Мы все задавали этот вопрос в какой-то момент нашей жизни: сколько времени потребуется, чтобы добраться до звезд? Может ли это быть в течение всей жизни человека, и может ли такой вид путешествий когда-нибудь стать нормой? Есть много возможных ответов на этот вопрос - некоторые очень простые, другие в области фантастики. Но придумать исчерпывающий ответ означает принимать во внимание множество вещей.
К сожалению, любая реалистичная оценка может дать ответы, которые полностью обескуражат футуристов и энтузиастов межзвездных путешествий. Как ни крути, пространство очень велико, а наши технологии все еще очень ограничены. Но если мы когда-нибудь подумаем «покинуть гнездо», у нас будет множество вариантов добраться до ближайших Солнечных систем в нашей галактике.
Ближайшая к Земле звезда - наше Солнце, которое является довольно «средней» звездой в «Главной последовательности» Герцшпрунга - диаграммы Рассела. Это означает, что он очень стабилен, предоставляя Земле именно тот тип солнечного света, который необходим для жизни на нашей планете. Мы знаем, что планеты вокруг нашей Солнечной системы вращаются вокруг других звезд, и многие из этих звезд похожи на наши.
В будущем, если человечество захочет покинуть Солнечную систему, у нас будет огромный выбор звезд, к которым мы могли бы путешествовать, и у многих из них могут быть подходящие условия для процветания жизни. Но куда мы пойдем и сколько времени нам потребуется, чтобы туда добраться? Просто помните, что это все умозрительно, и в настоящее время нет никаких ориентиров для межзвездных поездок. Это, как говорится, здесь мы идем!
Ближайшая звезда:
Как уже отмечалось, ближайшая звезда нашей Солнечной системы - Проксима Центавра, поэтому имеет смысл сначала спланировать межзвездную миссию в этой системе. Как часть системы тройной звезды, называемой Альфа Центавра, Проксима находится на расстоянии около 4,24 световых лет (или 1,3 парсека) от Земли. Альфа Центавра на самом деле является самой яркой звездой из трех в системе - частью близко вращающейся двойной звезды на расстоянии 4.37 световых лет от Земли, в то время как Проксима Центавра (самая тусклая из трех) является изолированным красным карликом на расстоянии около 0.13 световых лет от двойной ,
И в то время как межзвездное путешествие вызывает в воображении всевозможные видения путешествий Faster-Than-Light (FTL), начиная от скорости деформации и червоточин до скачкообразных движений, такие теории являются либо весьма спекулятивными (например, Alcubierre Drive), либо полностью областью науки. фантастика. По всей вероятности, любая миссия в дальнем космосе, скорее всего, займет несколько поколений, а не несколько дней или мгновенной вспышкой.
Итак, начиная с одной из самых медленных форм космического полета, сколько времени потребуется, чтобы добраться до Проксимы Центавра?
Текущие методы:
Вопрос о том, сколько времени потребуется, чтобы попасть куда-то в космос, несколько проще, когда речь идет о существующих технологиях и телах в нашей Солнечной системе. Например, использование технологии, которая привела к запуску миссии «Новые горизонты» - которая состояла из 16 двигателей, работающих на гидразиновом монопропелленте, - достижение Луны займет всего 8 часов 35 минут.
С другой стороны, есть миссия SMART-1 Европейского космического агентства (ESA), которая отправилась на Луну, используя метод ионного движения. Благодаря этой революционной технологии, вариант которой с тех пор использовался космическим кораблем Dawn для достижения Весты, миссии SMART-1 потребовался один год, один месяц и две недели, чтобы достичь Луны.
Итак, от скоростного ракетного космического корабля до экономичного ионного привода, у нас есть несколько вариантов перемещения по местному пространству - плюс мы могли бы использовать Юпитер или Сатурн для здоровенной гравитационной рогатки. Тем не менее, если бы нам пришлось размышлять о миссиях куда-то немного дальше, нам пришлось бы расширять наши технологии и смотреть на то, что действительно возможно.
