Valamennyien feltettük ezt a kérdést az életünk valamikor: Mennyi időbe telik a csillagokba utazás? Lehetséges, hogy az egyén életében él, és vajon ez az utazás válhat-e normává? Sok lehetséges válasz van erre a kérdésre - néhány nagyon egyszerű, mások a tudományos fantasztika birodalmában. Átfogó választ adva azonban sok mindent figyelembe kell venni.
Sajnos minden reális értékelés olyan válaszokat eredményez, amelyek teljes mértékben elriasztanák a futuristákat és a csillagközi utazás rajongóit. Tetszik vagy sem, a hely nagyon nagy, és technológiánk továbbra is nagyon korlátozott. De ha valaha is fontolóra vesszük a „fészek elhagyását”, akkor számos lehetőséget kínálunk a galaxisunk legközelebbi Naprendszeréhez való eljutáshoz.
A Földhez legközelebbi csillag a Napunk, amely meglehetősen „átlagos” csillag a Hertzsprungban - Russell Diagram „Fő szekvenciája”. Ez azt jelenti, hogy rendkívül stabil, és a Földnek csak a megfelelő típusú napfényt nyújtja ahhoz, hogy az élet fejlődhessen a bolygónkon. Tudjuk, hogy vannak olyan bolygók, amelyek más csillagokat keringnek a Naprendszerünk közelében, és ezek közül sok csillag hasonló a miénkhez.
A jövőben, ha az emberiség el akarja hagyni a Naprendszert, hatalmas csillagválasztékot választhatunk, ahova utazhatunk, és sokuknak megvannak a megfelelő körülményei az élet fejlődéséhez. De hova mennénk, és mennyi ideig tart volna ahhoz, hogy odaérjünk? Ne feledje, ez mind spekulatív, és jelenleg nincs referenciaérték a csillagközi utakon. Ennek ellenére, itt megyünk!
Legközelebbi csillag:
Mint már említettem, a Naprendszerünk legközelebbi csillaga a Proxima Centauri, ezért van értelme először egy csillagközi csillag küldetését e rendszerrel ábrázolni. Az Alpha Centauri nevű hármas csillagrendszer részeként a Proxima körülbelül 4,24 fényév (vagyis 1,3 parsek) van a Földtől. Az Alpha Centauri valójában a rendszer három legfényesebb csillaga - a Földtől szorosan keringő bináris 4,37 fényév körüli része -, míg a Proxima Centauri (a három közül a legtűnőbb) egy elszigetelt vörös törpe, körülbelül 0,13 fényévnyire a binárisról. .
És bár a csillagközi utazás a Faster-Than-Light (FTL) utazás mindenféle látását felidézi, kezdve a lánc sebességétől és a féreglyukaktól az ugróhajtásokig, az ilyen elméletek vagy nagyon spekulatívak (például az Alcubierre meghajtó), vagy teljesen a tudomány tartománya. kitaláció. Minden valószínűség szerint minden mélyre ható küldetés generációt igényel, és nem néhány nap vagy egy pillanatnyi villanás.
Tehát, kezdve az űrutazás egyik leglassabb formájával, mennyi ideig tart eljutni a Proxima Centauri-ba?
Jelenlegi módszerek:
A Naprendszerünkben létező technológiákkal és testekkel való foglalkozás során kissé könnyebb az a kérdés, mennyi ideig tartana eljutni valahol az űrbe. Például, a New Horizons küldetését hajtó technológiát használva - amely 16 hidrazin-monopropellel ellátott tolóerőt tartalmazott - a Hold elérése mindössze 8 órát és 35 percet vesz igénybe.
Másrészt van az Európai Űrügynökség (ESA) SMART-1 küldetése, amely időigényes időt vetett a Holdra az ionos meghajtás módszerével. Ezzel a forradalmian új technológiával, amelynek egyik változatát azóta a Dawn űrhajó használta a Vesta eléréséhez, a SMART-1 küldetése egy év, egy hónap és két héttel telt el a hold eléréséhez.
Tehát, a gyors rakétaüzemű űrhajóktól a gazdaságos ionmeghajtóig, van néhány lehetőségünk a helyi űr megkerülésére - plusz a Jupiter vagy a Saturn felhasználhatjuk egy izmos gravitációs csúcsképhez. Ha azonban egy kicsit távol eső küldetésekre gondolnánk, akkor méreteznünk kellene technológiánkat, és meg kellene vizsgálnunk, mi az igazán lehetséges.
A lehetséges módszerek megfogalmazásakor azokról beszélünk, amelyek bevonják a meglévő technológiát, vagy azokat, amelyek még nem léteznek, de műszakilag megvalósíthatók. Néhányan, amint látni fogod, időben tiszteletreméltó és bevált, míg mások megjelennek vagy még mindig a fórumon vannak. Szinte minden esetben bemutatnak egy lehetséges (de rendkívül időigényes vagy drága) forgatókönyvet a legközelebbi csillagok eléréséhez ...
