I det sidste årti er tusinder af planeter blevet opdaget ud over vores solsystem. Dette har haft den virkning af at forny interessen for rumforskning, som inkluderer muligheden for at sende rumfartøjer til at udforske eksoplaneter. I betragtning af de involverede udfordringer undersøges i øjeblikket en række avancerede koncepter, ligesom det tids ærede koncept om et let sejl (som eksemplificeret af Gennembrud Starshot og lignende forslag).
I de senere år har forskere imidlertid foreslået et potentielt mere effektivt koncept kendt som det elektriske sejl, hvor et sejl sammensat af trådnet genererer elektriske ladninger for at aflede solvindpartikler og således generere fart. I en nylig undersøgelse sammenlignede og kontrastede to Harvard-forskere disse metoder til at bestemme, hvilke der ville være mere fordelagtige til forskellige typer missioner.
Undersøgelsen, der for nylig blev vist online og gennemgås for offentliggørelse af Acta Astronautica, blev ledet af Manasavi Lingam og Abraham Loeb - adjunkt ved Florida Institute of Technology (FIT) og Frank B. Baird Jr. Professor i videnskab ved Harvard University og direktør for Institute for Theory and Computation (ITC), henholdsvis.
Konceptet med et let sejl er en ærefuld tid, hvor et rumfartøj udstyret med et stort ark reflekterende materiale bruger strålingstrykket fra en stjerne (alias solvind) til at accelerere over tid. En stor fordel ved denne teknologi er, at det ikke kræver et rumfartøj for at transportere sin egen brændstofforsyning, hvilket typisk tegner sig for størstedelen af et rumfartøjs masse.
Dette er især vigtigt, når det kommer til interstellar kørsel, da den mængde reaktionsmasse, der er nødvendig for at nå endda en brøkdel af lysets hastighed (c) ville være enorm. Og i modsætning til begreber som antimateriell fremdrift eller koncepter, der er afhængige af fysik, der stadig ikke er testet (eller endda hypotetisk), anvender sol / lyssejl teknologi og fysik, der er fuldt ud bevist på dette tidspunkt.
En anden fordel er det faktum, at et let sejl kan accelereres ved hjælp af andre midler end solstråling. Som Lingam forklarede til Space Magazine via e-mail:
”Lette sejl kan‘ skubbes ’ved enten lasersystemer eller sol / stjernestråling. I begge tilfælde er den største fordel ved lette sejl, at man ikke har brug for at bære brændstoffet ombord i modsætning til kemiske raketter. Dette reducerer rumfartøjets masse væsentligt, da størstedelen af massen i kemiske raketter skyldes brændstoffet. Den samme fordel gælder også for elektriske sejl. ”
I de senere år er der imidlertid udviklet variationer på dette koncept som det magnetiske sejl (alias "magsails") foreslået af Robert Zubrin og Dana Andrews i 1988 og det elektriske sejl foreslået af Pekka Janhunen i 2006. I tilfælde af førstnævnte, en superledende sløjfe ville generere et elektrisk felt, mens sidstnævnte ville give energi til et magnetfelt via et sejl af små ledninger - som begge ville afvise solvind.
Disse koncepter har nogle markante forskelle fra konventionelle sol- eller lyssejl. Som Lingam forklarede:
”Elektriske sejl er afhængige af overførslen af momentum fra de ladede sol- / stjernevindpartikler (protoner i vores eksempel) ved at aflede dem via elektriske felter, mens lyssejl er afhængige af momentumoverførsel fra fotoner udsendt af stjernen. Stjernen vinder derfor elektriske sejl, mens elektromagnetisk stråling udsendt af stjernen driver letsejl. ”
Interessant nok er magnetiske sejl af nogle forskere blevet betragtet som et muligt middel til at bremse et let sejl ned, når det nærmer sig sin destination. Et sådant individ er professor Claudius Gros fra Institut for Teoretisk Fysik Goethe University Frankfurt, og Andreas Hein og Kelvin F. Long - de vigtigste efterforskere af Project Dragonfly (et koncept, der ligner Gennembrud Starshot).
Alle tre koncepter er i stand til at konvertere den stråling, der udsendes af stjerner, til momentum, men har også deres andel af ulemper. Til at begynde med er elektriske sejl meget afhængige af egenskaberne for deres værtsstjerner. Lyssejl bliver derimod stort set ineffektive, når det kommer til stjerner af M-type (rød dværg), fordi strålingstrykket ikke er højt til at generere nok hastighed til at undslippe et stjernesystem.
Dette er et temmelig begrænsende emne, da der er tale om, hvordan lavmasse, ultracool M-type dværge tegner sig for langt de fleste stjerner i universet - og tegner sig for 75% af stjernerne i Mælkevejen. Røde dværge er også utroligt langvarige sammenlignet med andre klasser af stjerner og kan forblive i deres hovedsekvens i op til 10 billioner år. Derfor vil et fremdrivningssystem, der kan anvende røde dværgsystemer, foretrækkes frem for længere tidsskalaer.
