- Část 1 -
Pokud používáte stávající technologii, bude odeslání vědců a astronautů na mezihvězdnou misi trvat velmi, velmi dlouho. Cesta bude bolestně dlouhá (i podle kosmických standardů). Pokud chceme udělat takovou cestu alespoň v jednom životě, dobře nebo v generaci, potřebujeme radikálnější (číst: čistě teoretická) opatření. A pokud jsou červí díry a podprostorové motory v tuto chvíli naprosto fantastické, po mnoho let jsme věřili v další myšlenky.
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna je teoreticky možným „motorem“pro rychlé vesmírné cestování. Koncept byl původně navržen Stanislawem Ulamem v roce 1946, polsko-americkým matematikem, který se účastnil projektu Manhattan, a předběžné výpočty provedli F. Reines a Ulam v roce 1947. Projekt Orion byl zahájen v roce 1958 a existoval až do roku 1963.
V čele s Tedem Taylorem z obecné atomové laboratoře a fyzikem Freemanem Dysonem z Institutu pro pokročilé studium v Princetonu by Orion využil sílu pulzních jaderných výbuchů a vydal obrovský tah s velmi vysokým specifickým impulsem.
Propagační video:
Stručně řečeno, projekt Orion zahrnuje velkou kosmickou loď, která zvyšuje rychlost tím, že podporuje termonukleární hlavice, vypuzuje bomby za sebou a zrychluje, když výbuchová vlna uniká do zadního posunovače, tlačného panelu. Po každém stlačení je síla výbuchu absorbována tímto panelem a převedena na pohyb dopředu.
Ačkoli je tento design podle moderních standardů stěží elegantní, výhodou tohoto konceptu je, že poskytuje vysoký specifický tah - to znamená, že odebírá maximální množství energie ze zdroje paliva (v tomto případě jaderných bomb) za nejnižší cenu. Tato koncepce může navíc podle některých odhadů teoreticky urychlit velmi vysoké rychlosti až 5% rychlosti světla (5,4 x 107 km / h).
Tento projekt má samozřejmě nevyhnutelné nevýhody. Na jedné straně by stavba lodi takové velikosti byla velmi nákladná. V roce 1968, Dyson odhadl, že kosmická loď Orion, poháněná vodíkovými bombami, by vážila mezi 400 000 a 4 000 000 metrických tun. A nejméně tři čtvrtiny této hmotnosti pocházejí z jaderných bomb, z nichž každá váží asi jednu tunu.
Dysonův konzervativní odhad ukázal, že celkové náklady na budování Orionu by byly 367 miliard dolarů. Po očištění o inflaci je tato částka 2,5 bilionu dolarů, což je docela hodně. I s nejkonzervativnějšími odhady bude výroba zařízení extrémně nákladná.
Je zde také malý problém záření, které bude emitovat, nemluvě o jaderném odpadu. Předpokládá se, že to je důvod, proč byl projekt zrušen na základě smlouvy o částečném zákazu zkoušek z roku 1963, kdy se světové vlády snažily omezit jaderné testování a zastavit nadměrné uvolňování radioaktivního spadu do atmosféry planety.
Rakety jaderné syntézy
Další možností využití jaderné energie jsou termonukleární reakce k vytvoření tahu. Podle tohoto konceptu musí být energie vytvářena inerciálním uzavřením zapálením pelet ze směsi deuteria a helia-3 v reakční komoře pomocí elektronových paprsků (podobné tomu, co se provádí v Národním zapalovacím komplexu v Kalifornii). Takový fúzní reaktor by odpálil 250 pelet za sekundu, čímž by se vytvořila vysoce energetická plazma, která by pak byla přesměrována do trysky a vytvořila by tah.
Stejně jako raketa, která se spoléhá na jaderný reaktor, má tato koncepce výhody z hlediska palivové účinnosti a specifického impulzu. Odhadovaná rychlost by měla dosáhnout 10 600 km / h, výrazně nad rychlostní limity konvenčních raket. Tato technologie byla v posledních několika desetiletích rozsáhle studována a bylo předloženo mnoho návrhů.
Například mezi lety 1973 a 1978 provedla britská meziplanetární společnost studii proveditelnosti projektu Daedalus. Vědci na základě moderních znalostí a technologií termonukleární fúze vyzvali ke konstrukci dvoustupňové bezpilotní vědecké sondy, která by mohla dosáhnout Barnardovy hvězdy (5,9 světelných let od Země) po dobu lidského života.