Ionos meghajtás:
Jelenleg a meghajtás leglassabb és leginkább üzemanyag-takarékos módja az ionmotor. Néhány évtizeddel ezelőtt az ionos meghajtást a tudományos fantastika tárgyának tekintették. Az utóbbi években azonban az ionmotorok támogatására szolgáló technológia nagymértékben elmozdult az elmélettől a gyakorlatig. Az ESA SMART-1 küldetése például sikeresen befejezte a holdi küldetését, miután egy 13 hónapos spirális utat tett a Földről.
A SMART-1 napenergiával működtetett ionhajtóműveket használt, ahol az elektromos energiát a napelemektől gyűjtötték be és felhasználták a Hall-effektus működtetésére. Mindössze 82 kg xenon hajtóanyagot használták az SMART-1 mozgatásához a Holdra. 1 kg xenon hajtógáz delta-v értéke 45 m / s volt. Ez a meghajtás rendkívül hatékony formája, de egyáltalán nem gyors.
Az ionhajtó technológia alkalmazásának egyik első küldetése a Deep Space 1 A DS1 xenon-meghajtású ionmeghajtót is használt, 81,5 kg hajtóanyagot fogyasztva. Több mint 20 hónapos tolóerő alatt a DS1-nek sikerült 56 000 km / h (35 000 mérföld / óra) sebességet elérnie az üstökös repülése közben.
Az ionos tolóerő ezért gazdaságosabb, mint a rakétatechnika, mivel a hajtóanyag tömegegységenkénti tolóerő (fajlagos impulzus) sokkal nagyobb. De hosszú időbe telik, amíg az ionhajtóművek felgyorsítják az űrhajókat bármilyen nagy sebességre, és a maximális sebesség, amelyet elérni tud, az üzemanyag-ellátástól és az előállított villamos energia mennyiségétől függ.
Tehát ha az ionos meghajtást a Proxima Centauri-ba irányuló küldetéshez használnák, akkor a tolóerõknek hatalmas energiatermelési forrásra (azaz atomenergiára) és nagy mennyiségû hajtóanyagra lenne szükségük (bár még mindig kevesebb, mint a hagyományos rakétáknál). De azon a feltételezésen alapul, hogy 81,5 kg xenon hajtóanyag szállítása maximális sebességet eredményez 56 000 km / h sebességnél (és hogy nem áll rendelkezésre más meghajtási forma, például gravitációs csúzli, hogy tovább gyorsítsuk), néhány számítás tenni.
Röviden, maximális sebessége 56 000 km / h, Deep Space 1 átveszi 81.000 év hogy áthaladjon a 4,24 fényév a Föld és a Proxima Centauri között. Ha ezt az időtartamot perspektívaként nézzük meg, akkor ez több mint 2700 ember nemzedék. Tehát biztonságos azt mondani, hogy a bolygóközi ionmotoros küldetés túlságosan lassú lenne ahhoz, hogy figyelembe lehessen venni a személyzettel ellátott csillagköziközi küldetésnél.
De ha az ion tolóerő nagyobbé és erősebbé válik (azaz az ionkibocsátási sebességnek jelentősen nagyobbnak kell lennie), és elegendő mennyiségű hajtóanyagot lehet vonni, hogy az űrhajó az egész 4,443 fényévú utazáson megy, az utazási idő nagyban megnőhet. csökkentett. Ennek ellenére mégsem elég ahhoz, hogy valaki életében megtörténjen.
Gravitációs segéd módszer:
Az űrutazás leggyorsabb módját Gravity Assist módszernek nevezik, amely egy űrhajót foglal magában, amely a bolygó relatív mozgását (vagyis pályáját) és gravitációjának megváltoztatását használja az út és a sebesség függvényében. A gravitációs segédeszközök nagyon hasznos űrrepülési technika, különösen akkor, ha a Földet vagy egy másik hatalmas bolygót (például egy gáz óriást) használnak a sebesség növelésére.
Az Mariner 10 az űrhajó volt az első, aki ezt a módszert alkalmazta, a Vénusz gravitációs vonzását használva, hogy 1974. februárjában felcsúsztassa a Merkúr felé. Az 1980-as években a Voyager 1 A szonda a Saturnot és a Jupitelt használta a gravitációs csúszóképekhez, hogy elérje jelenlegi 60 000 km / h (38 000 mérföld / óra) sebességét, és csillagközi térbe tegye.
