- Част 1 -
Ако използвате съществуваща технология, ще отнеме много, много дълго време, за да изпратите учени и астронавти на междузвездна мисия. Пътуването ще бъде болезнено дълго (дори по космически стандарти). Ако искаме да направим такова пътуване поне в един живот, добре или поколение, имаме нужда от по-радикални (четете: чисто теоретични) мерки. И ако в момента дупки и двигатели на подпространството са абсолютно фантастични, от много години има други идеи, в които вярваме.
Атомна електроцентрала
Атомната електроцентрала е теоретично възможен "двигател" за бързо пътуване в Космоса. Първоначално концепцията е предложена от Станислав Улам през 1946 г., полско-американски математик, който участва в проекта в Манхатън, а предварителните изчисления са направени от Ф. Рейнс и Улам през 1947 г. Проектът Orion стартира през 1958 г. и съществува до 1963 година.
Воден от Тед Тейлър от Генерална атомна техника и физик Фрийман Дайсън от Института за усъвършенствани изследвания в Принстън, Орион би използвал силата на импулсните ядрени експлозии, за да осигури огромна тяга с много висок специфичен импулс.
Промоционално видео:
С две думи Project Orion включва голям космически кораб, който набира скорост, като поддържа термоядрени бойни глави, изхвърля бомби отзад и се ускорява, когато взривната вълна се измъква в монтиран отзад тласкач, бутален панел. След всяко натискане силата на експлозията се поема от този панел и се превръща в движение напред.
Въпреки че този дизайн едва ли е елегантен по съвременните стандарти, предимството на концепцията е, че осигурява висока специфична тяга - тоест извлича максимално количество енергия от източник на гориво (в случая ядрени бомби) с най-ниска цена. В допълнение, тази концепция теоретично може да ускори много високи скорости, според някои оценки, до 5% от скоростта на светлината (5,4 х 107 км / ч).
Разбира се, този проект има неизбежни недостатъци. От една страна, кораб с такъв размер би бил изключително скъп за изграждане. През 1968 г. Дайсън изчислява, че космическият кораб „Орион“, задвижван от водородни бомби, ще тежи между 400 000 и 4 000 000 метрични тона. И най-малко три четвърти от това тегло ще произхождат от ядрени бомби, всяка с тегло около един тон.
Консервативната оценка на Дайсън показа, че общите разходи за изграждането на Orion биха били 367 милиарда долара. Коригирана за инфлацията, тази сума е 2,5 трилиона долара, което е доста. Дори и с най-консервативните оценки, устройството ще бъде изключително скъпо за производство.
Има и малък проблем с радиацията, който ще излъчва, да не говорим за ядрените отпадъци. Смята се, че това е причината проектът да бъде отменен по силата на договора за частична забрана на тестовете от 1963 г., когато световните правителства се стремят да ограничат ядрените изпитания и да спрат прекомерното изпускане на радиоактивни упадъци в атмосферата на планетата.
Ракети за ядрен синтез
Друга възможност за използване на ядрена енергия са термоядрените реакции за генериране на тяга. Съгласно тази концепция, енергията трябва да бъде създадена чрез инерционно задържане на пелети от смес от деутерий и хелий-3 в реакционна камера с помощта на електронни лъчи (подобно на това, което се прави в Националния запалителен комплекс в Калифорния). Такъв термоядрен реактор би детонирал 250 пелети в секунда, създавайки високоенергийна плазма, която след това би била пренасочена в дюза, създавайки тяга.
Подобно на ракета, която разчита на ядрен реактор, тази концепция има предимства по отношение на горивната ефективност и специфичния импулс. Прогнозната скорост трябва да достигне 10 600 км / ч, много над ограниченията на скоростта на конвенционалните ракети. Освен това през последните няколко десетилетия тази технология е била подробно проучена и са направени много предложения.
Например между 1973 и 1978 г. Британското междупланетарно общество предприе проучване за осъществимост на Project Daedalus. Изхождайки от съвременните знания и технологии за термоядрен синтез, учените призовават за изграждането на двуетапна безпилотна научна сонда, която може да достигне звездата на Барнард (на 5,9 светлинни години от Земята) през целия период на човешкия живот.