Когда мы говорим о возможных методах, мы говорим о тех, которые связаны с существующей технологией, или о тех, которые еще не существуют, но технически осуществимы. Некоторые, как вы увидите, проверены временем и проверены временем, в то время как другие появляются или все еще находятся на доске. Однако почти во всех случаях они представляют возможный (но чрезвычайно трудоемкий или дорогой) сценарий достижения даже ближайших звезд ...
Ионные г.:
В настоящее время самая медленная и наиболее экономичная двигательная установка - это ионный двигатель. Несколько десятилетий назад ионное движение считалось предметом научной фантастики. Однако в последние годы технология поддержки ионных двигателей значительно перешла от теории к практике. Например, миссия ESA SMART-1 успешно завершила свою миссию на Луну, пройдя 13-месячный спиральный путь от Земли.
SMART-1 использовал ионные двигатели на солнечных батареях, где электрическая энергия собиралась с его солнечных панелей и использовалась для питания двигателей Холла. Только 82 кг ксенонового топлива было использовано для продвижения SMART-1 на Луну. 1 кг ксенонового топлива обеспечил дельта-v 45 м / с. Это очень эффективная форма движения, но она ни в коем случае не быстрая.
Одна из первых миссий, которая использовала технологию ионного привода, была Deep Space 1 миссия на комету Боррелли, которая состоялась в 1998 году. В DS1 также использовался ионный привод с ксеноновым двигателем, потребляющий 81,5 кг топлива. За 20 месяцев работы DS1 удалось достичь скорости 56 000 км / ч (35 000 миль / ч) во время пролета кометы.
Ионные двигатели, следовательно, более экономичны, чем ракетные технологии, поскольку тяга на единицу массы топлива (например, удельный импульс) намного выше. Но ионным двигателям требуется много времени, чтобы разогнать космический корабль до любых больших скоростей, и максимальная скорость, которую он может достичь, зависит от его подачи топлива и количества электрической энергии, которую он может генерировать.
Таким образом, если бы ионная тяга использовалась для миссии в Проксиму Центавра, двигатели нуждались бы в огромном источнике производства энергии (то есть ядерной энергии) и большом количестве топлива (хотя все еще меньше, чем у обычных ракет). Но исходя из предположения, что подача 81,5 кг ксенонового топлива приводит к максимальной скорости 56 000 км / ч (и что нет других доступных движителей, таких как гравитационная рогатка для дальнейшего ускорения), некоторые вычисления могут быть сделано.
Короче говоря, при максимальной скорости 56 000 км / ч Deep Space 1 взял бы на себя 81 000 лет чтобы пересечь 4.24 световых года между Землей и Проксимой Центавра. Чтобы представить эту шкалу времени в перспективе, это будет более 2700 человеческих поколений. Поэтому можно с уверенностью сказать, что миссия межпланетного ионного двигателя будет слишком медленной, чтобы ее можно было рассмотреть для пилотируемой межзвездной миссии.
Но, если ионные двигатели сделать более крупными и более мощными (т. Е. Скорость выброса ионов должна быть значительно выше), и достаточно топлива, чтобы поддерживать работу космического корабля на протяжении всего полета в 4,243 световых года, то время в пути может быть значительно снижается. Тем не менее, этого недостаточно для чьей-либо жизни.
Метод гравитационной поддержки:
Самый быстрый из существующих способов космического путешествия известен как метод «Помощь в гравитации», который включает в себя космический корабль, использующий относительное движение (то есть орбиту) и гравитацию планеты, чтобы изменить траекторию и скорость. Гравитационные ассистенты являются очень полезной техникой космического полета, особенно при использовании Земли или другой массивной планеты (например, газового гиганта) для повышения скорости.
Маринер 10 Космический корабль был первым, кто использовал этот метод, используя гравитационное притяжение Венеры, чтобы выстрелить в Меркурий в феврале 1974 года. Вояджер 1 Зонд использовал Сатурн и Юпитер для гравитационных рогаток, чтобы достичь его текущей скорости 60000 км / час (38000 миль / час) и превратить ее в межзвездное пространство.
