Vi har alle stillet dette spørgsmål på et tidspunkt i vores liv: Hvor lang tid vil det tage at rejse til stjernerne? Kunne det være inden for en persons egen levetid, og kunne denne form for rejse blive normen en dag? Der er mange mulige svar på dette spørgsmål - nogle meget enkle, andre inden for science fiction. Men at komme med et omfattende svar betyder at tage en masse ting i betragtning.
Desværre vil enhver realistisk vurdering sandsynligvis give svar, der fuldstændigt ville afskrække futurister og entusiaster fra interstellar rejser. Kan lide det eller ej, pladsen er meget stor, og vores teknologi er stadig meget begrænset. Men skulle vi nogensinde overveje at ”forlade reden”, vil vi have en række muligheder for at komme til det nærmeste solsystem i vores galakse.
Den nærmeste stjerne til Jorden er vores Sol, som er en ret "gennemsnitlig" stjerne i Hertzsprung - Russell Diagrams "Main Sequence." Dette betyder, at det er meget stabilt, hvilket giver Jorden den rigtige type sollys, som livet kan udvikle sig på vores planet. Vi ved, at der er planeter, der kredser rundt om andre stjerner i nærheden af vores solsystem, og mange af disse stjerner ligner vores egne.
Hvis menneskeheden i fremtiden ønsker at forlade solsystemet, har vi et enormt valg af stjerner, vi kunne rejse til, og mange kan have de rette betingelser for, at livet kan trives. Men hvor skulle vi hen, og hvor lang tid tager det for os at komme dertil? Bare husk, alt dette er spekulativt, og der er i øjeblikket ingen benchmark for interstellare ture. Når det er sagt, her går vi!
Nærmeste stjerne:
Som allerede nævnt er den nærmeste stjerne til vores solsystem Proxima Centauri, og det er derfor, det er mest fornuftigt at planlægge en interstellar mission til dette system først. Som en del af et tredobbelt stjernesystem kaldet Alpha Centauri er Proxima omkring 4,24 lysår (eller 1,3 parsecs) fra Jorden. Alpha Centauri er faktisk den lyseste stjerne af de tre i systemet - del af en tæt omløbende binære 4,37 lysår fra Jorden - mens Proxima Centauri (den dimmeste af de tre) er en isoleret rød dværg ca. 0,13 lysår fra den binære .
Og mens interstellar rejser trylle frem alle slags visioner om hurtigere rejse (FTL) -rejser, lige fra varphastighed og ormehuller til hoppedrev, er sådanne teorier enten yderst spekulative (såsom Alcubierre Drive) eller helt videnskabsprovinsen. fiktion. Efter al sandsynlighed vil det være sandsynligt, at generationer inden for et dybe rum tager generationer at komme der, snarere end et par dage eller med en øjeblikkelig blitz.
Så startende med en af de langsomste former for rumrejse, hvor lang tid vil det tage at komme til Proxima Centauri?
Nuværende metoder:
Spørgsmålet om, hvor lang tid det vil tage at komme et sted i rummet, er noget lettere, når vi håndterer eksisterende teknologi og organer i vores solsystem. For eksempel ville det kun tage 8 timer og 35 minutter at bruge teknologien, der drev New Horizons-missionen - som bestod af 16 thrustere brændt med hydrazinmonopropellant.
På den anden side er der Det Europæiske Rumorganisations (ESA) SMART-1-mission, som tog sin tid på at rejse til Månen ved hjælp af metoden til ionisk fremdrift. Med denne revolutionerende teknologi, hvis variation var blevet brugt af Dawn-rumfartøjet til at nå Vesta, tog SMART-1-missionen et år, en måned og to uger at nå månen.
Så fra det hurtige raketdrevne rumfartøj til det økonomiske iondrev har vi et par muligheder for at komme rundt i det lokale rum - plus vi kunne bruge Jupiter eller Saturn til et heftigt tyngdekrave. Men hvis vi skulle overveje missioner et sted lidt mere ude af vejen, ville vi være nødt til at opskalere vores teknologi og se på, hvad der virkelig er muligt.