Първият етап, най-големият от двата, щеше да продължи 2,05 години и да ускори плавателния съд до 7,1% от скоростта на светлината. Тогава този етап се изхвърля, вторият се запалва и апаратът ускорява до 12% от скоростта на светлината за 1,8 години. Тогава двигателят на втория етап е изключен и корабът лети 46 години.
Проектът Daedalus смята, че ще са необходими мисията 50 години, за да достигне звездата на Барнард. Ако до Proxima Centauri, същия кораб ще стигне след 36 години. Но, разбира се, проектът включва много нерешени въпроси, по-специално неразрешими с използването на съвременни технологии - и повечето от тях все още не са решени.
Например на Земята практически няма хелий-3, което означава, че ще трябва да се добива другаде (най-вероятно на Луната). Второ, реакцията, която задвижва плавателния съд, изисква излъчената енергия да бъде много по-голяма от енергията, изразходвана за задействане на реакцията. И въпреки че експериментите на Земята вече са надминали „точката на безпроблемност“, ние все още сме далеч от количеството енергия, което може да захранва междузвездно превозно средство.
Трето, остава въпросът за цената на такъв кораб. Дори по скромните стандарти на безпилотно превозно средство Project Daedalus, напълно оборудвано превозно средство ще тежи 60 000 тона. Само за да знаете, брутното тегло на NASA SLS е малко над 30 метрични тона, а самото изстрелване ще струва 5 милиарда долара (изчисления за 2013 г.).
Накратко, термоядрената ракета не само ще бъде твърде скъпа за изграждане, но и ще изисква ниво на термоядрен реактор далеч над нашите възможности. Icarus Interstellar, международна организация на цивилни учени (някои от които са работили за НАСА или ESA), се опитва да съживи концепцията с Project Icarus. Групата, събрана през 2009 г., се надява да направи възможно движението на синтеза (и други) в обозримо бъдеще.
Термоядрен ракет
Известен още като рамжет на Bussard, двигателят е предложен за първи път от физика Робърт Бусард през 1960 година. В основата си това е подобрение на стандартната термоядрена ракета, която използва магнитни полета за компресиране на водородно гориво до точката на синтеза. Но в случай на раметоносен двигател огромна електромагнитна фуния засмуква водород от междузвездната среда и го излива в реактора като гориво.
Докато превозното средство набира скорост, реактивната маса навлиза в ограничаващото се магнитно поле, което го компресира, преди да започне сливането. След това магнитното поле насочва енергия в ракетната дюза, ускорявайки кораба. Тъй като никой резервоар за гориво няма да го забави, термоядрен рамета може да достигне скорости от порядъка на 4% светлина и да отиде навсякъде в галактиката.
Въпреки това тази мисия има много възможни недостатъци. Например проблемът с триенето. Космическият кораб разчита на висока степен на събиране на гориво, но също така ще се сблъска с големи количества междузвезден водород и ще загуби скорост - особено в гъсти райони на галактиката. Второ, в космоса няма много деутерий и тритий (които се използват в реакторите на Земята), а синтезът на обикновен водород, който е в изобилие в космоса, все още е извън нашия контрол.
Научната фантастика обаче е пораснала да обича тази концепция. Най-известният пример е може би франчайзът Star Trek, който използва колекционерите Bussard. Всъщност нашето разбиране за термоядрени реактори никъде не е толкова съвършено, колкото бихме искали.
Лазерно платно
Слънчевите платна отдавна се смятат за ефективен начин за завладяване на слънчевата система. Освен че са сравнително прости и евтини за правене, те имат голям плюс: не се нуждаят от гориво. Вместо да използва ракети, които се нуждаят от гориво, платното използва налягането на радиацията от звездите, за да задвижва ултра тънки огледала до високи скорости.
В случай на междузвезден полет обаче, такова платно ще трябва да се задвижва от фокусирани лъчи енергия (лазер или микровълни), за да се ускори до близка светлинна скорост. Концепцията е предложена за първи път от Робърт Форвърд през 1984 г., физик в лабораторията на Хюс.