První etapa, největší ze dvou, by poběhla po dobu 2,05 let a urychlila plavidlo na 7,1% rychlost světla. Poté se tato fáze vyřadí, druhá se zapálí a přístroj zrychlí na 12% rychlosti světla za 1,8 roku. Potom se vypne druhý stupeň motoru a loď letí 46 let.
Projekt Daedalus odhaduje, že mise bude trvat 50 let, než dosáhne Barnardovy hvězdy. Pokud bude Proxima Centauri, stejná loď dosáhne za 36 let. Projekt však samozřejmě zahrnuje mnoho nevyřešených otázek, zejména nevyřešitelných s využitím moderních technologií - a většina z nich dosud nebyla vyřešena.
Například na Zemi prakticky neexistuje žádné helium-3, což znamená, že bude muset být těženo jinde (s největší pravděpodobností na Měsíci). Za druhé, reakce, která řídí plavidlo, vyžaduje, aby emitovaná energie byla mnohem větší než energie spotřebovaná k vyvolání reakce. A ačkoli experimenty na Zemi již překonaly „bod zlomu“, jsme stále daleko od množství energie, která může pohánět mezihvězdné vozidlo.
Zatřetí, zůstává otázkou nákladů na takové plavidlo. Dokonce i podle skromných standardů bezpilotního vozidla Project Daedalus by plně vybavené vozidlo vážilo 60 000 tun. Jen abyste věděli, hrubá váha NASA SLS je něco přes 30 metrických tun a samotné spuštění bude stát 5 miliard dolarů (odhady roku 2013).
Stručně řečeno, fúzní raketa bude nejen příliš nákladná na vybudování, ale bude také vyžadovat úroveň fúzního reaktoru daleko za našimi schopnostmi. Icarus Interstellar, mezinárodní organizace civilních vědců (z nichž někteří pracovali pro NASA nebo ESA), se snaží projekt revitalizovat pomocí projektu Icarus. Skupina shromážděná v roce 2009 doufá, že umožní fúzní hnutí (a další) v dohledné budoucnosti.
Termonukleární ramjet
Také známý jako Bussard ramjet, motor byl poprvé navržen fyzikem Robertem Bussardem v roce 1960. Ve svém jádru jde o vylepšení standardní termonukleární rakety, která používá magnetické pole ke stlačování vodíkového paliva do bodu fúze. V případě náporu náporu však obrovský elektromagnetický trychtýř nasává vodík z mezihvězdného média a nalévá jej do reaktoru jako palivo.
Jak vozidlo zvedá rychlost, reaktivní hmota vstoupí do omezujícího magnetického pole, které jej komprimuje před zahájením fúze. Magnetické pole poté nasměruje energii do raketové trysky a urychluje tak loď. Protože to žádné palivové nádrže nezpomalí, může termojaderná tryska dosáhnout rychlosti řádově 4% světla a jít kamkoli v galaxii.
Nicméně tato mise má mnoho možných nevýhod. Například problém tření. Kosmická loď se spoléhá na vysokou rychlost sběru paliva, ale také se srazí s velkým množstvím mezihvězdného vodíku a ztratí rychlost - zejména v hustých oblastech galaxie. Za druhé, ve vesmíru není mnoho deuteria a tritia (které se používají v reaktorech na Zemi) a syntéza obyčejného vodíku, který je v prostoru hojný, je stále mimo naši kontrolu.
Sci-fi se však tento koncept zamilovala. Nejznámějším příkladem je snad Star Trek franšíza, která používá sběratele Bussard. Ve skutečnosti naše chápání fúzních reaktorů není zdaleka tak dokonalé, jak bychom chtěli.
Laserová plachta
Sluneční plachty byly dlouho považovány za účinný způsob dobytí sluneční soustavy. Kromě toho, že jsou relativně jednoduché a levné, mají velké plus: nepotřebují palivo. Namísto použití raket, které potřebují palivo, plachta používá tlak z záření hvězd k pohonu ultratenkých zrcadel na vysoké rychlosti.
V případě mezihvězdného letu by však taková plachta musela být poháněna zaostřenými paprsky energie (laserem nebo mikrovlnami), aby se urychlila na rychlost blízkého světla. Koncept byl poprvé navržen Robertem Forwardem v roce 1984, fyzikem v Hughes Aircraft Laboratory.
