Vi har alle stilt dette spørsmålet på et tidspunkt i livene våre: Hvor lang tid vil det ta å reise til stjernene? Kan det være innenfor en persons egen levetid, og kan denne typen reiser bli normen en dag? Det er mange mulige svar på dette spørsmålet - noen veldig enkle, andre innen science fiction. Men å komme med et omfattende svar betyr å ta mange ting i betraktning.
Dessverre vil sannsynligvis enhver realistisk vurdering gi svar som absolutt vil motvirke futurister og entusiaster fra interstellar reiser. Som den eller ikke, er plassen veldig stor, og teknologien vår er fremdeles veldig begrenset. Men skulle vi noen gang tenke på å "forlate reiret", vil vi ha en rekke alternativer for å komme til nærmeste solsystem i vår galakse.
Den nærmeste stjernen til Jorden er vår Sol, som er en ganske "gjennomsnittlig" stjerne i Hertzsprung - Russell Diagrams "Main Sequence." Dette betyr at den er svært stabil, og gir jorden akkurat den rette typen sollys for livet å utvikle seg på planeten vår. Vi vet at det er planeter som kretser rundt andre stjerner i nærheten av solsystemet vårt, og mange av disse stjernene ligner våre egne.
I fremtiden, hvis menneskeheten ønsker å forlate solsystemet, vil vi ha et stort utvalg av stjerner vi kan reise til, og mange kan ha de rette forutsetningene for at livet skal trives. Men hvor skulle vi dra, og hvor lang tid vil det ta oss å komme dit? Bare husk, dette er alt spekulativt, og det er foreløpig ingen målestokk for interstellare turer. Når det er sagt, her går vi!
Nærmeste stjerne:
Som allerede nevnt er den nærmeste stjernen til solsystemet vårt Proxima Centauri, og det er derfor det er mest fornuftig å planlegge et interstellært oppdrag til dette systemet først. Som en del av et trippelstjernersystem kalt Alpha Centauri, er Proxima omtrent 4,24 lysår (eller 1,3 parsec) fra Jorden. Alpha Centauri er faktisk den lyseste stjernen av de tre i systemet - del av en tett kretsende binær 4,37 lysår fra Jorden - mens Proxima Centauri (den dimmeste av de tre) er en isolert rød dverg omtrent 0,13 lysår fra den binære .
Og mens interstellare reiser tryller frem alle slags visjoner om raskere reise (FTL) -reise, alt fra varpfart og ormehull til hoppdrev, er slike teorier enten svært spekulative (for eksempel Alcubierre Drive) eller helt vitenskapens provins. skjønnlitteratur. Etter all sannsynlighet vil det trolig ta generasjoner å komme dit i noen dypromsoppdrag, snarere enn noen få dager eller med en øyeblikkelig blitz.
Så, med en av de tregeste formene for romfart, hvor lang tid vil det ta å komme til Proxima Centauri?
Nåværende metoder:
Spørsmålet om hvor lang tid det vil ta å komme et sted i verdensrommet er noe enklere når vi arbeider med eksisterende teknologi og organer i vårt solsystem. For eksempel ville det bare ta 8 timer og 35 minutter å bruke teknologien som drev New Horizons-oppdraget - som besto av 16 thrustere drevet med hydrazinmonopropellant.
På den annen side er det European Space Agency (ESA) SMART-1-oppdraget, som tok sin tid å reise til Månen ved å bruke metoden for ionisk fremdrift. Med denne revolusjonerende teknologien, en variant av som siden har blitt brukt av Dawn-romfartøyet for å nå Vesta, tok SMART-1-oppdraget ett år, en måned og to uker å nå månen.
Så fra det raske rakettdrevne romfartøyet til den økonomiske ionedriften, har vi noen få muligheter for å komme oss rundt i lokalrommet - pluss at vi kan bruke Jupiter eller Saturn til et heftig tyngdepunkt. Imidlertid, hvis vi skulle overveie oppdrag til et sted litt mer ute av veien, ville vi måtte oppskalere teknologien vår og se på hva som virkelig er mulig.
Når vi sier mulige metoder, snakker vi om de som involverer eksisterende teknologi, eller de som ennå ikke eksisterer, men som er teknisk gjennomførbare. Noen er, som du vil se, tidsbevisst og bevist, mens andre dukker opp eller fortsatt i styret. I omtrent alle tilfeller presenterer de imidlertid et mulig (men ekstremt tidkrevende eller dyrt) scenario for å nå selv de nærmeste stjernene ...
Ionisk fremdrift:
For øyeblikket er den tregeste formen for fremdrift, og den mest drivstoffeffektive, ionemotoren. For noen tiår siden ble ionisk fremdrift ansett for å være gjenstand for science fiction. De siste årene har imidlertid teknologien for å støtte ionemotorer flyttet fra teori til praksis på en stor måte. ESAs SMART-1-oppdrag fullførte for eksempel oppdraget til Månen etter å ha tatt en 13-måneders spiralsti fra Jorden.
SMART-1 brukte solcelledrevne jonstrustere, hvor elektrisk energi ble høstet fra solcellepanelene og brukt til å drive Hall-effekt-thrusterne. Bare 82 kg xenon-drivmiddel ble brukt til å drive SMART-1 til månen. 1 kg xenon drivmiddel ga en delta-v på 45 m / s. Dette er en svært effektiv form for fremdrift, men den er på ingen måte rask.
Et av de første oppdragene som brukte ionedriftteknologi var Deep Space 1 oppdrag til Comet Borrelly som fant sted i 1998. DS1 brukte også en xenon-drevet ionedrift, og forbrukte 81,5 kg drivmiddel. Over 20 måneders skyving ble DS1 klart å nå en hastighet på 56.000 km / t (35.000 miles / t) i løpet av kometen.
Ion-thrustere er derfor mer økonomiske enn rakettteknologi, ettersom drivkraften per drivmasse (d.v.s. spesifikk impuls) er langt høyere. Men det tar lang tid for ionetrustere å akselerere romfartøyet til store hastigheter, og maksimal hastighet det kan oppnå er avhengig av drivstofftilførselen og hvor mye elektrisk energi den kan generere.
Så hvis ionisk fremdrift skulle brukes til et oppdrag til Proxima Centauri, ville thrusterne trenge en enorm kilde til energiproduksjon (dvs. kjernekraft) og en stor mengde drivmiddel (selv om det fortsatt er mindre enn konvensjonelle raketter). Men basert på antakelsen om at en tilførsel på 81,5 kg xenon-drivmiddel oversettes til en maksimal hastighet på 56 000 km / t (og at det ikke er andre former for fremdrift tilgjengelig, for eksempel en tyngdekrave for å akselerere den ytterligere), kan noen beregninger bli laget.
Kort sagt, med en maksimal hastighet på 56.000 km / t, Deep Space 1 ville overta 81 000 år å krysse 4,24 lysår mellom Jorden og Proxima Centauri. For å sette den tidsskalaen i perspektiv, ville det være over 2700 menneskelige generasjoner. Så det er trygt å si at et interplanetært ionemotoroppdrag vil være altfor tregt til å bli vurdert for et bemannet interstellært oppdrag.
Skulle ionetrustere gjøres større og kraftigere (dvs. at eksoshastighet for ion må være betydelig høyere), og nok drivmiddel kunne trekkes til å holde romfartøyet i gang hele 4.243 lysårsturen, kan reisetiden bli betydelig redusert. Fortsatt er det ikke nok til å skje i noens levetid.
Gravity Assist Method:
Det raskeste eksisterende middel for romfart er kjent som Gravity Assist-metoden, som involverer et romskip som bruker den relative bevegelsen (dvs. bane) og tyngdekraften til en planet for å endre er bane og hastighet. Gravitasjonsassistenter er en veldig nyttig romfartsteknikk, spesielt når du bruker jorden eller en annen massiv planet (som en gassgigant) for å øke hastigheten.
De Mariner 10 romfartøy var den første som brukte denne metoden, ved å bruke Venus 'tyngdekraft for å slynge den mot Merkur i februar 1974. På 1980-tallet Voyager 1 sonden brukte Saturn og Jupiter for gravitasjonssprøytebilder for å oppnå sin nåværende hastighet på 60 000 km / t (38 000 miles / t) og gjøre det til et mellomliggende rom.