Идеята му запазва предимствата на слънчевото платно в това, че то не изисква гориво на борда, а също и че лазерната енергия не се разпръсква на разстояние по същия начин, както слънчевата радиация. По този начин, докато лазерното платно ще отнеме известно време, за да се ускори до почти светлинна скорост, впоследствие то ще бъде ограничено само от скоростта на светлината.
Според проучване от 2000 г. на Робърт Фризби, директор на разширените проучвания за задвижване в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, лазерно платно би ударило половината от скоростта на светлината за по-малко от десет години. Той също така изчисли, че платно с диаметър 320 километра може да достигне до Проксима Центавър за 12 години. Междувременно платно с диаметър 965 километра ще пристигне само за 9 години.
Въпреки това, такова платно ще трябва да бъде изградено от модерни композитни материали, за да се избегне топенето. Което ще бъде особено трудно предвид размера на платното. Цената е още по-лоша. Според Фризби лазерите ще се нуждаят от постоянен поток от 17 000 теравата енергия - приблизително колко целият свят консумира за един ден.
Антиматериален двигател
Любителите на научната фантастика добре знаят какво представлява антиматерията. Но ако сте забравили, антиматерията е вещество, съставено от частици, които имат същата маса като обикновените частици, но с обратен заряд. Антиматериалният двигател е хипотетичен двигател, който разчита на взаимодействия между материя и антиматерия за генериране на енергия или създаване на тяга.
Накратко, антиматериален двигател използва частици водород и антихидроген, които се сблъскват помежду си. Енергията, отделена в процеса на унищожаване, е сравнима по обем с енергията от експлозията на термоядрена бомба, придружена от поток от субатомни частици - пиони и мюони. Тези частици, които пътуват с една трета от скоростта на светлината, се пренасочват към магнитната дюза и генерират тяга.
Предимството на този клас ракети е, че по-голямата част от масата на веществото / антиматерията може да се превърне в енергия, което осигурява висока енергийна плътност и специфичен импулс, който надвишава всяка друга ракета. Освен това, реакцията на унищожаване може да ускори ракетата до половината от скоростта на светлината.
Този клас ракети ще бъде възможно най-бързият и най-енергийно ефективен (или невъзможен, но предложен). Ако конвенционалните химически ракети изискват тонове гориво, за да задвижат космически кораб до местоназначението си, антиматериален двигател ще свърши същата работа, използвайки няколко милиграма гориво. Взаимното унищожаване на половин килограм водородни и антихидрогенни частици освобождава повече енергия от 10-мегатонната водородна бомба.
Именно поради тази причина Институтът за разширени концепции на НАСА проучва тази технология възможно най-вече за бъдещи мисии до Марс. За съжаление, когато разглеждаме мисии до близките звездни системи, количеството на необходимото гориво нараства експоненциално, а разходите стават астрономически (а това не е трудно).
Според доклад, подготвен за 39-тата съвместна пропагандна конференция и изложба AIAA / ASME / SAE / ASEE, за двуетапната антиматериална ракета ще са необходими повече от 815 000 метрични тона гориво, за да достигнат Proxima Centauri за 40 години. Сравнително бързо. Но цената …
Въпреки че един грам антиматерия произвежда невероятно количество енергия, самото производство на един грам ще изисква 25 милиона милиарда киловатчаса енергия и ще възлиза на трилион долара. В момента общото количество антиматерия, което е създадено от хората, е по-малко от 20 нанограма.
И дори да успеем да произведем антиматерия евтино, ще ни е необходим масивен кораб, който може да побере необходимото количество гориво. Според доклад на д-р Даръл Смит и Джонатан Уебби от авиационния университет „Ембри-Ридъл“в Аризона, междузвезден кораб с антиматерия може да набере 0,5 светлинни скорости и да достигне до Проксима Центавър за малко повече от 8 години. Самият кораб обаче ще тежи 400 тона и ще изисква 170 тона антиматериално гориво.
Възможен начин за това е да създадете съд, който ще създаде антиматерия и след това да го използвате като гориво. Тази концепция, известна като вакуумно-антиматериална система на междузвездни проводници (VARIES), е предложена от Ричард Обауси от Icarus Interstellar. Изхождайки от идеята за преработка на място, VARIES ще използва големи лазери (захранвани от огромни слънчеви панели), за да създаде частици антиматерия, когато се изстреля в празно пространство.