Jeho nápad si zachovává výhody solární plachty v tom, že nevyžaduje palivo na palubě, a také to, že laserová energie není rozptýlena na vzdálenost stejným způsobem jako sluneční záření. Zatímco tedy laserová plachta bude nějakou dobu trvat, než zrychlí na rychlost blízkého světla, bude následně omezena pouze rychlostí světla samotného.
Podle studie z roku 2000 Roberta Frisbeeho, ředitele pokročilého výzkumu pohonů v laboratoři Jet Propulsion Laboratory, by laserová plachta zasáhla polovinu rychlosti světla za méně než deset let. Vypočítal také, že plachta o průměru 320 kilometrů by mohla dosáhnout Proxima Centauri za 12 let. Mezitím plachta o průměru 965 kilometrů dorazí za pouhých 9 let.
Taková plachta však bude muset být vyrobena z pokročilých kompozitních materiálů, aby nedošlo k roztavení. Což bude zvláště obtížné vzhledem k velikosti plachty. Náklady jsou ještě horší. Podle společnosti Frisbee budou lasery potřebovat stálý proud 17 000 terawattů energie - zhruba kolik spotřebuje celý svět za jeden den.
Antihmotový motor
Milovníci sci-fi jsou si dobře vědomi toho, co je antihmota. Ale pokud jste zapomněli, antihmota je látka složená z částic, které mají stejnou hmotnost jako běžné částice, ale s opačným nábojem. Antihmotový motor je hypotetický motor, který se spoléhá na interakce mezi hmotou a antihmotou, aby generoval energii nebo vytvořil tah.
Stručně řečeno, antihmotový motor používá částice vodíku a antihydrogenů, které se navzájem srazí. Energie uvolněná v procesu ničení je objemově srovnatelná s energií exploze termonukleární bomby doprovázené proudem subatomárních částic - pionů a mionů. Tyto částice, které se pohybují jednou třetinou rychlosti světla, jsou přesměrovány do magnetické trysky a vytvářejí tah.
Výhodou této třídy raket je to, že většina hmoty směsi hmoty a antihmoty může být přeměněna na energii, která poskytuje vysokou hustotu energie a specifický impuls, který je lepší než jakákoli jiná raketa. Anehilační reakce může navíc urychlit raketu na poloviční rychlost světla.
Tato třída raket bude nejrychlejší a energeticky nejúčinnější (nebo nemožná, ale navržená). Pokud konvenční chemické rakety vyžadují tuny paliva k pohonu kosmické lodi na místo určení, antihmotový motor provede stejnou práci za použití několika miligramů paliva. Vzájemné ničení půl kilogramu vodíku a antihydrogenních částic uvolňuje více energie než 10megatonová vodíková bomba.
Z tohoto důvodu výzkumný institut NASA Advanced Concepts Institute zkoumá tuto technologii pro budoucí mise na Mars. Bohužel, při pohledu na mise do blízkých hvězdných systémů roste množství paliva exponenciálně a náklady se stávají astronomickými (a to není hříčka).
Podle zprávy připravené pro 39. konferenci a výstavu společného pohonu AIAA / ASME / SAE / ASEE bude dvoustupňová raketa antihmoty vyžadovat více než 815 000 metrických tun paliva k dosažení Proxima Centauri za 40 let. Je to relativně rychlé. Ale cena …
Ačkoli jeden gram antihmoty produkuje neuvěřitelné množství energie, výroba jednoho gramu sama o sobě by vyžadovala 25 milionů miliard kilowatthodin energie a činila by bilion dolarů. V současné době je celkové množství antihmoty vytvořené lidmi méně než 20 nanogramů.
A i kdybychom mohli vyrábět antihmotu levně, potřebovali bychom obrovskou loď, která by dokázala pojmout požadované množství paliva. Podle zprávy Dr. Darrella Smithe a Jonathana Webbyho z Embry-Riddle Aviation University v Arizoně mohla mezihvězdná loď poháněná antihmotou zvýšit rychlost světla 0,5 a dosáhnout Proxima Centauri za něco přes 8 let. Samotná loď by však vážila 400 tun a vyžadovala by 170 tun paliva antihmoty.
Možným způsobem je vytvořit loď, která vytvoří antihmotu a poté ji použije jako palivo. Tento koncept, známý jako vakuový antihmotový raketový mezihvězdný průzkumný systém (VARIES), navrhl Richard Obausi z Icarus Interstellar. V návaznosti na myšlenku přepracování na místě by VARIES použil velké lasery (poháněné obrovskými solárními panely) k vytvoření částic antihmoty, když je vypálen do prázdného prostoru.
