Kan vi oppnå interstellar flytur bare ved hjelp av fysikken vi kjenner?

Kan vi oppnå interstellar flytur bare ved hjelp av fysikken vi kjenner?
Kan vi oppnå interstellar flytur bare ved hjelp av fysikken vi kjenner?
Anonim

Artikkelforfatteren forteller i detalj om fire lovende teknologier som gir mennesker muligheten til å nå ethvert sted i universet i løpet av ett menneskeliv. Til sammenligning: ved hjelp av moderne teknologi vil veien til et annet stjernesystem ta omtrent 100 tusen år.

Helt siden mennesket først så inn på nattehimmelen, har vi drømt om å besøke andre verdener og se universet. Og selv om våre kjemisk drevne raketter allerede har nådd mange planeter, måner og andre kropper i solsystemet, dekket romskipet som var lengst fra jorden, Voyager 1, bare 22,3 milliarder kilometer. Dette er bare 0,056% av avstanden til nærmeste kjente stjernesystem. Ved å bruke moderne teknologi vil veien til et annet stjernesystem ta omtrent 100 tusen år.

Det er imidlertid ikke nødvendig å opptre som vi alltid har gjort. Effektiviteten ved å sende kjøretøyer med stor nyttelast, selv med mennesker om bord, over enestående avstander i universet kan forbedres sterkt hvis riktig teknologi brukes. Nærmere bestemt er det fire lovende teknologier som kan få oss til stjernene på mye kortere tid. Her er de.

1). Atomteknologi. Så langt i menneskets historie har alle romfartøyer som ble skutt opp i verdensrommet en ting til felles: en kjemisk drevet motor. Ja, rakettdrivstoff er en spesiell blanding av kjemikalier designet for å gi maksimal skyvekraft. Uttrykket "kjemikalier" er viktig her. Reaksjonene som gir energi til motoren er basert på omfordeling av bindinger mellom atomer.

Dette begrenser våre handlinger fundamentalt! Det overveldende flertallet av massen til et atom faller på kjernen - 99, 95%. Når en kjemisk reaksjon begynner, blir elektronene som roterer rundt atomene omfordelt og frigjør vanligvis som energi omtrent 0,001% av den totale massen av atomene som deltar i reaksjonen, ifølge Einsteins berømte ligning: E = mc2. Dette betyr at for hver kilo drivstoff som blir lastet inn i raketten, får du under reaksjonen energi som tilsvarer omtrent 1 milligram.

Imidlertid, hvis atomdrevne raketter brukes, vil situasjonen være drastisk annerledes. I stedet for å stole på endringer i konfigurasjonen av elektroner og hvordan atomer binder seg til hverandre, kan du frigjøre en relativt stor mengde energi ved å påvirke hvordan atomkjernene er koblet til hverandre. Når du fisjonerer et uranatom ved å bombardere det med nøytroner, avgir det mye mer energi enn noen kjemisk reaksjon. 1 kilo uran-235 kan frigjøre en mengde energi som tilsvarer 911 milligram masse, som er nesten tusen ganger mer effektivt enn kjemisk drivstoff.

Vi kunne gjøre motorene enda mer effektive hvis vi mestret kjernefusjon. For eksempel, et system med treghetsstyrt termonukleær fusjon, ved hjelp av hvilken det ville være mulig å syntetisere hydrogen til helium, skjer en slik kjedereaksjon på Solen. Syntesen av 1 kilo hydrogenbrensel til helium vil omdanne 7,5 kilo masse til ren energi, som er nesten 10 tusen ganger mer effektivt enn kjemisk drivstoff.

Tanken er å få den samme akselerasjonen for en rakett i en mye lengre periode: hundrevis eller tusenvis av ganger lenger enn nå, noe som vil tillate dem å utvikle hundrevis eller tusenvis av ganger raskere enn konvensjonelle raketter nå. En slik metode vil redusere tiden for interstellar flytur til hundrevis eller titalls år. Dette er en lovende teknologi som vi vil kunne bruke innen 2100, avhengig av tempo og retning for vitenskapens utvikling.

2). En stråle av kosmiske lasere. Denne ideen er kjernen i gjennombruddet Starshot -prosjektet, som ble fremtredende for flere år siden. Gjennom årene har ikke konseptet mistet sin attraktivitet. Mens en konvensjonell rakett bærer drivstoff med seg og bruker den for akselerasjon, er nøkkeltanken med denne teknologien en stråle av kraftige lasere som vil gi romfartøyet den nødvendige impulsen. Med andre ord vil akselerasjonskilden bli koblet fra selve skipet.

Dette konseptet er både spennende og revolusjonerende på mange måter. Laserteknologier utvikler seg vellykket og blir ikke bare kraftigere, men også sterkt kollimert. Så hvis vi lager et seillignende materiale som reflekterer en høy nok prosentandel laserlys, kan vi bruke et laserskudd for å få romskipet til å utvikle kolossale hastigheter. "Stjerneskipet" med en masse på ~ 1 gram forventes å nå en hastighet på ~ 20% av lysets hastighet, noe som gjør at det kan fly til nærmeste stjerne, Proxima Centauri, på bare 22 år.