Imidlertid var det Helios 2 oppdrag - som ble lansert i 1976 for å studere det interplanetære mediet fra 0,3 AU til 1 AU til Solen - som holder rekorden for den høyeste hastigheten oppnådd med en gravitasjonsassistent. På den tiden, Helios 1 (som ble lansert i 1974) og Helios 2 holdt rekorden for den nærmeste tilnærmingen til Solen. Helios 2 ble lansert av et vanlig NASA Titan / Centaur lanseringsbil og plassert i en svært elliptisk bane.
På grunn av den store eksentrisiteten (0,54) av sonderens solbane (190 dager), ved perihelion, Helios 2 kunne nå en maksimal hastighet på over 240 000 km / t (150 000 miles / t). Denne omkretshastigheten ble oppnådd med tyngdekraften fra Solen alene. Teknisk sett, the Helios 2 perihelionshastighet var ikke et gravitasjonssprøytebilde, det var en maksimal orbitalhastighet, men det holder fortsatt rekorden for å være den raskeste menneskeskapte gjenstanden uansett.
Så hvis Voyager 1 reiste i retning av den røde dvergen Proxima Centauri med en konstant hastighet på 60 000 km / t, ville det ta 76 000 år (eller over 2500 generasjoner) å reise den distansen. Men hvis det kunne oppnå rekordhurtig hastighet på Helios 2Solens nære tilnærming - en konstant hastighet på 240 000 km / t - vil ta 19 000 år (eller over 600 generasjoner) for å reise 4.243 lysår. Betydelig bedre, men likevel ikke i det praktiske området.
Elektromagnetisk (EM) stasjon:
En annen foreslått metode for interstellare reiser kommer i form av Radio Frequency (RF) Resonant Cavity Thruster, også kjent som EM Drive. Opprinnelig foreslått i 2001 av Roger K. Shawyer, en britisk vitenskapsmann som startet Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) for å bringe den ut i livet. Denne stasjonen er bygget rundt ideen om at elektromagnetiske mikrobølgerom kan tillate direkte konvertering av elektrisk energi til drivkraft .
Mens konvensjonelle elektromagnetiske thrustere er designet for å drive en viss type masse (for eksempel ioniserte partikler), er dette spesielle drivsystemet avhengig av ingen reaksjonsmasse og avgir ingen retningsbestråling. Et slikt forslag har møtt stor skepsis, hovedsakelig fordi det bryter loven om bevaring av momentum - som sier at innen et system forblir momentummengden konstant og verken skapes eller ødelegges, men bare endres gjennom handlingen av krefter.
Nyere eksperimenter med design har imidlertid tilsynelatende gitt positive resultater. I juli 2014, på den 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference i Cleveland, Ohio, hevdet forskere fra NASAs avanserte fremdriftsforskning at de med hell hadde testet en ny design for en elektromagnetisk fremdriftsdrift.
Dette ble fulgt opp i april 2015 da forskere ved NASA Eagleworks (del av Johnson Space Center) hevdet at de med suksess hadde testet stasjonen i et vakuum, en indikasjon på at det faktisk kan fungere i verdensrommet. I juli samme år bygde et forskerteam fra Dresden University of Technologys romsystemavdeling sin egen versjon av motoren og observerte et påviselig drivkraft.
Og i 2010 begynte professor Juan Yang ved Northwestern Polytechnical University i Xi’an, Kina, å publisere en serie artikler om sin forskning på EM Drive-teknologi. Dette kulminerte i papiret fra 2012 der hun rapporterte høyere inngangseffekt (2,5 kW) og testet skyvenivået (720mN). I 2014 rapporterte hun videre omfattende tester som involverte interne temperaturmålinger med innebygde termoelementer, som så ut til å bekrefte at systemet fungerte.
I følge beregninger basert på NASA-prototypen (som ga et estimat på 0,4 N / kilowatt), kunne et romskip utstyrt med EM-stasjonen gjøre turen til Pluto på under 18 måneder. Det er en sjettedel gang gangen det tok sonden New Horizons å komme dit, som kjørte i hastigheter på nær 58.000 km / t.