Ez azonban az volt Helios 2 küldetés - amelyet 1976-ban indítottak a bolygóközi médium 0,3 AU-tól 1 AU-ig a Nap felé tartására -, amely a gravitációs segédprogrammal elért legnagyobb sebesség rekordját tartja. Akkor, Helios 1 (amely 1974 - ben indult) és Helios 2 tartotta a Naphoz való legközelebbi megközelítés rekordját. Helios 2 egy hagyományos NASA Titan / Centaur hordozógéppel indították, és egy nagyon elliptikus pályára helyezte.
A szonda nagy excentricitása (0,54) miatt a napi pálya (190 nap) a perihelionban, Helios 2 képes volt elérni a maximális sebességet, amely több mint 240 000 km / h (150 000 mérföld / óra) volt. Ezt a keringési sebességet csak a Nap gravitációs vonzása által értük el. Technikailag a Helios 2 A perihelion sebessége nem volt gravitációs csúzli, ez egy maximális orbitális sebesség, de még mindig megőrzi a rekordot, hogy függetlenül attól, hogy a leggyorsabb ember alkotta-e.
Tehát, ha Voyager 1 a vörös törpe Proxima Centauri irányába haladt állandó, 60 000 km / h sebességgel. 76 000 évre (vagy több mint 2500 generációra) lenne szükség ahhoz, hogy ezt a távolságot megtegye. De ha el tudja érni a Helios 2A Nap szoros megközelítése - állandó, 240 000 km / h sebesség mellett - ahhoz szükség lenne 19 000 év (vagy több mint 600 generáció) 4,243 fényév utazásához. Jelentősen jobb, de mégsem a gyakorlati élet területén.
Elektromágneses (EM) meghajtó:
A csillagközi utazás egy másik javasolt módja a rádiófrekvenciás (RF) rezonáns üreges vontató, az EM meghajtó néven is ismert. Ezt eredetileg 2001-ben Roger K. Shawyer, az Egyesült Királyság tudósának javaslata alapján, aki elindította a Satellite Propulsion Research Ltd-t (SPR), hogy megvalósítsa, ez a meghajtó azon az ötletre épül, hogy az elektromágneses mikrohullámú üregek lehetővé teszik az elektromos energia közvetlen átalakulását tolóerőké. .
Míg a hagyományos elektromágneses tolóberendezéseket egy bizonyos típusú tömeg (például ionizált részecskék) meghajtására tervezték, addig ez a meghajtó rendszer nem reagál a tömegre, és nem bocsát ki irányított sugárzást. Egy ilyen javaslat nagy szkepticizmussal fogadta el, elsősorban azért, mert megsérti a lendület megőrzésének törvényét - amely kimondja, hogy egy rendszeren belül a lendület mennyisége állandó, és nem keletkezik vagy sem pusztul el, hanem csak a erők.
A tervezéssel kapcsolatos legújabb kísérletek azonban nyilvánvalóan pozitív eredményeket hoztak. 2014 júliusában az 50-es AIAA / ASME / SAE / ASEE közös hajtókonferencián Clevelandben, Ohioban a NASA fejlett hajtómű-kutatóinak kutatói azt állították, hogy sikeresen kipróbálták az elektromágneses meghajtás új kialakítását.
Ezt 2015 áprilisában nyomon követték, amikor a NASA Eagleworks (a Johnson Űrközpont része) kutatói azt állították, hogy sikeresen tesztelték a hajtást vákuumban, jelezve, hogy valóban működhet az űrben. Ugyanazon év júliusában a Drezda Műszaki Egyetem Űrrendszer tanszékének kutatócsoportja elkészítette a motor saját változatát, és észlelhető nyomást észlelt.
És 2010-ben, Juan Yang professzor a Kína Xi'an-i Északnyugati Politechnikai Egyetemen egy sor cikket publikált az EM Drive technológia kutatásáról. Ez 2012-es tanulmányában érte el a csúcspontját, ahol magasabb bemeneti teljesítményről (2,5 kW) számolt be, és tesztelte a tolóerőt (720 mN). 2014-ben továbbá kiterjedt tesztekről számolt be a beágyazott hőelem belső hőmérsékletének mérésével, amelyek megerősítették a rendszer működését.
A NASA prototípusán alapuló számítások szerint (amely 0,4 N / kilowatt teljesítménybecslést eredményezett) egy EM-hajtással felszerelt űrhajó kevesebb, mint 18 hónap alatt eljuthat Plutonba. Ez egy hatodik idő, amíg a New Horizons érzékelő odajutott, amely közel 58 000 km / h (36 000 mph) sebességgel haladt.
Lenyűgözően hangzik. De még ilyen sebességgel is szükség lenne egy EM-motorokkal felszerelt hajóra 13 000 év hogy a hajó eljuthasson a Proxima Centauri felé. Közelebb kerülni, de nem elég gyorsan! és mindaddig, amíg a technológia nem bizonyítható működőképessé, nincs értelme tojásokat ebbe a kosárba helyezni.
