Všichni jsme se na tuto otázku v určitém okamžiku svého života zeptali: Jak dlouho bude trvat, než cestujeme ke hvězdám? Mohlo by to být v osobním životě a mohl by se tento druh cestování jednou stát normou? Na tuto otázku existuje mnoho možných odpovědí - některé velmi jednoduché, jiné v oblasti sci-fi. Ale přijít s komplexní odpovědí znamená vzít v úvahu spoustu věcí.
Bohužel, jakékoli realistické hodnocení pravděpodobně povede k odpovědím, které by zcela odradily futuristy a nadšence mezihvězdného cestování. Prostě se to líbí nebo ne, prostor je velmi velký a naše technologie je stále velmi omezená. Pokud bychom však někdy uvažovali o „opuštění hnízda“, budeme mít řadu možností, jak se dostat do nejbližší sluneční soustavy v naší galaxii.
Nejbližší hvězdou na Zemi je naše Slunce, což je poměrně „průměrná“ hvězda v Hertzsprung - Russellově diagramu „Hlavní sekvence“. To znamená, že je vysoce stabilní a poskytuje Zemi správný typ slunečního světla pro život, který se bude vyvíjet na naší planetě. Víme, že v blízkosti naší sluneční soustavy jsou planety obíhající kolem jiných hvězd a mnoho z těchto hvězd je podobných našim.
V budoucnu, pokud by si lidé přáli opustit Sluneční soustavu, budeme mít obrovský výběr hvězd, do kterých bychom mohli cestovat, a mnoho z nich by mohlo mít dobré podmínky pro to, aby se dařilo. Kam bychom ale šli a jak dlouho by to trvalo, než jsme se tam dostali? Jen si pamatujte, že to vše je spekulativní a v současné době neexistuje žádný standard pro mezihvězdné cesty. Jak již bylo řečeno, jdeme!
Nejbližší hvězda:
Jak již bylo uvedeno, nejbližší hvězdou naší Sluneční soustavy je Proxima Centauri, což je důvod, proč má největší smysl nejprve naplánovat mezihvězdnou misi do tohoto systému. Jako součást trojhvězdného systému zvaného Alpha Centauri je Proxima asi 4,24 světelných let (nebo 1,3 parsec) od Země. Alpha Centauri je ve skutečnosti nejjasnější hvězdou tří v systému - součástí těsně obíhajících binárních 4,37 světelných let od Země - zatímco Proxima Centauri (nejtlumnější ze tří) je izolovaný červený trpaslík asi 0,13 světelných let od binárního .
A zatímco mezihvězdné cestování vyvolává nejrůznější vize cestování rychleji než světlem (FTL), od rychlosti osnovy a červí díry po skokové jednotky, takové teorie jsou buď vysoce spekulativní (jako například Alcubierre Drive) nebo zcela provincie vědy beletrie. Je pravděpodobné, že jakákoli vesmírná mise bude pravděpodobně trvat generace, než se tam dostanou, spíše než pár dní nebo v okamžitém blesku.
Takže, počínaje jednou z nejpomalejších forem kosmického cestování, jak dlouho bude trvat, než se dostanete do Proxima Centauri?
Aktuální metody:
Otázka, jak dlouho bude trvat někde ve vesmíru, je o něco jednodušší, když se zabýváme existující technologií a těly v naší sluneční soustavě. Například použití technologie, která poháněla misi New Horizons - která se skládala ze 16 pohonných jednotek poháněných hydrazinovým monopropellantem - by dosažení Měsíce trvalo jen 8 hodin a 35 minut.
Na druhé straně existuje mise Evropské kosmické agentury (ESA) SMART-1, která si vyžádala cestu na Měsíc metodou iontového pohonu. S touto revoluční technologií, jejíž obměna již používala kosmická loď Dawn k dosažení Vesty, trvalo mise SMART-1 jeden měsíc, jeden měsíc a dva týdny, než dosáhla Měsíce.
Od rychlé vesmírné lodi s raketovým pohonem až po ekonomickou iontovou jednotku máme několik možností, jak se obejít po místním prostoru - a navíc bychom mohli použít Jupiter nebo Saturn pro statný gravitační prak. Pokud bychom však měli uvažovat o misích někde o něco více z cesty, museli bychom rozšířit naši technologii a podívat se na to, co je skutečně možné.
Když řekneme možné metody, hovoříme o těch, které zahrnují existující technologii nebo o těch, které ještě neexistují, ale jsou technicky proveditelné. Některé, jak uvidíte, jsou oceněny časem a osvědčeny, zatímco jiné se objevují nebo jsou stále na palubě. Téměř ve všech případech však představují možný (ale extrémně časově nebo drahý) scénář, jak dosáhnout i těch nejbližších hvězd…
Iontový pohon:
V současné době je nejpomalejší formou pohonu a nejúčinnějším palivem iontový motor. Před několika desítkami let byl iontový pohon považován za předmět science fiction. Avšak v posledních letech se technologie na podporu iontových motorů posunula od teorie k praxi velkým způsobem. Například mise ESA SMART-1 úspěšně dokončila svou misi na Měsíc po 13měsíční spirálové cestě ze Země.