Тем не менее, это был Гелиос 2 миссия, которая была начата в 1976 году для изучения межпланетной среды от 0,3 а.е. до 1 а.е. до Солнца, которая является рекордной для самой высокой скорости, достигнутой с помощью гравитационной системы В то время, Гелиос 1 (который был запущен в 1974 году) и Гелиос 2 держал рекорд по ближайшему сближению с Солнцем. Гелиос 2 был запущен с помощью обычной ракеты-носителя НАСА "Титан / Кентавр" и выведен на высокоэллиптическую орбиту.
Из-за большого эксцентриситета (0,54) зондов солнечной орбиты (190 дней), в перигелии, Гелиос 2 смог достичь максимальной скорости более 240 000 км / ч (150000 миль / ч). Эта орбитальная скорость была достигнута только благодаря гравитационному притяжению Солнца. Технически, Гелиос 2 скорость перигелия не была гравитационной рогаткой, это была максимальная орбитальная скорость, но она по-прежнему остается рекордной как самый быстрый искусственный объект, несмотря на это.
Так что если Вояджер 1 путешествовал в направлении красного карлика Проксима Центавра с постоянной скоростью 60 000 км / ч, чтобы пройти это расстояние, потребуется 76 000 лет (или более 2500 поколений). Но если бы он мог достичь рекордной скорости Гелиос 2При близком приближении к Солнцу - постоянная скорость 240 000 км / ч - потребуется 19 000 лет (или более 600 поколений) путешествовать 4,243 световых года. Значительно лучше, но все же не в сфере практичности.
Электромагнитный (ЭМ) привод:
Другой предложенный метод межзвездного перемещения представлен в форме радиочастотного (RF) резонансного полого двигателя, также известного как EM Drive. Первоначально предложенный в 2001 году Роджером К. Шоуиером, британским ученым, который основал компанию Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), чтобы воплотить его в жизнь, этот привод основан на идее, что электромагнитные микроволновые полости могут обеспечивать прямое преобразование электрической энергии в тягу. ,
В то время как обычные электромагнитные двигатели предназначены для перемещения определенного типа массы (например, ионизированных частиц), эта конкретная система привода не использует никакой реакционной массы и не излучает направленного излучения. Такое предложение встретило большой скептицизм, главным образом потому, что оно нарушает закон сохранения импульса - который гласит, что в системе количество импульсов остается постоянным и не создается и не разрушается, а изменяется только в результате действия силы.
Однако недавние эксперименты с дизайном, по-видимому, дали положительные результаты. В июле 2014 года на 50-й Совместной конференции по движению AIAA / ASME / SAE / ASEE в Кливленде, штат Огайо, исследователи из НАСА продвинули исследование двигательной установки, заявив, что они успешно протестировали новую конструкцию электромагнитного силового привода.
Это было продолжено в апреле 2015 года, когда исследователи из НАСА Eagleworks (часть Космического центра Джонсона) заявили, что они успешно протестировали накопитель в вакууме, что свидетельствует о том, что он действительно может работать в космосе. В июле того же года исследовательская группа из отдела космических систем Дрезденского технологического университета создала собственную версию двигателя и наблюдала обнаруживаемую тягу.
А в 2010 году профессор Хуан Янг из Северо-западного политехнического университета в Сиане, Китай, начала публиковать серию статей о своих исследованиях технологии EM Drive. Кульминацией этого стала ее статья 2012 года, в которой она сообщила о более высокой входной мощности (2,5 кВт) и протестировала уровни тяги (720 мН). В 2014 году она также сообщила об обширных испытаниях, включающих измерения внутренней температуры со встроенными термопарами, которые, казалось, подтверждали работоспособность системы.
Согласно расчетам, основанным на прототипе НАСА (который дал оценку мощности 0,4 Н / киловатт), космический корабль, оснащенный приводом EM, мог совершить поездку в Плутон менее чем за 18 месяцев. Это шестая часть времени, которое потребовалось зонду New Horizons, чтобы добраться туда, который двигался со скоростью около 58 000 км / ч (36 000 миль в час).
Звучит впечатляюще. Но даже при такой скорости на корабль, оснащенный двигателями ЭМ, потребовалось бы 13 000 лет чтобы судно добралось до Проксимы Центавра. Все ближе, но не достаточно быстро! и до тех пор, пока технология не будет окончательно доказана, чтобы работать, не имеет смысла складывать наши яйца в эту корзину.
Ядерная тепловая / Ядерная электрическая тяга (NTP / NEP):
Другая возможность межзвездного космического полета - использовать космические корабли, оснащенные ядерными двигателями, концепцию, которую НАСА изучало на протяжении десятилетий. В ракетном ядерном двигателе (NTP) реакции урана или дейтерия используются для нагрева жидкого водорода внутри реактора, превращая его в ионизированный водородный газ (плазму), который затем направляется через сопло ракеты для создания тяги.
Ракета с ядерным электрическим двигателем (NEP) использует тот же базовый реактор, преобразующий тепло и энергию в электрическую энергию, которая затем приводит в действие электрический двигатель. В обоих случаях ракета будет полагаться на ядерное деление или синтез, чтобы генерировать двигатели, а не химические пропелленты, которые были основой НАСА и всех других космических агентств на сегодняшний день.
По сравнению с химическими двигателями NTP и NEC обладают рядом преимуществ. Первое и наиболее очевидное - это практически неограниченная плотность энергии, которую он предлагает по сравнению с ракетным топливом. Кроме того, двигатель с ядерным двигателем может также обеспечивать превосходную тягу относительно количества используемого топлива. Это сократит общее количество необходимого топлива, тем самым уменьшая стартовый вес и стоимость отдельных миссий.
Хотя ни один из ядерно-тепловых двигателей никогда не летал, за последние несколько десятилетий было разработано и испытано несколько конструктивных концепций, и были предложены многочисленные концепции. Они варьировались от традиционной конструкции с твердым сердечником, такой как ядерный двигатель для применения в ракетных транспортных средствах (NERVA), до более продвинутых и эффективных концепций, основанных на жидком или газовом сердечнике.
Однако, несмотря на эти преимущества в эффективности использования топлива и удельном импульсе, наиболее сложная концепция NTP имеет максимальный удельный импульс 5000 секунд (50 кН · с / кг). По оценкам ученых НАСА, использующих ядерные двигатели, приводимые в действие делением или синтезом, космическому кораблю потребуется всего 90 дней, чтобы добраться до Марса, когда планета находится в «противостоянии», то есть на расстоянии 55 000 000 км от Земли.
Но с поправкой на путешествие в один конец к Проксиме Центавра ядерной ракете все равно потребуются столетия, чтобы разогнаться до того момента, когда она летит за долю скорости света. Затем потребуется несколько десятилетий времени в пути, а затем еще много веков замедления, прежде чем он достигнет пункта назначения. В общем, мы все еще говорим о 1000 лет прежде чем он достигнет своей цели. Хорошо для межпланетных миссий, не так хорошо для межзвездных.
Теоретические методы:
Используя существующие технологии, время, необходимое для отправки ученых и космонавтов в межзвездную миссию, будет чрезмерно медленным. Если мы хотим совершить это путешествие за одну жизнь или даже за поколение, понадобится что-то более радикальное (ака. Очень теоретическое). И хотя червоточины и двигатели прыжков все еще могут быть чистой выдумкой на данный момент, есть некоторые довольно продвинутые идеи, которые рассматривались на протяжении многих лет.
Ядерный Импульс г.:
Ядерный импульс является теоретически возможной формой быстрого космического путешествия. Эта концепция была первоначально предложена в 1946 году Станиславом Уламом, польско-американским математиком, который участвовал в Манхэттенском проекте, а затем предварительные расчеты были сделаны Ф. Рейнсом и Уламом в 1947 году. Фактический проект, известный как Project Orion, был начат в 1958 г. и продолжался до 1963 г.
Во главе с Тедом Тейлором из General Atomics и физиком Фриманом Дайсоном из Института перспективных исследований в Принстоне Орион надеялся использовать мощь импульсных ядерных взрывов для создания огромной тяги с очень высоким удельным импульсом (то есть величиной тяги по сравнению с весом или количество секунд, в течение которых ракета может непрерывно стрелять).
В двух словах, конструкция «Ориона» включает в себя большой космический корабль с большим количеством термоядерных боеголовок, обеспечивающий движение, выпустив за собой бомбу, а затем запустив детонационную волну с помощью задней панели, называемой «толкатель». После каждого взрыва взрывная сила будет поглощаться этой толкающей подушкой, которая затем переводит тягу в импульс.
Хотя дизайн вряд ли изящен по современным стандартам, его преимущество заключается в том, что он достигает высокого удельного импульса, то есть извлекает максимальное количество энергии из своего источника топлива (в данном случае, ядерных бомб) с минимальными затратами. Кроме того, концепция может теоретически достигать очень высоких скоростей, при этом некоторые оценки предполагают, что приблизительная цифра достигает 5% скорости света (или 5,4 × 10).7 км / ч).
Но, конечно, есть неизбежные недостатки дизайна. Во-первых, построить корабль такого размера было бы невероятно дорого. Согласно оценкам, сделанным Дайсоном в 1968 году, космический корабль "Орион", который использовал водородные бомбы для генерации движителя, весил бы от 400 000 до 4 000 000 метрических тонн. И как минимум три четверти этого веса составляют ядерные бомбы, где каждая боеголовка весит примерно 1 метрическую тонну.
В целом, по самым скромным подсчетам Дайсона, общая стоимость строительства корабля Орион составляет 367 миллиардов долларов. С учетом инфляции это составляет примерно 2,5 триллиона долларов, что составляет более двух третей текущего годового дохода правительства США. Следовательно, даже в самом легком, ремесло будет чрезвычайно дорогим в производстве.
Существует также небольшая проблема всей радиации, которую он генерирует, не говоря уже о ядерных отходах. Фактически именно по этой причине проект, как полагают, был прекращен в связи с принятием Договора о частичном запрещении испытаний 1963 года, который был направлен на ограничение ядерных испытаний и прекращение чрезмерного выброса ядерных осадков в атмосферу планеты.
Fusion Rockets:
Другая возможность в области использования ядерной энергии включает ракеты, которые используют термоядерные реакции для создания тяги. В соответствии с этой концепцией энергия создается, когда гранулы смеси дейтерий / гелий-3 воспламеняются в реакционной камере путем инерционного удержания с использованием электронных пучков (аналогично тому, что делается в Национальном центре зажигания в Калифорнии). Этот термоядерный реактор будет детонировать 250 гранул в секунду, создавая высокоэнергетическую плазму, которая затем будет направляться магнитным соплом для создания тяги.
Подобно ракете, которая опирается на ядерный реактор, эта концепция предлагает преимущества с точки зрения эффективности использования топлива и конкретного импульса. Оценены скорости выхлопа до 10 600 км / с, что намного превышает скорость обычных ракет. Более того, за последние несколько десятилетий технология была тщательно изучена, и было сделано много предложений.
Например, в период между 1973 и 1978 годами Британское межпланетное общество провело технико-экономическое обоснование, известное как Project Daedalus. Опираясь на современные знания о технологии синтеза и существующих методах, исследование предусматривало создание двухэтапного беспилотного научного зонда, совершающего путешествие к звезде Барнарда (5,9 световых лет от Земли) за одну жизнь.
Первая ступень, большая из двух, будет работать в течение 2,05 лет и ускорит космический корабль до 7,1% скорости света (071 с). Затем эта стадия будет отброшена, и в этот момент вторая ступень будет зажигать свой двигатель и ускорять космический корабль примерно до 12% скорости света (0,12). с) в течение 1,8 года. Затем двигатель второй ступени будет остановлен, и корабль перейдет в 46-летний круизный период.