Når vi siger mulige metoder, taler vi om dem, der involverer eksisterende teknologi, eller dem, der endnu ikke findes, men som er teknisk gennemførlige. Nogle, som du vil se, er æresbevist og bevist, mens andre dukker op eller stadig er i bestyrelsen. Men i stort set alle tilfælde præsenterer de et muligt (men ekstremt tidskrævende eller dyrt) scenarie til at nå selv de nærmeste stjerner ...
Ionisk fremdrift:
I øjeblikket er den langsomste form af fremdrift, og den mest brændstofeffektive, ionmotoren. For et par årtier siden blev ionisk fremdrift betragtet som genstand for science fiction. I de senere år er teknologien til at understøtte ionmotorer imidlertid flyttet fra teori til praksis på en stor måde. ESAs SMART-1-mission afsluttede for eksempel med succes sin mission til Månen efter at have taget en 13-måneders spiralsti fra Jorden.
SMART-1 brugte sol-drevne ion-thrustere, hvor elektrisk energi blev høstet fra dens solcellepaneler og brugt til at drive dens Hall-effekt-thrustere. Kun 82 kg xenon-drivmiddel blev brugt til at drive SMART-1 til Månen. 1 kg xenon-drivmiddel tilvejebragte en delta-v på 45 m / s. Dette er en yderst effektiv form for fremdrift, men den er på ingen måde hurtig.
En af de første missioner til at bruge iondrev-teknologi var Deep Space 1 mission til Comet Borrelly, der fandt sted i 1998. DS1 brugte også et xenon-drevet ion-drev, der forbrugte 81,5 kg drivmiddel. Over 20 måneders presning blev DS1 formået at nå en hastighed på 56.000 km / t (35.000 miles / t) i løbet af kometen.
Ion-thrustere er derfor mere økonomiske end raketeknologi, da drivkraften pr. Enhedsmasse af drivmiddel (f.eks. Specifik impuls) er langt højere. Men det tager lang tid for ion-thrustere at accelerere rumfartøjet til enhver stor hastighed, og den maksimale hastighed, det kan opnå, afhænger af dens brændstofforsyning og hvor meget elektrisk energi det kan generere.
Så hvis ionisk fremdrift skulle bruges til en mission til Proxima Centauri, ville thrusterne have brug for en enorm energiproduktionskilde (dvs. atomkraft) og en stor mængde drivmiddel (skønt stadig mindre end konventionelle raketter). Men baseret på antagelsen om, at en forsyning på 81,5 kg xenon-drivmiddel omsættes til en maksimal hastighed på 56.000 km / t (og at der ikke er andre former for fremdrift til rådighed, såsom en tyngdekrave for at fremskynde den yderligere), kan nogle beregninger blive lavet.
Kort sagt, med en maksimal hastighed på 56.000 km / t, Deep Space 1 ville overtage 81.000 år at krydse de 4,24 lysår mellem Jorden og Proxima Centauri. For at sætte denne tidsskala i perspektiv, ville det være over 2.700 menneskelige generationer. Så det er sikkert at sige, at en interplanetær ionmotormission ville være alt for langsom til at blive overvejet til en bemandet interstellar mission.
Skulle ion-thrustere gøres større og mere kraftfulde (dvs. at ion-udstødningshastigheden skulle være væsentligt højere), og der kunne trækkes nok drivmiddel til at holde rumfartøjet igang i hele 4.243 lysårsturen, kan rejsetiden være meget reduceret. Der er dog stadig ikke nok til at ske i nogens levetid.
Gravity Assist-metode:
Det hurtigst eksisterende middel til rumfart er kendt som Gravity Assist-metoden, der involverer et rumfartøj, der bruger den relative bevægelse (dvs. bane) og en planetes tyngdekraft til at ændre er sti og hastighed. Tyngdekraftassistenter er en meget nyttig rumfartsteknik, især når du bruger Jorden eller en anden massiv planet (som en gasgigant) til at øge hastigheden.
Det Mariner 10 rumfartøj var den første, der brugte denne metode ved hjælp af Venus 'tyngdekrafttræk for at slynge den mod Merkur i februar 1974. I 1980'erne Voyager 1 sonde brugte Saturn og Jupiter til tyngdekraftshots til at nå sin nuværende hastighed på 60.000 km / t (38.000 miles / t) og gøre det til et interstellært rum.
Dog var det Helios 2 mission - som blev lanceret i 1976 for at studere det interplanetære medium fra 0,3 AU til 1 AU til Solen - der holder rekorden for den højeste hastighed opnået med en tyngdekraftassistent. På det tidspunkt, Helios 1 (der blev lanceret i 1974) og Helios 2 holdt rekorden for den nærmeste tilgang til Solen. Helios 2 blev lanceret af et konventionelt NASA Titan / Centaur lanceringskøretøj og placeret i en meget elliptisk bane.
På grund af den store excentricitet (0,54) af sonderens solbane (190 dage) ved perihelion, Helios 2 var i stand til at nå en maksimal hastighed på over 240.000 km / t (150.000 miles / t). Denne orbitalhastighed blev opnået ved tyngdekraften fra Solen alene. Teknisk set Helios 2 perihelionshastighed var ikke et tyngdepunkt, men det var en maksimal orbitalhastighed, men det er stadig rekorden for at være det hurtigste menneskeskabte objekt uanset.
Så hvis Voyager 1 kørte i retning af den røde dværg Proxima Centauri med en konstant hastighed på 60.000 km / t, ville det tage 76.000 år (eller over 2.500 generationer) at rejse den afstand. Men hvis det kunne nå den rekordhøjde hastighed på Helios 2Det er tæt på Solens tilgang - en konstant hastighed på 240.000 km / t - det ville tage 19.000 år (eller over 600 generationer) for at rejse 4.243 lysår. Betydeligt bedre, men alligevel ikke inden for det praktiske område.
Elektromagnetisk (EM) drev:
En anden foreslået metode til interstellar rejser kommer i form af Radio Frequency (RF) Resonant Cavity Thruster, også kendt som EM Drive. Oprindeligt foreslået i 2001 af Roger K. Shawyer, en britisk videnskabsmand, der startede Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) for at bringe den til udførelse, dette drev er bygget op omkring tanken om, at elektromagnetiske mikrobølghulrum kan give mulighed for direkte konvertering af elektrisk energi til tryk .
Mens traditionelle elektromagnetiske thrustere er designet til at drive en bestemt type masse (såsom ioniserede partikler), er dette særlige drivsystem ikke afhængig af nogen reaktionsmasse og udsender ingen retningsbestråling. Et sådant forslag er mødt med stor skepsis, hovedsageligt fordi det er i strid med loven om bevarelse af momentum - som siger, at inden for et system forbliver momentummængden konstant og hverken skabes eller ødelægges, men kun ændres gennem handlingen af kræfter.
Nylige eksperimenter med designet har tilsyneladende givet positive resultater. I juli 2014 på den 50. AIAA / ASME / SAE / ASEE fælles fremdriftskonference i Cleveland, Ohio, hævdede forskere fra NASAs avancerede fremdriftsforskning, at de med succes havde testet et nyt design til et elektromagnetisk fremdrivningsdrev.
Dette blev fulgt op i april 2015, da forskere ved NASA Eagleworks (del af Johnson Space Center) hævdede, at de med succes havde testet drevet i et vakuum, en indikation af, at det faktisk kunne fungere i rummet. I juli samme år bygget et forskerteam fra Dresden University of Technologys rumsystemafdeling deres egen version af motoren og observerede et detekterbart drivkraft.
Og i 2010 begyndte professor Juan Yang fra det nordvestlige polytekniske universitet i Xi’an, Kina, med at udgive en række artikler om sin forskning i EM Drive-teknologi. Dette kulminerede i hendes papir fra 2012, hvor hun rapporterede højere indgangseffekt (2,5 kW) og testede skyvekraftniveauer (720mN). I 2014 rapporterede hun yderligere omfattende test, der involverede interne temperaturmålinger med indlejrede termoelementer, som syntes at bekræfte, at systemet fungerede.
I henhold til beregninger baseret på NASA-prototypen (som gav et skøn på 0,4 N / kilowatt) kunne et rumfartøj udstyret med EM-drevet tage turen til Pluto på mindre end 18 måneder. Det er en sjettedel af den tid, det tog for New Horizons-sonden at komme dertil, der kørte med hastigheder på næsten 58.000 km / t (36.000 km / h).
Lyder imponerende. Men selv med denne hastighed ville det tage et skib udstyret med EM-motorer over 13.000 år for at fartøjet kører til Proxima Centauri. At komme nærmere, men ikke hurtigt nok! og indtil det definitivt kan bevises, at teknologi fungerer, giver det ikke meget mening at lægge vores æg i denne kurv.
Kernetermisk / nuklear elektrisk fremdrift (NTP / NEP):
En anden mulighed for interstellar rumflugt er at bruge rumfartøjer udstyret med nukleare motorer, et koncept, som NASA har undersøgt i årtier. I en NTP-raket (NTP) raket bruges uran- eller deuteriumreaktioner til at opvarme flydende brint inde i en reaktor og omdanne den til ioniseret hydrogengas (plasma), der derefter kanaliseres gennem en raketdyse til frembringelse af drivkraft.
En nuklær elektrisk fremdrift (NEP) raket involverer den samme grundlæggende reaktor, der omdanner sin varme og energi til elektrisk energi, som derefter ville drive en elektrisk motor. I begge tilfælde vil raketten være afhængig af nuklear fission eller fusion for at generere fremdrift snarere end kemiske drivmidler, som hidtil har været bærebjælken i NASA og alle andre rumfartsbureauer indtil videre.
Sammenlignet med kemisk fremdrift tilbyder både NTP og NEC en række fordele. Den første og mest indlysende er den næsten ubegrænsede energitæthed, den tilbyder sammenlignet med raketbrændstof. Derudover kunne en nuklear-drevet motor også give overlegen drivkraft i forhold til den anvendte mængde drivmiddel. Dette ville reducere den samlede mængde drivmiddel, der kræves, og dermed reducere lanceringsvægten og omkostningerne ved individuelle missioner.
Selvom der aldrig er fløjet nogen nukleare termiske motorer, er flere designkoncepter blevet bygget og testet i de sidste par årtier, og adskillige koncepter er foreslået. Disse har spændt fra det traditionelle solid-core design - såsom Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - til mere avancerede og effektive koncepter, der er afhængige af enten en væske eller en gaskerne.
På trods af disse fordele i brændstofeffektivitet og specifik impuls har det mest sofistikerede NTP-koncept en maksimal specifik impuls på 5000 sekunder (50 kN · s / kg). Brug af nukleare motorer drevet af fission eller fusion, estimerer NASA-forskere, at det kun ville tage et rumskib 90 dage at komme til Mars, når planeten var i ”opposition” - dvs. så tæt som 55.000.000 km fra Jorden.
Men justeret for en envejsrejse til Proxima Centauri, ville en atomraket stadig tage århundreder at accelerere til det punkt, hvor den fløj en brøkdel af lysets hastighed. Det ville derefter kræve flere årtiers rejsetid, efterfulgt af mange flere århundreder med deceleration, før den når sin destination. Alt i alt taler vi stadig om 1000 år før den når sin destination. God til interplanetære missioner, ikke så god for interstellare.
Teoretiske metoder:
Ved hjælp af eksisterende teknologi ville den tid det tager at sende forskere og astronauter på en interstellar mission være uoverkommelig langsom. Hvis vi ønsker at tage denne rejse inden for en enkelt levetid eller endda en generation, er der brug for noget lidt mere radikalt (også kaldet meget teoretisk). Og selvom ormehuller og springmotorer stadig kan være ren fiktion på dette tidspunkt, er der nogle ret avancerede ideer, der er blevet overvejet gennem årene.
Fremdrift af nuklear puls:
Fremdrift af kernepuls er en teoretisk mulig form for hurtig rumrejse. Konceptet blev oprindeligt foreslået i 1946 af Stanislaw Ulam, en polsk-amerikansk matematiker, der deltog i Manhattan-projektet, og de foreløbige beregninger blev derefter foretaget af F. Reines og Ulam i 1947. Det egentlige projekt - kendt som Project Orion - blev indledt i 1958 og varede indtil 1963.
Anført af Ted Taylor ved General Atomics og fysiker Freeman Dyson fra Institute for Advanced Study i Princeton, håbede Orion at udnytte kraften fra pulserede atomeksplosioner til at give et enormt skub med meget høj specifik impuls (dvs. mængden af drivkraft sammenlignet med vægt eller mængden af sekunder, som raket kontinuerligt kan skyde).
I et nøddeskal involverer Orion-designet et stort rumfartøj med et stort udbud af termonukleare krigshoveder, der opnår fremdrift ved at frigive en bombe bagefter og derefter køre på detonationsbølgen ved hjælp af en bagmonteret pude, der kaldes en ”skubber”. Efter hver eksplosion ville den eksplosive kraft blive absorberet af denne skubbepude, der derefter omsætter skyven til momentum.
Selvom det næppe er elegant efter moderne standarder, er fordelen ved designet, at det opnår en høj specifik impuls - hvilket betyder, at den udtrækker den maksimale mængde energi fra dens brændstofkilde (i dette tilfælde atombomber) til en mindstepris. Derudover kunne konceptet teoretisk opnå meget høje hastigheder, med nogle estimater, der antyder et kuglepladstal så højt som 5% lysets hastighed (eller 5,4 × 107 km / t).
Men selvfølgelig er der de uundgåelige ulemper ved designet. For det første ville et skib af denne størrelse være utroligt dyrt at bygge. Ifølge estimater produceret af Dyson i 1968 ville et Orion-rumfartøj, der brugte brintbomber til at generere fremdrift, veje 400.000 til 4.000.000 tons. Og mindst tre fjerdedele af denne vægt består af atombomber, hvor hvert stridshoved vejer cirka 1 ton.
Alt i alt placerede Dysons mest konservative skøn de samlede omkostninger ved at bygge et Orion-håndværk til 367 milliarder dollars. Korrigeret for inflation fungerer det til ca. 2,5 billioner dollars - hvilket tegner sig for over to tredjedele af den amerikanske regerings nuværende årlige indtægt. Selv på det letteste vil håndværket derfor være ekstremt dyrt at fremstille.
Der er også det lille problem med al den stråling, det genererer, for ikke at nævne atomaffald. Faktisk er det af denne grund, at projektet menes at være afsluttet på grund af gennemgangen af den delvise testforbudstraktat fra 1963, der forsøgte at begrænse atomprøvning og stoppe den overdrevne frigivelse af nuklear nedfald i planetens atmosfære.
Fusion raketter:
En anden mulighed inden for området for udnyttet atomkraft involverer raketter, der er afhængige af termonukleare reaktioner for at generere drivkraft. Til dette koncept skabes energi, når pellets af en deuterium / helium-3-blanding antændes i et reaktionskammer ved inertial indeslutning ved hjælp af elektronstråler (svarende til hvad der gøres ved National Ignition Facility i Californien). Denne fusionsreaktor ville detonerer 250 pellets pr. Sekund for at skabe plasma med høj energi, som derefter ville blive styret af en magnetisk dyse for at skabe tryk.
Ligesom en raket, der er afhængig af en atomreaktor, tilbyder dette koncept fordele med hensyn til brændstofeffektivitet og specifik impuls. Udstødningshastigheder på op til 10.600 km / s estimeres, hvilket er langt ud over konventionelle rakets hastighed. Desuden er teknologien blevet undersøgt omfattende i de sidste par årtier, og der er fremsat mange forslag.
F.eks. Gennemførte Det Britiske Interplanetære Samfund en gennemførlighedsundersøgelse kendt som Project Daedalus mellem 1973 og 1978. Afhængig af den aktuelle viden om fusionsteknologi og eksisterende metoder krævede undersøgelsen oprettelsen af en to-trins ubemandet videnskabelig sonde, der foretager en tur til Barnards Star (5,9 lysår fra Jorden) i en enkelt levetid.
Den første fase, den største af de to, ville fungere i 2,05 år og accelerere rumfartøjet til 7,1% lysets hastighed (o.071 c). Dette trin blev derefter sprængt, på hvilket tidspunkt det andet trin ville antænde dens motor og accelerere rumfartøjet op til ca. 12% af lyshastigheden (0,12 c) i løbet af 1,8 år. Herefter lukkes den anden trins motor, og skibet skulle indgå i en 46-årig krydstidsperiode.
I henhold til projektets skøn vil det tage 50 år at nå Barnard's Star. Justeret for Proxima Centauri, kunne det samme fartøj tage turen ind 36 år. Men selvfølgelig identificerede projektet også adskillige snubleblokke, der gjorde det uudholdeligt ved hjælp af den nuværende teknologi - hvoraf de fleste stadig ikke er løst.
For eksempel er der det faktum, at helium-3 er knap på Jorden, hvilket betyder, at det ville være nødvendigt at udvindes andetsteds (mest sandsynligt på Månen). For det andet kræver reaktionen, der driver rumfartøjet, at den frigjorte energi langt overstiger den energi, der bruges til at udløse reaktionen. Og selvom eksperimenter her på Jorden har overgået "break-even-målet", er vi stadig langt væk fra den slags energi, der er nødvendig for at drive et interstellært rumskib.
For det tredje er der omkostningsfaktoren for konstruktion af et sådant skib. Selv ved den beskedne standard for Project Daedalus 'ubemandede fartøj ville et fuldt brændstoffartøj vægt op til 60.000 Mt. For at sætte det i perspektiv er bruttovægten af NASAs SLS lidt over 30 Mt, og en enkelt lancering kommer med en prisskilt på $ 5 mia. (Baseret på estimater foretaget i 2013).
Kort sagt, en fusionsraket ville ikke kun være uoverkommeligt dyrt at bygge; det ville også kræve et niveau af fusionsreaktorteknologi, der i øjeblikket er uden for vores midler. Icarus Interstellar, en international organisation af frivillige borgerforskere (hvoraf nogle arbejdede for NASA eller ESA) har siden forsøgt at genoplive konceptet med Project Icarus. Grundlagt i 2009 håber gruppen at gøre fusionsfremdrift (blandt andet) muligt inden for den nærmeste fremtid.
Fusion Ramjet:
Også kendt som Bussard Ramjet, blev denne teoretiske form for fremdrift først foreslået af fysikeren Robert W. Bussard i 1960. Grundlæggende er det en forbedring i forhold til den nukleare fusionsstandard, der bruger magnetiske felter til at komprimere brintbrændstof til det punkt, at fusion opstår. Men i Ramjet's tilfælde "skopper" en enorm elektromagnetisk tragt brint fra det interstellare medium og dumper det ned i reaktoren som brændstof.
Når skibet samler hastighed, tvinges den reaktive masse ind i et progressivt indsnævret magnetfelt, hvorved det komprimeres, indtil der sker termonuklear fusion. Magnetfeltet leder derefter energien som raketudstødning gennem en motordyse, hvorved fartøjet accelereres. Uden nogen brændstoftanke til at veje det ned, kunne en fusion-ramjet opnå hastigheder, der nærmer sig 4% af lysets hastighed og rejse overalt i galaksen.
Imidlertid er de potentielle ulemper ved dette design adskillige. For eksempel er der problemet med træk. Skibet er afhængig af øget hastighed for at akkumulere brændstof, men når det kolliderer med mere og mere interstellært brint, kan det også miste hastigheden - især i tættere områder af galaksen. For det andet er deuterium og tritium (brugt i fusionsreaktorer her på Jorden) sjældne i rummet, mens smeltning af almindeligt brint (som er rigeligt i rummet) er uden for vores nuværende metoder.
Dette koncept er blevet populariseret i vid udstrækning inden for science fiction. Det mest kendte eksempel på dette er måske i franchisen til Star Trek, hvor "Bussard-samlere" er de glødende naceller på varpmotorer. Men i virkeligheden er vores viden om fusionsreaktioner nødt til at udvikle sig betydeligt, før en ramjet er mulig. Vi skulle også finde ud af det irriterende trækproblem, før vi begyndte at overveje at bygge et sådant skib!
Lasersegl:
Solsejl er længe blevet betragtet som en omkostningseffektiv måde at udforske solsystemet på. Ud over at være relativt let og billigt at fremstille, er der den ekstra bonus på solsejl, der ikke kræver brændstof. I stedet for at bruge raketter, der kræver drivmiddel, bruger sejlet strålingstrykket fra stjerner til at skubbe store ultratynde spejle til høje hastigheder.
Af hensyn til den interstellære flyvning skulle et sådant sejl imidlertid være drevet af fokuserede energistråler (dvs. lasere eller mikrobølger) for at skubbe det til en hastighed, der nærmer sig lysets hastighed. Konceptet blev oprindeligt foreslået af Robert Forward i 1984, som var fysiker ved Hughes Aircraft's forskningslaboratorier på det tidspunkt.
Konceptet beholder fordelene ved et solsejl, idet det ikke kræver noget brændstof ombord, men også fra det faktum, at laserenergi ikke spreder sig med afstand næsten lige så meget som solstråling. Så selvom et laserdrevet sejl ville tage nogen tid at accelerere til nærlysende hastigheder, ville det kun være begrænset til lysets hastighed.
Ifølge en 2000-undersøgelse produceret af Robert Frisbee, direktør for avancerede fremdrivningskonceptundersøgelser ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, kunne et lasersegl fremskyndes til halve lysets hastighed på mindre end et årti. Han beregnet også, at et sejl, der målede cirka 320 km (200 miles) i diameter, kunne nå Proxima Centauri på lidt over 12 år. I mellemtiden ankom et sejl på cirka 965 km (600 miles) i diameter lige under 9 år.
Imidlertid skulle et sådant sejl bygges af avancerede kompositter for at undgå smeltning. Kombineret med dens størrelse vil dette tilføje en smuk krone! Endnu værre er de store udgifter, der opstår ved at bygge en laser, der er stor og kraftig nok til at køre et sejl til halv lysets hastighed. Ifølge Frisbee's egen undersøgelse ville lasere kræve en stabil strøm på 17.000 terawatts strøm - tæt på det, som hele verden forbruger på en enkelt dag.
Antimattermotor:
Fans af science fiction vil helt sikkert have hørt om antimaterie. Men i tilfælde af at du ikke har det, er antimaterie i det væsentlige materiale sammensat af antipartikler, der har samme masse, men modsat ladning som almindelige partikler. En antimateriellmotor er i mellemtiden en form for fremdrift, der bruger interaktioner mellem stof og antimaterie til at generere kraft eller til at skabe drivkraft.
Kort sagt involverer en antimaterie-motor partikler af brint og antihydrogen sammen. Denne reaktion slipper så meget som energi som en termonuklear bombe sammen med et brusebad med subatomære partikler kaldet pioner og muoner. Disse partikler, der vil bevæge sig med en tredjedel af lysets hastighed, kanaliseres derefter med en magnetisk dyse til frembringelse af tryk.
Fordelen ved denne klasse af raket er, at en stor del af hvilemassen af en materie / antimaterieblanding kan omdannes til energi, hvilket tillader antimaterielle raketter at have en langt højere energitetthed og specifik impuls end nogen anden foreslået raketklasse. Hvad mere er, at kontrollere denne form for reaktion kunne tænkes at skubbe en raket op til halv lysets hastighed.
Pund for pund, denne klasse af skib ville være den hurtigste og mest brændstofeffektive nogensinde undfanget. Mens konventionelle raketter kræver tonsvis af kemisk brændstof for at drive et rumskib til sin destination, kunne en antimattermotor udføre det samme job med bare et par milligram brændstof. Faktisk ville den gensidige udslettelse af et halvt kilo brint og antihydrogenpartikler frigøre mere energi end en 10-megaton brintbombe.
Det er netop af denne grund NASAs Institute for Advanced Concepts (NIAC) har undersøgt teknologien som et muligt middel til fremtidige Mars-missioner. Desværre, når man overvejer missioner til nærliggende stjernesystemer, multipliceres mængden af brændstof, der er nødvendigt for at tage turen eksponentielt, og omkostningerne ved produktion af den ville være astronomisk (ingen ordspill!).
I henhold til en rapport udarbejdet til den 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE fælles fremdriftskonference og udstilling (også af Robert Frisbee) ville en to-trins antimateriel raket have brug for over 815.000 ton (900.000 amerikanske ton) brændstof for at gøre rejsen til Proxima Centauri om cirka 40 år. Det er ikke dårligt, for så vidt tidslinjerne går. Men igen, omkostningerne ...