Nukleáris hő / nukleáris elektromos meghajtás (NTP / NEP):
A csillagközi űrrepülés másik lehetősége nukleáris motorokkal felszerelt űrhajók használata - ezt a koncepciót a NASA évtizedek óta vizsgálja. Nukleáris termikus meghajtású (NTP) rakéta során urán vagy deutérium reakciókat használnak a folyékony hidrogén melegítésére a reaktoron belül, ionizált hidrogén gázzá (plazmává) alakítva, amelyet egy rakéta fúvókán keresztül vezetnek a tolóerő létrehozásához.
A nukleáris elektromos meghajtású (NEP) rakéta ugyanazt az alapreaktorot foglalja magában, amely hőjét és energiáját villamos energiává alakítja, amely azután elektromos motort táplál. Mindkét esetben a rakéta nukleáris hasadásra vagy fúzióra támaszkodna, hogy meghajtást generáljon, nem pedig kémiai hajtógázokat, amire a NASA és az összes többi űrügynökség alapját képezi.
A kémiai meghajtással összehasonlítva az NTP és a NEC számos előnyt kínál. Az első és legnyilvánvalóbb a gyakorlatilag korlátlan energiasűrűség, amelyet kínál a rakétaüzemanyaghoz képest. Ezenkívül egy nukleáris meghajtású motor a hajtóanyag mennyiségéhez viszonyítva nagyobb tolóerőt is képes nyújtani. Ez csökkentené a szükséges hajtóanyag mennyiségét, ezáltal csökkentené az indítás súlyát és az egyes küldetések költségeit.
Bár soha nem repültek nukleáris hőmotorok, az elmúlt évtizedekben számos tervezési koncepciót építettek és teszteltek, és számos koncepciót javasoltak. Ezek a hagyományos szilárdtest-kialakítástól - például a rakétajármű-nukleáris motort (NERVA) - egészen a fejlettebb és hatékonyabb koncepciókig terjednek, amelyek folyadék- vagy gázmagokra támaszkodnak.
Az üzemanyag-hatékonyság és a specifikus impulzus ezen előnyei ellenére a legkifinomultabb NTP koncepció maximális fajlagos impulzusa 5000 másodperc (50 kN · s / kg). A hasadással vagy a fúzióval hajtott nukleáris motorok felhasználásával a NASA tudósai úgy vélik, hogy csak 90 nap űrhajóra lenne szükség a Marsra jutáshoz, amikor a bolygó „ellenzéki” helyzetben lenne - vagyis olyan közel, mint 55 000 000 km-re a Földtől.
A Proxima Centauri felé vezető egyirányú utazáshoz igazítva azonban a nukleáris rakéta évszázadokig tartana, hogy felgyorsuljon arra a pontra, ahol a fénysebesség egy töredékét repülte. Ez több évtizedes utazási időt igényel, majd még sok évszázados késleltetés követi a rendeltetési hely elérése előtt. Mindent elmondva, még mindig beszélünk 1000 év mielőtt eléri a rendeltetési helyét. Jó bolygók közötti küldetésekhez, nem olyan jó, mint csillagközi.
Elméleti módszerek:
A meglévő technológia felhasználásával a tudósok és az űrhajósok csillagközi küldetésbe küldéséhez szükséges idő túlságosan lassú. Ha azt akarjuk, hogy ezt az utazást egyetlen életen át, vagy akár egy generáción belül megtegyük, valamire radikálisabbra (más néven nagyon elméleti) van szükség. És bár a féreglyukak és az ugrómotorok még mindig tisztán kitalálás lehetnek, vannak olyan meglehetősen fejlett ötletek, amelyeket az évek során fontolóra vettek.
Nukleáris impulzusmeghajtás:
A nukleáris impulzusmeghajtás a gyors űrutazás elméletileg lehetséges formája. E koncepciót eredetileg 1946-ban Stanislaw Ulam, a manhattani projektben részt vevő lengyel-amerikai matematikus javasolta, majd 1947-ben F. Reines és Ulam készítette az előzetes számításokat. A tényleges projektet - Project Orion néven - a 1958-ban és 1963-ig tartott.
Ted Taylor, az Általános Atomika vezetõje és Freeman Dyson fizikus, a Princetoni Fejlett Tanulmányok Intézetébõl, az Orion azt remélte, hogy kihasználja az impulzusos atomrobbanások erejét, hogy hatalmas tolóerõt biztosítson nagyon magas fajlagos impulzussal (azaz a tolóerõ súlyához vagy súlyához képest) az a másodperc, amelyet a rakéta folyamatosan lőhet).