Selvfølgelig, for dette må vi lage en stor laserstråle (ca. 100 km2), og dette må gjøres i verdensrommet, selv om dette er mer et kostnadsproblem enn teknologi eller vitenskap. Imidlertid er det en rekke problemer som må overvinnes for å kunne gjennomføre et slikt prosjekt. Blant dem:

  • et seil som ikke støttes vil rotere, en slags (ennå ikke utviklet) stabiliseringsmekanisme er nødvendig;
  • manglende evne til å bremse når målet er nådd, siden det ikke er drivstoff om bord;
  • selv om det viser seg å skalere enheten for transport av mennesker, vil en person ikke kunne overleve med en stor akselerasjon - en betydelig forskjell i hastighet på kort tid.

Kanskje en dag teknologi vil kunne ta oss til stjernene, men det er fortsatt ingen vellykket metode for en person å nå en hastighet lik ~ 20% av lysets hastighet.

3). Antimateriell drivstoff. Hvis vi fortsatt vil bære drivstoff med oss, kan vi gjøre det mest mulig effektivt: det vil være basert på utslettelse av partikler og antipartikler. I motsetning til kjemisk eller kjernefysisk brensel, hvor bare en brøkdel av massen om bord omdannes til energi, bruker utslipp av partikkler og partikler 100% av massen av både partikler og antipartikler. Evnen til å konvertere alt drivstoff til pulsenergi er det høyeste nivået av drivstoffeffektivitet.

Vanskeligheter oppstår ved bruk av denne metoden i praksis på tre hovedområder. Nærmere bestemt:

  • opprettelse av stabil nøytral antimaterie;
  • evnen til å isolere den fra vanlig materie og nøyaktig kontrollere den;
  • produsere antimateriale i store nok mengder for interstellar flyging.

Heldigvis er de to første problemene allerede under arbeid.

I European Organization for Nuclear Research (CERN), hvor Large Hadron Collider ligger, er det et enormt kompleks kjent som "antimateriefabrikken". Der undersøker seks uavhengige team av forskere egenskapene til antimateriale. De tar antiprotoner og bremser dem, og tvinger positronet til å binde seg til dem. Slik skapes antiatomer eller nøytral antimaterie.

De isolerer disse antatomene i en beholder med varierende elektriske og magnetiske felt som holder dem på plass, vekk fra veggene i en beholder laget av materie. Nå, medio 2020, har de lykkes med å isolere og stabilisere flere antiatomer i en time om gangen. I løpet av de neste årene vil forskere kunne kontrollere bevegelsen av antimateriale i gravitasjonsfeltet.

Denne teknologien vil ikke være tilgjengelig for oss i nær fremtid, men det kan vise seg at vår raskeste måte å reise interstellar er en antimateriellrakett.

4). Starship på mørk materie. Dette alternativet er absolutt avhengig av at enhver partikkel som er ansvarlig for mørk materie oppfører seg som et boson og er sin egen antipartikkel. I teorien har mørk materie, som er sin egen antipartikkel, en liten, men ikke null, sjanse til å utslette med andre partikler av mørkt materiale som kolliderer med den. Vi kan potensielt bruke energien som frigjøres som følge av kollisjonen.

Det er mulig bevis for dette. Som et resultat av observasjoner har det blitt fastslått at Melkeveien og andre galakser har et uforklarlig overskudd av gammastråling som kommer fra deres sentre, hvor konsentrasjonen av mørk energi bør være den høyeste. Det er alltid en mulighet for at det er en enkel astrofysisk forklaring på dette, for eksempel pulsarer. Imidlertid er det mulig at denne mørke saken fremdeles tilintetgjøres med seg selv i midten av galaksen og dermed gir oss en utrolig idé - et stjerneskip på mørk materie.

Fordelen med denne metoden er at mørk materie eksisterer bokstavelig talt overalt i galaksen. Dette betyr at vi ikke trenger å bære drivstoff med oss på turen. I stedet kan den mørke energireaktoren ganske enkelt gjøre følgende:

  • ta noe mørkt stoff som er i nærheten;
  • fremskynde utslettelsen eller la den utslette naturlig;
  • omdirigere mottatt energi for å få fart i hvilken som helst ønsket retning.

Et menneske kunne kontrollere størrelsen og kraften til reaktoren for å oppnå de ønskede resultatene.

Uten behovet for å bære drivstoff om bord, vil mange av problemene med fremdriftsdrevet romfart forsvinne. I stedet vil vi kunne oppnå den verdsatte drømmen om enhver reise - ubegrenset konstant akselerasjon. Dette vil gi oss den mest utenkelige evnen - evnen til å nå ethvert sted i universet i løpet av et menneskeliv.

Hvis vi begrenser oss til eksisterende rakettteknologier, trenger vi minst titusenvis av år for å reise fra jorden til det nærmeste stjernesystemet. Imidlertid er betydelige fremskritt innen motorteknologi like ved, og vil redusere reisetiden til ett menneskeliv. Hvis vi kan takle bruken av atombrensel, kosmiske laserstråler, antimateriale eller til og med mørk materie, vil vi oppfylle vår egen drøm og bli en romsivilisasjon uten bruk av forstyrrende teknologier som forvrengningsdrev.

Det er mange potensielle måter å gjøre vitenskapsbaserte ideer til gjennomførbare, neste generasjons motorteknologier i virkeligheten. Det er fullt mulig at mot slutten av århundret et romskip, som ennå ikke er oppfunnet, vil ta plassen til New Horizons, Pioneer og Voyager som de fjerneste menneskeskapte objektene fra jorden. Vitenskapen er allerede klar. Det gjenstår for oss å se utover omfanget av dagens teknologi og gjøre denne drømmen til virkelighet.

Anbefalt: