bränsle med oss på en resa till vart vi än gick. Istället kan en mörk materia ”reaktor” helt enkelt:
- ta vad mörk materia råkade passera inom den,
- antingen underlätta dess förintelse eller låt den förintas naturligt,
- och omdirigera avgaserna för att uppnå dragkraft i vilken riktning vi önskade,
och vi kunde kontrollera reaktorns storlek och storlek för att uppnå de önskade resultaten.
utan behovet av att transportera bränsle ombord skulle många av problemen med framdrivningsdrivna rymdresor bli icke-problem. Istället skulle vi kunna uppnå den ultimata drömmen om resor: obegränsad konstant acceleration. Ur rymdskeppets perspektiv skulle detta öppna upp en av de mest fantasifulla möjligheterna för alla, förmågan att nå vilken plats som helst i universum inom en enda mänsklig livstid.
destination om den accelererar med en konstant hastighet av jordens yta gravitation. Observera att med tillräckligt med tid vid en acceleration på 1g kan du nå vilken plats som helst i universum inom en enda mänsklig livstid.
P. Fraundorf på Wikipedia
om vi begränsar oss till nuvarande raketteknik kommer det att ta tiotusentals år — åtminstone — att slutföra en resa från jorden till närmaste solsystem bortom vårt eget. Men enorma framsteg inom framdrivningsteknik är inom räckhåll och kan minska den resan till inom en enda mänsklig livstid. Om vi kan behärska användningen av kärnbränsle, spaceborne-laserarrayer, antimateria eller till och med mörk materia, kan vi förverkliga vår dröm om att bli en rymdfarandecivilisation utan att åberopa fysikbrytande tekniker som warp drive.
det finns flera potentiella vägar för att göra det som redan har visats som vetenskapligt giltigt till en genomförbar, livskraftig nästa generations framdrivningsteknik. I slutet av seklet är det absolut en möjlighet att en rymdfarkost som inte har designats ännu kommer att ta över New Horizons, Pioneer och Voyager-uppdrag som de mest avlägsna föremålen från jorden. Vetenskapen finns redan där. Det är upp till oss att se bortom begränsningarna i vår nuvarande teknik och förverkliga denna dröm.
Följ mig på Twitter. Kolla in min hemsida eller något av mitt andra arbete här.