Høres imponerende ut. Men selv med den hastigheten vil det ta et skip utstyrt med EM-motorer 13 000 år for fartøyet å komme seg til Proxima Centauri. Komme nærmere, men ikke raskt nok! og inntil teknologien kan bevises at den fungerer, gir det ikke så mye mening å legge eggene våre i denne kurven.
Nuclear Thermal / Nuclear Electric Propulsion (NTP / NEP):
En annen mulighet for interstellar romflukt er å bruke romskip utstyrt med kjernefysiske motorer, et konsept som NASA har undersøkt i flere tiår. I en rakett med nukleær termisk fremdrift (NTP) brukes uran- eller deuteriumreaksjoner for å varme flytende hydrogen inne i en reaktor, og omdanne den til ionisert hydrogengass (plasma), som deretter kanaliseres gjennom en rakettdyse for å generere skyvekraft.
En nukleær elektrisk fremdrift (NEP) rakett innebærer den samme grunnleggende reaktoren som konverterer varmen og energien til elektrisk energi, som deretter ville drive en elektrisk motor. I begge tilfeller vil raketten stole på kjernefysisk fisjon eller fusjon for å generere fremdrift i stedet for kjemiske drivmidler, som hittil har vært bærebjelken i NASA og alle andre romfartsorganer.
Sammenlignet med kjemisk fremdrift, gir både NTP og NEC en rekke fordeler. Den første og mest åpenbare er den tilnærmet ubegrensede energitettheten den tilbyr sammenlignet med rakettdrivstoff. I tillegg kan en kjernekraftdrevet motor også gi overlegen skyvekraft i forhold til mengden drivmiddel som brukes. Dette vil redusere den totale mengden drivmiddel som trengs, og dermed kutte utskytingsvekten og kostnadene for individuelle oppdrag.
Selv om ingen kjernetermiske motorer noensinne har flydd, har flere designkonsepter blitt bygget og testet i løpet av de siste tiårene, og mange konsepter har blitt foreslått. Disse har variert fra den tradisjonelle solid-core designen - som Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - til mer avanserte og effektive konsepter som er avhengige av enten en væske eller en gasskjerne.
Til tross for disse fordelene med drivstoffeffektivitet og spesifikk impuls, har det mest sofistikerte NTP-konseptet en maksimal spesifikk impuls på 5000 sekunder (50 kN · s / kg). Ved å bruke kjernefysiske motorer drevet av fisjon eller fusjon, anslår forskere fra NASA at det ville ta et romskip bare 90 dager å komme til Mars når planeten var i "opposisjon" - dvs. så nær 55.000.000 km fra Jorden.
Men justert for en enveis reise til Proxima Centauri, ville det fortsatt ta hundreår å kjernefysisk rakett til å akselerere til det punktet der den flyr en brøkdel av lysets hastighet. Den ville da kreve flere tiår med reisetid, etterfulgt av mange flere hundre år med retardasjon før den nådde målet. Alt i alt snakker vi fortsatt om 1000 år før den når sin destinasjon. Bra for interplanetære oppdrag, ikke så bra for interstellare.
Teoretiske metoder:
Ved å bruke eksisterende teknologi ville tiden det ville ta å sende forskere og astronauter på et interstellært oppdrag være uoverkommelig treg. Hvis vi ønsker å gjøre den reisen i løpet av en enkelt levetid, eller til og med en generasjon, vil det være behov for noe litt mer radikalt (aka. Svært teoretisk). Og selv om ormer og hoppmotorer fremdeles kan være ren fiksjon på dette tidspunktet, er det noen ganske avanserte ideer som har blitt vurdert gjennom årene.
Fremdrift av kjernefysisk puls:
Fremdrift av kjernefysisk puls er en teoretisk mulig form for rask romfart. Konseptet ble opprinnelig foreslått i 1946 av Stanislaw Ulam, en polsk-amerikansk matematiker som deltok i Manhattan Project, og de foreløpige beregningene ble deretter gjort av F. Reines og Ulam i 1947. Selve prosjektet - kjent som Project Orion - ble satt i gang i 1958 og varte til 1963.