Dióhéjban, az Orion kialakítása magában foglal egy nagy űrhajót, amelyben nagy mennyiségű hőtermelő atomfejű fej van, és amely meghajtást hajt végre, amikor bombát enged ki a háta mögött, majd a robbanáshullámot a hátsó helyzetbe helyezett, „tolónak” nevezett pad segítségével mozgatja. Minden robbantás után a robbanóerőt abszorbeálja ez a tolópad, amely ezután a tolóerőt lendületté alakítja.
Noha a modern szabványok szerint ez nem elegáns, a formatervezés előnye, hogy magas fajlagos impulzust ér el - azaz a lehető legkevesebb energiát nyeri ki az üzemanyag-forrásból (ebben az esetben a nukleáris bombákból). Ezenkívül a koncepció elméletileg nagyon nagy sebességet is elérhetne, néhány becslés szerint a ballpark-szám 5% -ánál nagyobb fénysebességet (vagy 5,4 × 107 km / óra).
De természetesen a tervezés elkerülhetetlen hátrányai is vannak. Egyrészt egy ilyen méretű hajó építése hihetetlenül drága lenne. A Dyson által 1968-ban elkészített becslések szerint egy Orion űrhajó, amely hidrogénbombákat használt meghajtáshoz, 400 000–4 000 000 metró tonna súlyú lenne. És ennek a tömegnek legalább háromnegyedét nukleáris bombák alkotják, amelyekben mindegyik harci fej súlya körülbelül 1 tonna.
A Dyson legkonzervatívabb becslései szerint egy Orion-vízi jármű építésének összköltsége 367 milliárd dollár volt. Az inflációhoz igazítva hozzávetőlegesen 2,5 trillió dollárra számít - ami az Egyesült Államok kormányának jelenlegi éves bevételének több mint kétharmadát teszi ki. Ennélfogva, még a legkönnyebb is, a kézműves gyártása rendkívül drága lenne.
Ugyancsak fennáll az általa generált sugárzás kis problémája, nem is beszélve a nukleáris hulladékról. Valójában ezen okból gondolják, hogy a projektet lezárták, mivel elfogadták az 1963. évi részleges vizsgálati tilalomról szóló szerződést, amely korlátozta a nukleáris kísérleteket és megakadályozta a nukleáris szennyeződés túlzott kibocsátását a bolygó légkörébe.
Fúziós rakéták:
A felhasznált nukleáris energia területén egy másik lehetőség olyan rakétákra vonatkozik, amelyek termikus nukleáris reakciókra támaszkodnak a tolóerő létrehozására. Ennek a koncepciónak az az energiája keletkezik, amikor a deutérium / hélium-3 keverék pelleteit egy reakciókamrában elektronsugár segítségével inerciális elzárással gyújtják be (hasonlóan a kaliforniai Nemzeti Gyújtóüzemhez). Ez a fúziós reaktor másodpercenként 250 pelletet robbant fel nagy energiájú plazma létrehozása céljából, amelyet egy mágneses fúvóka irányít a tolóerő létrehozására.
Mint egy nukleáris reaktoron alapuló rakéta, ez a koncepció előnyei vannak az üzemanyag-hatékonyság és a specifikus impulzus szempontjából. Becslések szerint akár 10 600 km / s kipufogógáz-sebesség is meghaladja a hagyományos rakéták sebességét. Sőt, a technológiát alaposan tanulmányozták az elmúlt évtizedekben, és számos javaslatot benyújtottak.
Például 1973 és 1978 között a Brit Bolygóközi Társaság megvalósíthatósági tanulmányt készített Project Daedalus néven. A fúziós technológia jelenlegi ismereteire és a meglévő módszerekre támaszkodva a tanulmány egy kétlépcsős, pilóta nélküli tudományos szonda létrehozását sürgette, amely egyetlen élettartama alatt eljuthat a Barnard csillagához (5,9 fényévnyire a Földtől).
Az első szakasz, a kettő közül a nagyobb, 2,05 évig működne és felgyorsítja az űrhajót a fénysebesség 7,1% -ára (o.071 c). Ezt a stádiumot ezután megsemmisítik, ahol a második szakasz meggyújtja a motorját és felgyorsítja az űrhajót a fénysebesség kb. 12% -áig (0,12 c) 1,8 év alatt. A második szakasz motorját ezután leállítják, és a hajó 46 éves körutazási időszakba lép.
A projekt becslései szerint a misszió 50 évbe telik, amíg el nem éri a Barnard csillagát. A Proxima Centauri-hoz igazítva ugyanaz a kézműves tudott beutazni 36 év. De természetesen a projekt számos olyan akadályt is azonosított, amelyek lehetetlenné tették az akkori technológiát - ezek többsége még mindig megoldatlan.