Podobně jako u termonukleárního ramjetového motoru řeší tento návrh problém přepravy paliva jeho přímým extrahováním z vesmíru. Náklady na takovou loď však budou opět mimořádně vysoké, pokud budou postaveny pomocí našich moderních metod. Prostě nemůžeme vytvořit antihmotu ve velkém měřítku. Je třeba se také zabývat radiačním problémem, protože zničením hmoty a antihmoty dochází k výbuchu vysokoenergetických paprsků gama.
Nejenže představují nebezpečí pro posádku, ale také pro motor, takže se pod vlivem tohoto záření nerozpadají na subatomické částice. Stručně řečeno, antihmotový motor je zcela nepraktický s naší současnou technologií.
Alcubierre Warp Drive
Milovníci sci-fi jsou bezpochyby obeznámeni s pojmem warp drive (nebo Alcubierre drive). Tato myšlenka, kterou navrhl mexický fyzik Miguel Alcubierre v roce 1994, byla pokusem představit si okamžitý pohyb ve vesmíru, aniž by porušila Einsteinovu speciální teorii relativity. Stručně řečeno, tento koncept zahrnuje natažení struktury spacetime do vlny, což by teoreticky způsobilo, že by se prostor před objektem zmenšil a za ním se rozšířil.
Objekt uvnitř této vlny (naše loď) bude moci na této vlně jezdit rychlostí mnohem vyšší než relativistická. Protože se loď nepohybuje v samotné bublině, ale nese ji, nebudou porušeny zákony relativity a časoprostoru. Ve skutečnosti tato metoda nezahrnuje pohyb rychleji než rychlost světla v místním smyslu.
Je to „rychlejší než světlo“pouze v tom smyslu, že loď může dosáhnout cíle rychleji než paprsek světla cestující mimo bublinu osnovy. Za předpokladu, že kosmická loď bude vybavena systémem Alcubierre, dosáhne Proxima Centauri za méně než 4 roky. Pokud tedy hovoříme o teoretickém mezihvězdném vesmírném cestování, jedná se o zdaleka nejslibnější technologii z hlediska rychlosti.
Celý tento koncept je samozřejmě nesmírně kontroverzní. Argumenty proti například zahrnují, že nebere v úvahu kvantovou mechaniku a lze je vyvrátit teorií všeho (jako je kvantová gravitace smyčky). Výpočty požadovaného množství energie také ukázaly, že osnovní pohon by byl neúměrně nenápadný. Mezi další nejistoty patří bezpečnost takového systému, časoprostorové účinky v místě určení a porušení příčinných souvislostí.
V roce 2012 však vědec NASA Harold White uvedl, že on a jeho kolegové začali zkoumat možnost vytvoření motoru Alcubierre. White uvedl, že postavili interferometr, který zachytí prostorové zkreslení způsobené expanzí a kontrakcí časoprostoru Alcubierrovy metriky.
V roce 2013 publikovala Jet Propulsion Laboratory výsledky testů warp field, které byly provedeny ve vakuu. Výsledky byly bohužel považovány za „neprůkazné“. Z dlouhodobého hlediska můžeme zjistit, že metrika Alcubierre porušuje jeden nebo více základních přírodních zákonů. A i když se ukáže, že jeho fyzika je správná, neexistuje záruka, že systém Alcubierre lze použít k letu.
Obecně je vše jako obvykle: narodili jste se příliš brzy na to, abyste cestovali k nejbližší hvězdě. Pokud však lidstvo cítí potřebu vybudovat „mezihvězdnou archu“, v níž bude umístěna soběstačná lidská společnost, potrvá sto let, než se dostane k Proxima Centauri. Pokud samozřejmě chceme do takové akce investovat.
Časově se zdá, že všechny dostupné metody jsou velmi omezené. A pokud strávíme stovky tisíc let cestováním k nejbližší hvězdě, můžeme mít malý zájem, když je v sázce naše vlastní přežití, protože pokrok vesmírných technologií bude, metody zůstanou velmi nepraktické. Než naše archa dosáhne nejbližší hvězdy, její technologie budou zastaralé a samotné lidstvo už nemusí existovat.
Takže pokud nedosáhneme významného průlomu ve fúzních, antihmotových nebo laserových technologiích, budeme spokojeni s prozkoumáním naší vlastní sluneční soustavy.
Na základě materiálů z Universe Today
- Část 1 -