Under ledelse av Ted Taylor ved General Atomics og fysiker Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study i Princeton, håpet Orion å utnytte kraften til pulserende atomeksplosjoner for å gi et stort drivkraft med veldig høy spesifikk impuls (dvs. mengden av skyvekraft sammenlignet med vekt eller hvor mange sekunder raketten kontinuerlig kan skyte).
I et nøtteskall innebærer Orion-designen et stort romfartøy med stor tilførsel av termonukleære stridshoder som oppnår fremdrift ved å frigjøre en bombe bak den og deretter ri detoneringsbølgen ved hjelp av en bakmontert pute kalt en "pusher". Etter hver eksplosjon ville eksplosjonskraften bli absorbert av denne skyveputen, som deretter oversetter skyven til fart.
Selv om det er knapt elegant etter moderne standarder, er fordelen med designen at den oppnår en høy spesifikk impuls - noe som betyr at den henter ut den maksimale mengden energi fra drivstoffkilden (i dette tilfellet atombomber) til en minimumskostnad. I tillegg kan konseptet teoretisk oppnå veldig høye hastigheter, med noen estimater som antyder et antall ballplasser så høyt som 5% lysets hastighet (eller 5,4 × 107 km / t).
Men selvfølgelig er det de uunngåelige ulempene med designet. For et vil et skip av denne størrelsen være utrolig dyrt å bygge. I følge estimater produsert av Dyson i 1968, ville et romfartøy fra Orion som brukte hydrogenbomber for å generere fremdrift, veie 400 000 til 4 000 000 tonn. Og minst tre fjerdedeler av den vekten består av atombomber, der hvert stridshode veier omtrent 1 tonn.
Alt i alt plasserte Dysons mest konservative estimater de totale kostnadene for å bygge et Orion-håndverk til 367 milliarder dollar. Korrigert for inflasjon fungerer det til rundt 2,5 billioner dollar - noe som utgjør over to tredjedeler av den amerikanske regjeringens nåværende årlige omsetning. Selv om det er lettest, vil håndverket derfor være ekstremt dyrt å produsere.
Det er også det lille problemet med all strålingen den genererer, for ikke å nevne atomavfall. Det er faktisk av denne grunn at prosjektet antas å ha blitt avsluttet på grunn av gjennomgangen av den delvise testforbudstraktaten fra 1963 som forsøkte å begrense kjernefysisk testing og stoppe overdreven frigjøring av kjernefysisk nedfall i planetens atmosfære.
Fusion raketter:
En annen mulighet innen utnyttet kjernekraft involverer raketter som er avhengige av termonukleære reaksjoner for å generere skyvekraft. For dette konseptet blir energi skapt når pellets av en deuterium / helium-3-blanding antennes i et reaksjonskammer ved treghetsinneslutning ved bruk av elektronstråler (tilsvarende det som gjøres ved National Ignition Facility i California). Denne fusjonsreaktoren ville detonere 250 pellets per sekund for å lage plasma med høyt energi, som deretter ville bli dirigert av en magnetisk dyse for å danne trykk.
Som en rakett som er avhengig av en atomreaktor, tilbyr dette konseptet fordeler med hensyn til drivstoffeffektivitet og spesifikk impuls. Eksoshastigheter på opp til 10 600 km / s er estimert, noe som er langt utenfor hastigheten til konvensjonelle raketter. Teknologien har dessuten blitt studert grundig de siste tiårene, og mange forslag er kommet.
Mellom 1973 og 1978 gjennomførte British Interplanetary Society for eksempel en mulighetsstudie kjent som Project Daedalus. Avhengig av nåværende kunnskap om fusjonsteknologi og eksisterende metoder, ba studien om å lage en to-trinns ubemannet vitenskapelig sonde som gjorde en tur til Barnards Star (5,9 lysår fra Jorden) i løpet av en enkelt levetid.
Det første trinnet, det største av de to, ville fungere i 2,05 år og akselerere romskipet til 7,1% lysets hastighet (o.071 c). Dette trinnet vil deretter bli sprøytet, og på det tidspunktet ville det andre trinnet tenne motoren og akselerere romskipet opp til omtrent 12% av lyshastigheten (0,12 c) i løpet av 1,8 år. Den andre trinns motoren ville deretter bli stengt ned og skipet skulle inngå en 46-årig cruise-periode.