Például az a tény, hogy a hélium-3 ritka a Földön, ami azt jelenti, hogy máshol kell bányászni (valószínűleg a Holdon). Másodszor, az űrhajót vezérlő reakció megköveteli, hogy a kibocsátott energia hatalmasan meghaladja a reakció kiváltásához szükséges energiát. És bár a Földön végzett kísérletek meghaladták a „break-even” célt, még mindig messze vagyunk a különféle energiáktól, ami egy csillagközi csillaghajó hajtásához szükséges.
Harmadszor, ott van egy ilyen hajó építésének költségtényezője. Még a Project Daedalus pilóta nélküli kézműves szerény szabványa szerint is a teljes üzemanyaggal rendelkező hajó 60 000 Mt súlyú lenne. A perspektíva szerint a NASA SLS bruttó súlya alig több mint 30 millió tonna, és egyetlen dobáskor 5 milliárd dollár árcédulával járnak (a 2013-ban becsült adatok alapján).
Röviden: a fúziós rakéta építése nemcsak meglehetősen drágán jár; ehhez szintén szükség lenne egy olyan fúziós reaktor-technológiára, amely jelenleg meghaladja a lehetőségeinket. Az Icarus Interstellar, az önkéntes állampolgárságú tudósok nemzetközi szervezete (akik közül néhányan a NASA-ban vagy az ESA-ban dolgozott) azóta megkísérelte újjáéleszteni a koncepciót az Icarus-projekttel. A 2009-ben alapított csoport reméli, hogy a fúziós meghajtást (többek között) a közeljövőben megvalósíthatóvá teheti.
Fusion Ramjet:
Bussard Ramjet néven is ismert, a meghajtás ezen elméleti formáját először Robert W. Bussard fizikus javasolta 1960-ban. Alapvetően ez a javítás a szokásos nukleáris fúziós rakétahoz képest, amely mágneses mezőket használ a hidrogén üzemanyag összenyomására addig a pontig, amikor a fúzió bekövetkezik. De a Ramjet esetében egy hatalmas elektromágneses tölcsér „kiüríti” a hidrogént a csillagközi közegből, és üzemanyagként eldobja azt a reaktorba.
Amint a hajó felgyorsul, a reaktív tömeget fokozatosan összehúzódó mágneses mezőbe kényszerítik, és addig összenyomják, amíg a termonukleáris fúzió meg nem történik. A mágneses mező ezt követően az energiát rakétakibocsátásként egy motorfúvókán keresztül irányítja, ezáltal felgyorsítja az edényt. Annak érdekében, hogy semmilyen üzemanyagtartályt ne lehessen lemérni, a fúziós nyaláb a fénysebesség 4% -ához megközelítő sebességet érhet el, és bárhol eljuthat a galaxisban.
Ennek a kialakításnak azonban számos hátránya van. Van például a húzás problémája. A hajó a megnövekedett sebességre támaszkodik az üzemanyag felhalmozódásakor, de mivel egyre több csillagközi hidrogénnel ütközik, a sebesség is elveszítheti - különösen a galaxis sűrűbb területein. Másodszor, a deutérium és a trícium (a fúziós reaktorokban itt használva a Földön) ritkán fordul elő az űrben, míg a rendszeres hidrogén (amely az űrben elegendő) összeolvadása meghaladja a jelenlegi módszereinket.
Ezt a fogalmat széles körben népszerűsítették a tudományos fantasztikában. Talán a legismertebb példa erre a franchise Star Trek, ahol a „Bussard kollektorok” a lánchajtómotorok izzó nacellei. A valóságban azonban a fúziós reakciókkal kapcsolatos ismereteinknek jelentõsen fejlõdniük kell, mielõtt a sugárhajtás lehetséges. Mielőtt elkezdtük volna fontolóra venni egy ilyen hajó építését, kitalálnunk kellene a bosszantó húzási problémát is.
Lézervitorla:
A napelemes vitorlákat régóta költséghatékony módszernek tekintik a Naprendszer felfedezéséhez. Amellett, hogy viszonylag könnyű és olcsó gyártani, az üzemanyag nélküli napelemes vitorlák hozzáadott bónusza is van. A vitorla ahelyett, hogy hajtóanyagot igénylő rakétákat alkalmazna, a vitorla a csillagok sugárzási nyomását használja a nagy ultravékony tükrök nagysebességű tolására.
A csillagközi közötti repülés érdekében azonban egy ilyen vitorlát fókuszált energianyalábokkal (azaz lézerekkel vagy mikrohullámokkal) kell meghajtani, hogy a fénysebességhez közeledő sebességre álljon. A koncepciót eredetileg Robert Forward 1984-ben javasolta, aki akkoriban a Hughes Aircraft kutatólaboratóriumainak fizikusa volt.
A koncepció megtartja a napelemes vitorlák előnyeit, mivel nem igényel fedélzeti üzemanyagot, hanem abból a tényből is, hogy a lézerenergia csaknem annyira eloszlik a távolságból, mint a napsugárzás. Tehát miközben egy lézerrel hajtott vitorla némi időt igénybe vesz ahhoz, hogy felgyorsuljon a közel fénysebességig, csak magának a fénysebességnek korlátozódik.
Egy Robert Frisbee, a NASA Jethajtómű-laboratóriumának fejlett meghajtási koncepció-kutatások igazgatója által készített 2000-es tanulmány szerint egy lézervitorlát kevesebb, mint egy évtized alatt a fénysebesség felére lehet gyorsítani. Azt is kiszámította, hogy egy körülbelül 320 km (200 mérföld) átmérőjű vitorla alig érheti el a Proxima Centauri-t 12 év. Időközben egy körülbelül 965 km átmérőjű vitorla érkezik alul 9 év.
Az olvadás elkerülése érdekében azonban egy ilyen vitorlát fejlett kompozitokból kell építeni. A méretével kombinálva ez egy nagyon penny lesz! Még ennél is rosszabb a lézer építésével járó költségek, amelyek elég nagyok és nagy teljesítményűek ahhoz, hogy egy vitorlát a fénysebesség felére haladjanak. Frisbee saját tanulmánya szerint a lézerek folyamatos, 17 000 teravatos teljesítményű áramlást igényelnének - közel ahhoz, amit az egész világ egy nap alatt elfogyaszt.
Antianyag motor:
A tudományos fantasztikus rajongók minden bizonnyal hallottak az antianyagról. De ha nincs, az antianyag lényegében olyan részecskékből álló anyag, amelynek tömege ugyanolyan, de ellentétes töltésű, mint a szabályos részecskékkel. Az antianyag-motor ugyanakkor a meghajtás egy olyan formája, amely az anyag és az antianyag kölcsönhatásait használja fel áramtermeléshez vagy tolóerő létrehozásához.
Röviden: egy antianyag-motor magában foglalja a hidrogén és az antihidrogén részecskéinek összecsapását. Ez a reakció annyi energiát szabadít fel, mint egy termo-nukleáris bomba, valamint pionoknak és muonoknak nevezett szubatomi részecskék zuhanyozásával együtt. Ezeket a részecskéket, amelyek a fény sebességének egyharmadán haladnának, egy mágneses fúvókával vezetik a tolóerő létrehozásához.
Ennek a rakéta osztálynak az az előnye, hogy az anyag / antianyag keverék fennmaradó tömegének nagy része energiává alakulhat, lehetővé téve az antianyag rakéták számára, hogy sokkal nagyobb energia sűrűséggel és fajlagos impulzussal rendelkezzen, mint bármely más javasolt rakéta osztály. Ráadásul az ilyen reakció ellenőrzése elképzelhetően a rakéta a fénysebesség felének felemeléséig tolódhat el.
Font fontért, ez a hajóosztály a leggyorsabb és leghatékonyabb üzemanyag-fogyasztású lenne. Míg a hagyományos rakéták tonna vegyi üzemanyagot igényelnek egy űrhajó eljuttatásához rendeltetési helyükre, az antianyag-motor ugyanazt a munkát végezheti csak néhány milligramm üzemanyaggal. Valójában egy fél font hidrogén- és antihidrogénrészecskék kölcsönös megsemmisítése több energiát engedne szabadon, mint egy 10-megatonos hidrogénbomba.
Pontosan ezért indokolt a NASA Az Advanced Concepts Institute (NIAC) megvizsgálta a technológiát, mint a jövőbeni Mars-missziók lehetséges eszközét. Sajnos, amikor a közeli csillagrendszerekbe történő kiküldetést fontolgatják, az utazáshoz szükséges üzemanyagmennyiség exponenciálisan megsokszorozódik, és az előállítás költségei csillagászati költségekkel járnának (nincs büntetés!).
A 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE Közös Propulziós Konferencia és Kiállítás számára készített jelentés szerint (Robert Frisbee is), egy kétlépcsős antianyag rakéta több mint 815 000 metrikus tonnára (900 000 amerikai tonna) üzemanyagra lenne szükség az utazáshoz. körülbelül 40 év alatt a Proxima Centauri felé. Ez nem rossz, ameddig az ütemtervek megy. De megint, a költség…
Míg egy gramm antianyag hihetetlen mennyiségű energiát termelne, addig a becslések szerint csupán egy gramm előállítása megközelítőleg 25 millió milliárd kilowattóra energiát igényel, és több mint trillió dollárba kerülne. Jelenleg az emberek által létrehozott antianyag teljes mennyisége kevesebb, mint 20 nanogramm.