På grund af disse overvejelser forsøgte Lingam og Loeb at bestemme, hvilken metode til interstellar rejse der ville være at foretrække (lette sejl eller elektroniske sejl) i forhold til forskellige stjerner af stjerner - F-type (hvid), G-type (gul), K- type (orange) og M-type stjerner. Efter at have taget hensyn til strålingsegenskaberne for hver klasse, indregner de sig i den sandsynlige masse af rumfartøjet - baseret på parametrene fastlagt af Gennembrud Starshot.
Det, de fandt, var, at et rumfartøjet parret med et elektrisk sejl repræsenterer et bedre middel til fremdrift i nærheden af de fleste stjerner, og ikke kun for gramskala rumfartøjer som (hvilket er hvad der kræves med Starshot). Lingam og Loebs beregninger fandt imidlertid også, at det ville tage betydeligt længere tid for et elektrisk sejl rumfartøj at nå de slags hastigheder, der ville gøre interstellar rejser praktisk.
”I stedet for, hvis man overvejer lyssejl, der er drevet af lasergrupper (såsom Breakthrough Starshot), er det derefter muligt at opnå relativistiske hastigheder (f.eks. 10% lysets hastighed) via lyssejl; derimod opnår elektriske sejl drevet af stjernevind hastigheder på kun 0,1% lysets hastighed, ”sagde Lingam.
Mens et elektrisk sejl kunne opnå 0,1 c efterhånden som de gentagne gange nåede tæt på stjerner, estimerede de, at dette ville tage 10.000 møder i løbet af en million år. Som Lingam udtrykte det:
”[E] elektriske sejl repræsenterer et levedygtigt middel til at udføre interstellar rejser. Imidlertid ville enhver teknologisk art, der ønsker at bruge denne metode, være lang levetid, da hele denne proces med at opnå relativistiske hastigheder ville kræve cirka 1 million år. Hvis der findes sådanne langlevede arter, repræsenterer elektriske sejl et forholdsvis praktisk og energieffektivt middel til at udforske Mælkevejen gennem lange tidsskalaer (millioner af år).
Mens 1 million år er lidt mere end et blink fra kosmiske termer, er det utroligt lang med hensyn til civilisationernes levetid - i det mindste af vores standarder. Som en art har menneskeheden eksisteret i omkring 200.000 år og har kun registreret sin historie i omkring 6000. Endnu mere har vi kun været en rumfarende civilisation i de sidste 60 år.
Ergo, et sejl, der er i stand til at blive fremskyndet med lasere, er stadig det mest praktiske middel til at udforske eksoplaneter i vores levetid. En anden implikation for denne undersøgelse er, hvordan den kunne informere søgningen efter udenjordisk intelligens (SETI). Når de søger på universet efter tegn på teknologisk aktivitet (alias technosignaturer), bliver forskere tvunget til at lede efter tegn, som de vil genkende.
I betragtning af fordelene ved et elektrisk sejl er det muligt, end en udenjordisk civilisation kunne favorisere denne teknologi frem for lignende. Som prof. Loeb forklarede til Space Magazine via e-mail:
”Vores beregninger antyder, at avancerede civilisationer sandsynligvis vil favorisere brugen af elektriske sejl frem for lette sejl til fremdrift, der er baseret på den naturlige produktion af stjerner i form af vind eller stråling. Men hvis en teknologisk civilisation ønsker at opnå hastigheder eller lancere store laster, som ikke kan drives af den kraft, der produceres af deres værtsstjerne, er det sandsynligvis at favorisere lyssejl, der skubbes af deres kunstigt producerede lysstråle, såsom en kraftig laser. Situationen ligner forskellen mellem sejlbåde, der bruger vinden, der leveres gratis af moderens natur, sammenlignet med større eller hurtigere både, der drives med kunstige midler som en motor. ”
Desværre, som Loeb tilføjet, kan elektriske sejl ikke let detekteres i store afstande, fordi de består af elektrificerede trådnet og udsender ikke nogen åbenlyse technosignaturer. ”Derfor konkluderer han,” SETI bør primært fokusere på søgningen efter lyssejl, som er synlige på grund af lækage af deres lysstråler ud over sejlets grænser nær deres lanceringssteder, eller fordi de reflekterer sollys, når de passerer tæt på Sol, ligesom asteroider eller kometer i samme størrelse. ”
Lingam og Loeb understreger dog også, at elektriske sejl kan være en attraktiv mulighed for en udenjordisk civilisation af nøjagtig samme grund. Ud over at være energieffektive er elektriske sejl ikke udsat for spild og kan derfor køre fra det ene stjernesystem til det andet uden at blive bemærket. En mulig opløsning til Fermi-paradokset? Måske!
Under alle omstændigheder indikerer denne undersøgelse, at vores nuværende planer for at udforske nabostjernersystemer bør fokusere på koncepter, der understreger hastighed over lang levetid. Dette betyder, at anvendelse af elektriske eller magnetiske sejl (som kan fortsætte med at udforske universet i eoner) er en dårlig idé, men en mission, der kan ankomme i et andet stjernesystem i vores levetid, synes at være den foretrukne mulighed for nu.