I følge prosjektets estimater vil oppdraget ta 50 år å nå Barnard's Star. Justert for Proxima Centauri, kan det samme fartøyet gjøre turen inn 36 år. Men selvfølgelig identifiserte prosjektet også mange snublesteiner som gjorde det umulig å bruke dagens teknologi - de fleste er fremdeles uavklarte.
For eksempel er det det faktum at helium-3 er mangelvare på jorden, noe som betyr at det måtte brytes andre steder (mest sannsynlig på månen). For det andre krever reaksjonen som driver romfartøyet at energien som frigjøres i stor grad overstiger energien som brukes for å utløse reaksjonen. Og selv om eksperimenter her på jorden har overgått "break-even-målet", er vi fremdeles langt unna den typen energi som trengs for å drive et interstellært romskip.
For det tredje er det kostnadsfaktoren for å konstruere et slikt skip. Selv med den beskjedne standarden for Project Daedalus 'ubemannede farkost, ville et fulldrevet farkost vektet så mye som 60 000 Mt. For å sette det i perspektiv er bruttovekten til NASAs SLS drøyt 30 tonn, og en enkelt lansering kommer med en prislapp på 5 milliarder dollar (basert på anslag gjort i 2013).
Kort sagt, en fusjonsrakett ville ikke bare være uoverkommelig dyr å bygge; det vil også kreve et nivå av fusjonsreaktorteknologi som for tiden er utenfor våre midler. Icarus Interstellar, en internasjonal organisasjon av frivillige innbyggerforskere (noen av dem jobbet for NASA eller ESA) har siden forsøkt å gjenopplive konseptet med Project Icarus. Gruppen ble grunnlagt i 2009, og håper å gjøre fusjonsdrivning (blant annet) mulig innen den nærmeste fremtid.
Fusion Ramjet:
Denne teoretiske formen for fremdrift ble også kjent som Bussard Ramjet, ble først foreslått av fysikeren Robert W. Bussard i 1960. I utgangspunktet er det en forbedring i forhold til standard kjernefusjonsrakett, som bruker magnetiske felt for å komprimere hydrogenbrensel til det punktet som fusjonerer. inntreffer. Men i Ramjets tilfelle "skopper" en enorm elektromagnetisk trakt hydrogen fra det interstellare mediet og dumper det ned i reaktoren som drivstoff.
Når skipet tar fart, blir den reaktive massen tvunget inn i et gradvis innsnevret magnetfelt og komprimerer det til termonukleær fusjon oppstår. Magnetfeltet dirigerer så energien som raketteksos gjennom et motordyse, og dermed akselererer fartøyet. Uten noen drivstofftanker for å veie den ned, kan en fusjonsramjet oppnå hastigheter som nærmer seg 4% av lysets hastighet og reise hvor som helst i galaksen.
Imidlertid er de potensielle ulempene ved dette designet mange. For eksempel er det problemet med dra. Skipet er avhengig av økt hastighet for å akkumulere drivstoff, men når det kolliderer med mer og mer interstellært hydrogen, kan det også miste hastigheten - spesielt i tettere regioner av galaksen. For det andre er deuterium og tritium (brukt i fusjonsreaktorer her på jorden) sjeldne i verdensrommet, mens fusjonering av vanlig hydrogen (som er rikelig i rommet) er utenfor våre nåværende metoder.
Dette konseptet har blitt popularisert mye i science fiction. Det kanskje mest kjente eksemplet på dette ligger i franchisen til Star Trek, der "Bussard-samlere" er de glødende nacellene på varpmotorer. Men i virkeligheten trenger kunnskapen vår om fusjonsreaksjoner å utvikle seg betydelig før en ramjet er mulig. Vi måtte også finne ut av det irriterende draproblemet før vi begynte å vurdere å bygge et slikt skip!
Lasersegl:
Solseil har lenge blitt ansett for å være en kostnadseffektiv måte å utforske solsystemet. I tillegg til å være relativt enkel og billig å produsere, er det den ekstra bonusen til solseil som ikke trenger drivstoff. I stedet for å bruke raketter som krever drivmiddel, bruker seilet strålingstrykket fra stjerner for å skyve store ultratynne speil til høye hastigheter.
For den interstellare flyvningen, må et slikt seil imidlertid drives av fokuserte energistråler (dvs. lasere eller mikrobølger) for å skyve det til en hastighet som nærmer seg lysets hastighet. Konseptet ble opprinnelig foreslått av Robert Forward i 1984, som var fysiker ved Hughes Aircraft forskningslaboratorier på den tiden.
Konseptet beholder fordelene ved et solseil, i og med at det ikke krever noe drivstoff ombord, men også av at laserenergi ikke forsvinner med avstand nesten like mye som solstråling. Så mens et laserdrevet seil ville ta litt tid å akselerere til nesten lysende hastigheter, ville det bare være begrenset til lysets hastighet.
I henhold til en 2000-studie produsert av Robert Frisbee, direktør for avanserte fremdriftskonseptstudier ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, kunne et lasersegl akselereres til halve lysets hastighet på under et tiår. Han beregnet også at et seil som målte omtrent 320 km i diameter, kunne nå Proxima Centauri på litt over 12 år. I mellomtiden ville et seil som målte omtrent 965 km (600 miles) i diameter ankomme i underkant av 9 år.
Et slikt seil måtte imidlertid bygges fra avanserte kompositter for å unngå smelting. Kombinert med størrelsen vil dette gi en pen krone! Enda verre er de store utgiftene som er forbundet med å bygge en laser stor og kraftig nok til å kjøre et seil til halve lysets hastighet. I følge Frisbees egen studie, ville laserne kreve en jevn strøm på 17 000 terawatts kraft - nær det hele verden forbruker på en dag.
Antimattermotor:
Fans av science fiction vil sikkert ha hørt om antimaterie. Men i tilfelle du ikke har det, er antimaterie hovedsakelig materiale sammensatt av antipartikler, som har samme masse, men motsatt ladning som vanlige partikler. En antimateriellmotor er i mellomtiden en form for fremdrift som bruker interaksjoner mellom materie og antimaterie for å generere kraft eller for å skape skyvekraft.
Kort fortalt innebærer en antimateriellmotor at partikler av hydrogen og antihydrogen smeller sammen. Denne reaksjonen slipper løs så mye som energi som en termonukleær bombe, sammen med en dusj av subatomære partikler kalt pioner og muoner. Disse partiklene, som vil bevege seg med en tredjedel av lysets hastighet, kanaliseres deretter med et magnetisk dyse for å generere skyvekraft.
Fordelen med denne rakettklassen er at en stor brøkdel av hvilemassen til en materie- / antimateriblanding kan omdannes til energi, slik at antimateriellraketter har en langt høyere energitetthet og spesifikk impuls enn noen annen foreslått rakettklasse. Det som mer er, å kontrollere denne typen reaksjoner kan tenkes å skyve en rakett opp til halve lysets hastighet.
Pund for pund, denne klassen av skip ville være den raskeste og mest drivstoffeffektive som noen gang er unnfanget. Mens konvensjonelle raketter krever mange kjemiske drivstoff for å drive et romskip til sin destinasjon, kan en antimateriellmotor gjøre den samme jobben med bare noen få milligram drivstoff. Faktisk vil den gjensidige utslettelsen av et halvt kilo hydrogen og antihydrogenpartikler slippe løs mer energi enn en 10-megaton hydrogenbombe.
Det er nettopp av den grunn NASAs Institute for Advanced Concepts (NIAC) har undersøkt teknologien som et mulig middel for fremtidige Mars-oppdrag. Dessverre, når du vurderer oppdrag til stjernersystemer i nærheten, multipliseres mengden drivstoff som trengs for å ta turen eksponentielt, og kostnadene for å produsere den ville være astronomiske (ingen ordspill!).
I følge en rapport utarbeidet for den 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit (også av Robert Frisbee), vil en to-trinns antimateriell rakett trenge over 815 000 tonn (900 000 amerikanske tonn) drivstoff for å gjøre reisen til Proxima Centauri på omtrent 40 år. Det er ikke ille, så langt tidslinjer går. Men igjen, kostnadene ...