Подобно на концепцията с термоядрен раметоносен двигател, това предложение решава проблема с транспортирането на гориво чрез извличането му директно от космоса. Но отново цената на такъв кораб ще бъде изключително висока, ако бъде изградена по нашите съвременни методи. Ние просто не можем да създадем антиматерия в голям мащаб. Проблемът с радиацията също трябва да бъде решен, тъй като унищожаването на материята и антиматерията предизвиква изблици на високоенергийни гама-лъчи.
Те не само представляват опасност за екипажа, но и за двигателя, така че да не се разпаднат на субатомни частици под въздействието на цялото това излъчване. Накратко, един антиматериален двигател е напълно непрактичен с настоящата ни технология.
Alcubierre Warp Drive
Любителите на научната фантастика несъмнено са запознати с концепцията на warp drive (или Alcubierre drive). Предложена от мексиканския физик Мигел Алкубиер през 1994 г., тази идея представлява опит да се представи мигновено движение в пространството, без да се нарушава специалната теория на относителността на Айнщайн. Накратко, тази концепция включва разтягане на тъканта на космическото време във вълна, което на теория би довело до свиване на пространството пред обекта и зад него.
Обект вътре в тази вълна (нашият кораб) ще може да се вози по тази вълна, като се намира в "балон на основата", със скорост много по-висока от релативистката. Тъй като корабът не се движи в самия балон, а се носи от него, законите на относителността и пространството-времето няма да бъдат нарушени. Всъщност този метод не включва движение по-бързо от скоростта на светлината в местния смисъл.
Той е „по-бърз от светлината“само в смисъл, че корабът може да достигне местоназначението си по-бързо от лъч светлина, пътуващ извън основата. Ако приемем, че космическият кораб ще бъде оборудван със системата Alcubierre, той ще достигне до Proxima Centauri след по-малко от 4 години. Следователно, ако говорим за теоретично междузвездно пътуване в космоса, това е най-обещаващата технология по отношение на скоростта.
Разбира се, цялата тази концепция е изключително противоречива. Аргументите срещу например включват, че тя не взема предвид квантовата механика и може да бъде опровергана от теория за всичко (като квантова гравитация на цикъла). Изчисленията на необходимото количество енергия също показаха, че основата ще бъде прекомерно ненаситна. Другите несигурности включват безопасността на такава система, пространствено-времевите ефекти на местоназначението и нарушенията на причинно-следствената връзка.
Въпреки това през 2012 г. ученият от НАСА Харолд Уайт заяви, че той и колегите му започват да проучват възможността за създаване на двигателя в Алкубиер. Уайт заяви, че са изградили интерферометър, който ще улови пространствените изкривявания, произведени от разширяването и свиването на пространственото време на метриката Алкубиер.
През 2013 г. Лабораторията за реактивни двигатели публикува резултатите от тестовете на основата на основата, които са проведени във вакуумни условия. За съжаление, резултатите бяха счетени за „неубедителни“. В дългосрочен план можем да открием, че метриката на Алкубиер нарушава един или повече основни природни закони. И дори физиката му да се окаже правилна, няма гаранция, че системата Alcubierre може да се използва за полет.
По принцип всичко е както обикновено: вие сте родени твърде рано, за да пътувате до най-близката звезда. Независимо от това, ако човечеството изпитва нужда да изгради „междузвезден ковчег“, който да помещава самоподдържащо се човешко общество, ще отнеме сто години, за да стигне до Проксима Кентавър. Ако, разбира се, искаме да инвестираме в такова събитие.
По отношение на времето, всички налични методи изглеждат изключително ограничени. И ако прекараме стотици хиляди години в пътуване до най-близката звезда, може да ни е малко интересен, когато нашето оцеляване е застрашено, с напредването на космическите технологии, методите ще останат крайно непрактични. Докато ковчегът ни стигне до най-близката звезда, технологиите му ще стареят и самото човечество може да не съществува вече.
Така че, ако не направим голям пробив в синтеза, антиматерията или лазерната технология, ще се задоволим с изследването на нашата собствена слънчева система.
Въз основа на материали от Вселената днес
- Част 1 -