Mens et enkelt gram antimaterie ville producere en utrolig mængde energi, skønnes det, at det at producere kun et gram ville kræve cirka 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og koste over en billion dollars. På nuværende tidspunkt er den samlede mængde antimaterie, der er skabt af mennesker, mindre end 20 nanogram.
Og selv hvis vi kunne producere antimaterie til billigt, ville du have brug for et massivt skib for at holde den nødvendige mængde brændstof. Ifølge en rapport fra Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby fra Embry-Riddle Aeronautical University i Arizona, kunne et interstellært fartøj udstyret med en antimateriellmotor nå op på 0,5 lysets hastighed og nå Proxima Centauri i lidt over 8 år. Dog ville selve skibet veje 400 tons (441 amerikanske ton) og ville have brug for 170 ton (187 amerikanske ton) antimateriel brændstof for at gøre rejsen.
En mulig måde omkring dette er at skabe et fartøj, der kan skabe antimaterie, som det derefter kunne opbevare som brændstof. Dette koncept, kendt som Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), blev foreslået af Richard Obousy fra Icarus Interstellar. Baseret på ideen om påfyldning på stedet, ville et VARIES-skib stole på store lasere (drevet af enorme solarrays), som ville skabe partikler af antimateriale, når de fyres på tom plads.
Ligesom Ramjet-konceptet løser dette forslag problemet med at transportere brændstof ved at udnytte det fra rummet. Men endnu en gang ville de store omkostninger ved et sådant skib være uoverkommeligt dyre ved hjælp af nuværende teknologi. Derudover er evnen til at skabe antimaterie i store mængder ikke noget, vi i øjeblikket har magten til at gøre. Der er også spørgsmålet om stråling, da materie-antimateriel udslettelse kan frembringe sprængninger af høj-energi gamma-stråler.
Dette udgør ikke kun en fare for besætningen, som kræver væsentlige afskærmninger for stråling, men kræver, at motorerne afskærmes også for at sikre, at de ikke gennemgår atomisk nedbrydning fra al den stråling, de udsættes for. Så bundlinjen er antimattermotoren fuldstændig upraktisk med vores nuværende teknologi og i det aktuelle budgetmiljø.
Alcubierre Warp Drive:
Fans af science fiction er også uden tvivl fortrolige med konceptet om et Alcubierre (eller “Warp”) drev. Den foreslåede metode blev foreslået af den mexicanske fysiker Miguel Alcubierre i 1994 og var et forsøg på at gøre FTL-rejser mulig uden at krænke Einsteins teori om særlig relativitet. Kort sagt involverer konceptet strækning af rumtidsstoffet i en bølge, hvilket teoretisk ville få det rum, der ligger foran et objekt, til at trække sig sammen, og rummet bag det udvides.
Et objekt inde i denne bølge (dvs. et rumskib) ville derefter være i stand til at ride på denne bølge, kendt som en ”varpboble”, ud over relativistiske hastigheder. Da skibet ikke bevæger sig inden for denne boble, men bæres med, mens det bevæger sig, vil reglerne for rumtid og relativitet ophøre med at gælde. Årsagen er, at denne metode ikke er afhængig af at bevæge sig hurtigere end lys i lokal forstand.
Det er kun "hurtigere end lys" i den forstand, at skibet kunne nå sin destination hurtigere end en lysstråle, der rejste uden for varpeboblen. Så hvis man antager, at et rumfartøj kunne udstyres med et Alcubierre Drive-system, ville det være i stand til at tage turen til Proxima Centauri i mindre end 4 år. Så når det kommer til teoretisk interstellar rumrejser, er dette langt den mest lovende teknologi, i det mindste med hensyn til hastighed.
Naturligvis har konceptet fået sin andel af modargumenter gennem årene. Hoved blandt dem er den kendsgerning, at den ikke tager kvantemekanik i betragtning og kan blive ugyldiggjort af en teori om alt (f.eks. Loopkvantegravitation). Beregninger af den krævede mængde energi har også indikeret, at et varpdrev kræver en uoverkommelig mængde strøm til at arbejde. Andre usikkerheder inkluderer sikkerheden i et sådant system, virkningerne på rumtid på destinationen og krænkelser af årsagssammenhæng.
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!