És még ha olcsóbban tudnánk antianyagot előállítani, akkor hatalmas hajóra lenne szükség, hogy meg tudjuk tartani a szükséges üzemanyagot. Dr. Darrel Smith és Jonathan Webby, az arizonai Embry-Riddle Repülési Egyetem jelentése szerint egy antianyag-motorral felszerelt csillagközi hajó elérheti a fénysebességet 0,5-nél, és kissé meghaladja a Proxima Centauri-t. 8 év. Ugyanakkor maga a hajó 400 tonnát (441 amerikai tonnát) megsúlyozna, és 170 metrikus tonnára (187 amerikai tonnára) kell lennie antianyag-üzemanyaggal az utazáshoz.
Ennek egyik lehetséges módja egy edény létrehozása, amely antianyagot hozhat létre, amelyet azután üzemanyagként tárolhat. Ezt a koncepciót, amelyet vákuum-antisztatikus rakéták közötti csillagközi felfedező rendszernek (VARIES) hívnak, Richard Obousy, az Icarus Interstellar képviselője javasolta. Az in situ üzemanyag-feltöltés elképzelése alapján egy VARIES hajó nagy lézerekre támaszkodik (hatalmas napenergia-elrendezések hajtják), amelyek az antitest anyag részecskéit hoznák létre, amikor üres helyre tüzelnék őket.
A Ramjet koncepcióhoz hasonlóan ez a javaslat oldja meg az üzemanyag szállításának problémáját azáltal, hogy azt az űrből kihasználja. De ismét, egy ilyen hajó költségei meglehetősen drágák lennének a jelenlegi technológiát használva. Ezen túlmenően az a képesség, hogy nagy mennyiségben hozzunk létre antianyagot, nem olyan, amit jelenleg megtehetünk. A sugárzás kérdése is, mivel az anyag-antianyag-megsemmisítés nagy energiájú gammasugarak robbantását eredményezheti.
Ez nemcsak veszélyt jelent a személyzet számára, és jelentős sugárzás-árnyékolást igényel, hanem a motorok árnyékolását is megköveteli annak biztosítása érdekében, hogy ne kerüljenek atomromlás alá az összes sugárzásnak, amelyre ki vannak téve. Tehát az alsó sorban az antianyag-motor teljesen kivitelezhetetlen a jelenlegi technológiánkkal és a jelenlegi költségvetési környezettel.
Alcubierre lánchajtás:
A tudományos fantasztikus rajongók szintén kétségtelenül ismerik az Alcubierre (vagy a „Warp”) meghajtó fogalmát. A mexikói fizikus, Miguel Alcubierre által 1994-ben javasolt módszer ez a javasolt módszer volt az FTL-utazás lehetséges megkísérlésének lehetővé tétele Einstein speciális relativitáselméletének megsértése nélkül. Röviden: a koncepció magában foglalja a tér-idő szövetének hullámhosszabbítását, ami elméletileg azt eredményezné, hogy az objektum elõtti tér összehúzódjon, és az azt mögötte lévõ tér kibõvüljön.
A hullám belsejében lévő tárgy (azaz egy űrhajó) ezután képes lenne haladni ezt a „hullámbuboréknak” nevezett hullámot a relativista sebességen túl. Mivel a hajó nem mozog ezen a buborékon belül, hanem mozog, miközben mozog, a tér-idő és a relativitás szabályainak érvényessége megszűnik. Ennek oka, hogy ez a módszer nem függ a helyi értelemben a fénynél gyorsabb mozgástól.
Csak abban az értelemben, hogy „a fénynél gyorsabb”, a hajó gyorsabban érheti el rendeltetési helyét, mint egy fénynyaláb, amely a láncbuborékon kívül halad. Tehát ha feltételezzük, hogy egy űrhajó felszerelhető Alcubierre Drive rendszerrel, akkor megteheti a Proxima Centauriba kevesebb, mint 4 év. Tehát, amikor a csillagközi csillagközi űrutazásról van szó, ez messze a legígéretesebb technológia, legalább a sebesség szempontjából.
Természetesen az elmélet az évek során megkapta az ellenérvekkel kapcsolatos részét. Közülük a legfontosabb az a tény, hogy ez nem veszi figyelembe a kvantummechanikát, és mindennek elméletét érvénytelenítheti (például a hurok kvantum gravitációja). A szükséges energiamennyiség számításai azt is jelezték, hogy a lánchajtómű megtiltó mennyiségű energiát igényel a működéshez. Egyéb bizonytalanságok között szerepel egy ilyen rendszer biztonsága, a rendeltetési hely tér-idejére gyakorolt hatások és az okozati összefüggések megsértése.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