Mens et enkelt gram antimaterie ville produsere en utrolig mengde energi, anslås det at å produsere bare ett gram vil kreve omtrent 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og koste over en billion dollar. For øyeblikket er den totale mengden antimaterie som er skapt av mennesker, mindre enn 20 nanogram.
Og selv om vi kunne produsere antimateriell for billig, ville du trengt et massivt skip for å holde den mengden drivstoff som trengs. I følge en rapport fra Dr. Darrel Smith og Jonathan Webby fra Embry-Riddle Aeronautical University i Arizona, kunne et interstellært fartøy utstyrt med en antimateriellmotor nå 0,5 lysets hastighet og nå Proxima Centauri på litt over 8 år. Selve skipet ville imidlertid veie 400 tonn (441 amerikanske tonn) og ville trenge 170 tonn (187 amerikanske tonn) antimateriell drivstoff for å reise.
En mulig måte rundt dette er å lage et fartøy som kan lage antimateriale som det deretter kan lagre som drivstoff. Dette konseptet, kjent som Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), ble foreslått av Richard Obousy fra Icarus Interstellar. Basert på ideen om påfylling på stedet, ville et VARIES-skip stole på store lasere (drevet av enorme solpaneler) som ville skape partikler av antimaterie når de fyres på tomt rom.
I likhet med Ramjet-konseptet løser dette forslaget problemet med å føre drivstoff ved å utnytte det fra verdensrommet. Men nok en gang ville de store kostnadene for et slikt skip være uoverkommelig dyre ved å bruke dagens teknologi. I tillegg er ikke evnen til å skape antimaterie i store volumer noe vi i dag har makten til å gjøre. Det er også spørsmålet om stråling, ettersom materie-antimateriell utslettelse kan gi sprengninger av høyenergi-gammastråler.
Dette utgjør ikke bare en fare for mannskapet, som krever betydelig avskjerming av strålingene, men krever at motorene også er skjermet for å sikre at de ikke gjennomgår atomnedbrytning fra all strålingen de utsettes for. Så alt i alt er antimattermotoren helt upraktisk med vår nåværende teknologi og i det nåværende budsjettmiljøet.
Alcubierre Warp Drive:
Fans av science fiction er også uten tvil kjent med konseptet om en Alcubierre (eller “Warp”) stasjon. Denne foreslåtte metoden ble foreslått av den meksikanske fysikeren Miguel Alcubierre i 1994, og var et forsøk på å gjøre FTL-reiser mulig uten å krenke Einsteins teori om spesiell relativitet. Kort sagt innebærer konseptet å strekke stoffet til romtid i en bølge, noe som teoretisk sett vil føre til at rommet foran et objekt trekker seg sammen og rommet bak det utvides.
Et objekt inne i denne bølgen (dvs. et romskip) vil da kunne ri denne bølgen, kjent som en “varpboble”, utover relativistiske hastigheter. Siden skipet ikke beveger seg innenfor denne boblen, men blir ført med mens det beveger seg, vil reglene for rom-tid og relativitet opphøre å gjelde. Årsaken er at denne metoden ikke er avhengig av å bevege seg raskere enn lys i lokal forstand.
Det er bare “raskere enn lys” i den forstand at skipet kunne nå sin destinasjon raskere enn en lysstråle som reiste utenfor varpeboblen. Så forutsatt at et romskip kunne utstyres med et Alcubierre Drive-system, ville det være i stand til å ta turen til Proxima Centauri i mindre enn 4 år. Så når det gjelder teoretisk interstellar romfart, er dette den klart mest lovende teknologien, i det minste når det gjelder hastighet.
Naturligvis har konseptet fått sin andel av motargumenter gjennom årene. Hoved blant dem er det faktum at det ikke tar hensyn til kvantemekanikk og kan bli ugyldiggjort av en teori om alt (for eksempel loopkvantegravitasjon). Beregninger av energimengden som kreves har også indikert at en varpdrevet vil kreve en uoverkommelig mengde strøm for å fungere. Andre usikkerhetsmomenter inkluderer sikkerheten til et slikt system, virkningene på romtid ved destinasjonen og kausalitetsbrudd.
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!