По оценкам Проекта, миссии понадобится 50 лет, чтобы достичь Звезды Барнарда. С учетом Проксима Центавра, то же самое судно может совершить путешествие в 36 лет, Но, конечно же, проект также выявил многочисленные камни преткновения, которые сделали его невозможным с использованием современных технологий, большинство из которых до сих пор не решены.
Например, существует тот факт, что гелия-3 на Земле мало, что означает, что его придется добывать в другом месте (скорее всего, на Луне). Во-вторых, реакция, которая управляет космическим кораблем, требует, чтобы выделяемая энергия значительно превышала энергию, используемую для запуска реакции. И хотя эксперименты здесь на Земле превзошли «цель безубыточности», мы все еще далеки от видов энергии, необходимых для питания межзвездного космического корабля.
В-третьих, существует фактор стоимости строительства такого корабля. Даже по скромному стандарту беспилотного корабля Project Daedalus, полностью заправленное судно будет весить до 60 000 Mt. Для сравнения: общий вес SLS НАСА составляет чуть более 30 млн. Тонн, а стоимость одного запуска составляет 5 миллиардов долларов (по оценкам, сделанным в 2013 году).
Короче говоря, термоядерная ракета будет не только чрезмерно дорогой в производстве; это также потребовало бы уровня технологии термоядерного реактора, который в настоящее время находится за пределами наших возможностей. Icarus Interstellar, международная организация гражданских ученых-добровольцев (некоторые из которых работали в НАСА или ЕКА), с тех пор пыталась оживить эту концепцию с помощью проекта Icarus. Основанная в 2009 году, группа надеется, что в ближайшем будущем станет возможной реализация термоядерного двигателя (помимо прочего).
Fusion Ramjet:
Эта теоретическая форма двигательной установки, также известная как Bussard Ramjet, была впервые предложена физиком Робертом В. Бусардом в 1960 году. По сути, она является усовершенствованием по сравнению со стандартной ракетой ядерного синтеза, которая использует магнитные поля для сжатия водородного топлива до такой степени, что синтез происходит. Но в случае с Ramjet огромная электромагнитная воронка «отбирает» водород из межзвездной среды и сбрасывает его в реактор в качестве топлива.
Когда корабль набирает скорость, реактивная масса вынуждена постепенно сжиматься в магнитном поле, сжимая его до тех пор, пока не произойдет термоядерный синтез. Затем магнитное поле направляет энергию в виде выхлопа ракеты через сопло двигателя, ускоряя тем самым сосуд. Без каких-либо топливных баков, чтобы утяжелить его, термоядерный двигатель может достигать скоростей, приближающихся к 4% скорости света, и путешествовать в любую точку галактики.
Тем не менее, потенциальные недостатки этого дизайна являются многочисленными. Например, существует проблема перетаскивания. Корабль полагается на увеличенную скорость, чтобы накапливать топливо, но, поскольку он сталкивается со все большим количеством межзвездного водорода, он также может терять скорость - особенно в более плотных областях галактики. Во-вторых, дейтерий и тритий (используемые в термоядерных реакторах здесь на Земле) редки в космосе, в то время как плавление обычного водорода (которого много в космосе) выходит за рамки наших нынешних методов.
Эта концепция получила широкое распространение в научной фантастике. Возможно, самый известный пример этого во франшизе Звездный путьгде «коллекторы Bussard» - светящиеся гондолы на двигателях основы. Но на самом деле наши знания о реакциях синтеза должны значительно продвинуться, прежде чем станет возможен ПВРД. Мы также должны были бы выяснить эту неприятную проблему сопротивления, прежде чем мы начали рассматривать строительство такого корабля!
Лазерный Парус:
Солнечные паруса давно считаются экономически эффективным способом изучения Солнечной системы. В дополнение к тому, что производство относительно простое и дешевое, есть дополнительный бонус от солнечных парусов, не требующих топлива. Вместо того, чтобы использовать ракеты, которые требуют ракетного топлива, парус использует радиационное давление от звезд, чтобы подтолкнуть большие ультратонкие зеркала к высокой скорости.
Однако ради межзвездного полета такой парус должен был бы приводиться в движение сфокусированными энергетическими лучами (то есть лазерами или микроволнами), чтобы подтолкнуть его к скорости, приближающейся к скорости света. Эта концепция была первоначально предложена Робертом Форвардом в 1984 году, который в то время был физиком в исследовательских лабораториях Hughes Aircraft.
Концепция сохраняет преимущества солнечного паруса в том смысле, что ему не требуется бортовое топливо, но также и тот факт, что лазерная энергия не рассеивается на расстоянии почти так же, как солнечное излучение. Таким образом, в то время как парус с лазерным приводом потребовал бы некоторого времени, чтобы разогнаться до почти светящихся скоростей, он был бы ограничен только скоростью самого света.
Согласно исследованию, проведенному в 2000 году Робертом Фрисби, директором по продвинутым концепциям движителей в Лаборатории реактивного движения НАСА, лазерный парус можно было бы ускорить до половины скорости света менее чем за десятилетие. Он также рассчитал, что парус диаметром около 320 км (200 миль) может достичь Проксимы Центавра чуть более 12 лет, Между тем, парус размером около 965 км (600 миль) в диаметре прибудет чуть ниже 9 лет.
Однако такой парус должен был бы быть построен из современных композитов, чтобы избежать таяния. В сочетании с его размерами это составит довольно копейки! Еще хуже то, что огромные расходы, понесенные при создании лазера, достаточно большого и мощного, позволят развить парус на половине скорости света. Согласно собственному исследованию Фрисби, лазерам потребовался бы постоянный поток энергии в 17 000 тераватт - почти столько же, сколько потребляет весь мир за один день.
Антиматерия двигателя:
Любители научной фантастики наверняка слышали об антивеществе. Но если вы этого не сделаете, антивещество - это, по сути, материал, состоящий из античастиц, которые имеют ту же массу, но противоположный заряд, как и обычные частицы. Между тем двигатель антивещества - это форма движителя, которая использует взаимодействия между веществом и антивеществом для генерирования энергии или создания тяги.
Короче говоря, двигатель антивещества вовлекает частицы водорода и антиводорода, которые хлопают вместе. Эта реакция высвобождает столько же энергии, сколько термоядерная бомба, а также поток субатомных частиц, называемых пионами и мюонами. Эти частицы, которые будут перемещаться на одну треть скорости света, затем направляются магнитным соплом для создания тяги.
Преимущество этого класса ракет состоит в том, что большая часть массы покоя смеси вещества и антивещества может быть преобразована в энергию, что позволяет ракетам-антивеществу иметь гораздо более высокую плотность энергии и удельный импульс, чем у любого другого предлагаемого класса ракет. Более того, управление такой реакцией может привести к увеличению скорости ракеты до половины скорости света.
Фунт за фунт, этот класс кораблей был бы самым быстрым и самым экономичным из когда-либо задуманных. В то время как обычным ракетам требуются тонны химического топлива, чтобы доставить космический корабль к месту назначения, двигатель-антивещество мог бы выполнить ту же работу с несколькими миллиграммами топлива. Фактически, взаимное уничтожение полфунта частиц водорода и антиводорода даст больше энергии, чем 10-мегатонная водородная бомба.
Именно по этой причине НАСА Институт передовых концепций (NIAC) исследовал технологию как возможное средство для будущих миссий на Марс. К сожалению, при рассмотрении миссий в близлежащие звездные системы количество топлива, необходимое для совершения поездки, увеличивается в геометрической прогрессии, и затраты на его производство будут астрономическими (без каламбура!).
Согласно отчету, подготовленному для 39-й Совместной конференции и выставки AIAA / ASME / SAE / ASEE (также Роберта Фрисби), двухступенчатой ракете-антивеществу потребуется более 815 000 метрических тонн (900 000 тонн США) топлива, чтобы совершить поездку Проксима Центавра примерно через 40 лет. Это не плохо, насколько сроки идут. Но опять же, стоимость ...
Принимая во внимание, что один грамм антиматерии произвел бы невероятное количество энергии, считается, что производство одного грамма потребовало бы приблизительно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоило бы более триллиона долларов. В настоящее время общее количество антивещества, созданного человеком, составляет менее 20 нанограмм.
И даже если бы мы могли производить дешевую антивещество, вам понадобился бы огромный корабль, чтобы вместить необходимое количество топлива. Согласно отчету доктора Даррела Смита и Джонатана Уэбби из Аэронавигационного университета им. Эмбри-Риддла в Аризоне, межзвездное судно, оснащенное двигателем-антивеществом, могло достигать скорости света 0,5 и достигать Проксимы Центавра чуть более 8 лет, Тем не менее, сам корабль будет весить 400 метрических тонн (441 тонна США) и ему потребуется 170 метрических тонн (187 тонны США) топлива для антивещества, чтобы совершить поездку.
Возможный способ обойти это - создать сосуд, который может создать антивещество, которое затем можно будет хранить в качестве топлива. Эта концепция, известная как межзвездная система исследования вакуума для антиматерии (VARIES), была предложена Ричардом Обуси из Icarus Interstellar. Основываясь на идее дозаправки на месте, корабль VARIES будет полагаться на большие лазеры (работающие на огромных солнечных батареях), которые будут создавать частицы антивещества при стрельбе в пустом пространстве.
Подобно концепции Ramjet, это предложение решает проблему перевозки топлива, используя его из космоса. Но опять же, чистая стоимость такого корабля будет чрезмерно дорогой, если использовать современные технологии. Кроме того, способность создавать антивещество в больших объемах - это не то, чем мы в настоящее время обладаем. Существует также вопрос излучения, поскольку аннигиляция вещества-антивещества может привести к вспышкам высокоэнергетических гамма-лучей.
Это не только представляет опасность для экипажа, требующего значительного экранирования от излучения, но также требует, чтобы двигатели были также экранированы, чтобы гарантировать, что они не подвергаются атомной деградации от всего излучения, которому они подвергаются. Итак, суть в том, что антиматерия совершенно нецелесообразна с нашей нынешней технологией и в нынешних бюджетных условиях.
Alcubierre Warp Drive:
Любители научной фантастики также, без сомнения, знакомы с концепцией драйва Алькубьерра (или «Деформации»). Предложенный мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, этот предложенный метод был попыткой сделать возможным путешествие по ФТЛ без нарушения теории специальной теории относительности Эйнштейна. Короче говоря, концепция включает в себя растягивание ткани пространства-времени в волне, что теоретически приведет к сокращению пространства перед объектом и расширению пространства позади него.
Объект внутри этой волны (то есть космический корабль) сможет затем перемещаться по этой волне, известной как «варп-пузырь», за пределы релятивистских скоростей. Поскольку корабль движется не внутри этого пузыря, а движется вместе с ним, правила пространства-времени и относительности перестали бы применяться. Причина в том, что этот метод не основан на перемещении быстрее света в местном смысле.
Это только «быстрее, чем свет» в том смысле, что корабль может достигнуть пункта назначения быстрее, чем луч света, который путешествовал за пределы варп-пузыря. Таким образом, предполагая, что космический корабль может быть оснащен системой Alcubierre Drive, он сможет совершить поездку на Проксиму Центавра в менее 4 лет, Поэтому, когда речь идет о теоретических межзвездных космических путешествиях, это, безусловно, самая перспективная технология, по крайней мере, с точки зрения скорости.
Естественно, концепция получила свою долю контраргументов на протяжении многих лет. Главным среди них является тот факт, что он не принимает во внимание квантовую механику и может быть аннулирован Теорией Всего (такой как петлевая квантовая гравитация). Расчеты количества требуемой энергии также показали, что основному приводу потребовалось бы чрезмерное количество энергии для работы. Другие неопределенности включают безопасность такой системы, влияние на пространство-время в пункте назначения и нарушения причинно-следственных связей.
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!