SMART-1 používal iontově poháněné solární pohony, kde byla ze solárních panelů odebírána elektrická energie a využívána k pohánění svých tryskačů typu Hall. K pohonu SMART-1 na Měsíc bylo použito pouze 82 kg xenonové pohonné hmoty. 1 kg hnací látky xenonu poskytovalo delta-v 45 m / s. Toto je vysoce efektivní forma pohonu, ale v žádném případě není rychlá.
Jednou z prvních misí s využitím technologie iontového pohonu byla Hluboký vesmír 1 mise do Comet Borrelly, která se konala v roce 1998. DS1 také používala xenonový pohon iontů, který spotřeboval 81,5 kg paliva. Během 20 měsíců strčení se podařilo DS1 během letu s kometou dosáhnout rychlosti 56 000 km / h (35 000 mil / h).
Iontové trysky jsou proto ekonomičtější než raketová technologie, protože tah paliva na jednotku paliva (a.k.a. specifický impuls) je mnohem vyšší. Ale iontovým pohonům trvá dlouho, než zrychlí kosmickou loď na jakoukoli velkou rychlost a maximální rychlost, kterou může dosáhnout, závisí na dodávce paliva a na množství elektrické energie, kterou může generovat.
Takže pokud by měl být iontový pohon použit pro misi v Proxima Centauri, poháněly by poháněče obrovský zdroj výroby energie (tj. Jaderná energie) a velké množství hnací látky (i když stále méně než konvenční rakety). Ale na základě předpokladu, že dodávka 81,5 kg xenonového paliva se promítá do maximální rychlosti 56 000 km / h (a že neexistují žádné jiné formy pohonu, jako je gravitační prak, který by jej dále urychlil), některé výpočty mohou být vyroben.
Stručně řečeno, maximální rychlostí 56 000 km / h, Hluboký vesmír 1 převezme to 81 000 let překročit 4,24 světelných let mezi Zemí a Proximou Centauri. Abych uvedl tento časový rámec v perspektivě, bylo by to přes 2700 lidských generací. Je tedy bezpečné říci, že mise meziplanetárního iontového motoru by byla příliš pomalá na to, aby mohla být uvažována pro mezihvězdnou misi s posádkou.
Pokud by však byly ionizační trysky větší a silnější (tj. Rychlost výfuků iontů by musela být výrazně vyšší), a bylo by možné natáhnout dost pohonné hmoty, aby se kosmická loď mohla udržet po celou cestu světelným rokem 4 433, tato cestovní doba by mohla být výrazně snížena. Stále však nestačí na to, aby se někdo v životě stal.
Metoda gravitační asistence:
Nejrychlejší existující prostředek pro cestování vesmírem je známý jako metoda gravitace asistence, která zahrnuje kosmickou loď používající relativní pohyb (tj. Oběžnou dráhu) a gravitaci planety pro změnu, je cesta a rychlost. Gravitační asistence jsou velmi užitečnou technikou kosmického letu, zejména při použití Země nebo jiné masivní planety (jako plynový gigant) pro zvýšení rychlosti.
Námořník 10 kosmická loď byla první, kdo použil tuto metodu, pomocí gravitačního tahu Venuše k jejímu přiblížení k Merkuru v únoru 1974. V 80. letech Voyager 1 sonda použila Saturn a Jupiter pro gravitační praky, aby dosáhla své současné rychlosti 60 000 km / h (38 000 mil / h) a učinila z ní mezihvězdný prostor.
Nicméně, to bylo Helios 2 mise - která byla zahájena v roce 1976 za účelem studia meziplanetárního média od 0,3 AU do 1 AU ke Slunci - která drží rekord pro nejvyšší rychlost dosaženou pomocí gravitační asistence. V době, kdy, Helios 1 (který byl zahájen v roce 1974) a Helios 2 držel rekord pro nejbližší přístup k Slunci. Helios 2 byl vypuštěn konvenčním nosným vozidlem NASA Titan / Centaur a umístěn na vysoce eliptickou dráhu.
Vzhledem k velké excentricitě (0,54) sluneční sondy sondy (190 dnů) v perihelionu, Helios 2 byl schopen dosáhnout maximální rychlosti přes 240 000 km / h (150 000 mil / h). Tuto orbitální rychlost bylo dosaženo gravitačním tahem Slunce. Technicky, Helios 2 perihelionová rychlost nebyla gravitačním prakem, byla to maximální orbitální rychlost, ale stále drží rekord za to, že byl nejrychlejším člověkem vytvořeným objektem bez ohledu na to.
Takže když Voyager 1 cestoval ve směru k červenému trpaslíkovi Proxima Centauri konstantní rychlostí 60 000 km / h, cesta této vzdálenosti by trvala 76 000 let (nebo více než 2 500 generací). Ale pokud by to mohlo dosáhnout rekordní rychlosti Helios 2Blízký přístup ke Slunci - konstantní rychlost 240 000 km / h - to by vyžadovalo 19 000 let (nebo více než 600 generací) na cestu 4 433 světelných let. Výrazně lepší, ale stále ne v oblasti praktičnosti.
Elektromagnetický (EM) pohon:
Další navrhovaná metoda mezihvězdného cestování přichází ve formě vysokofrekvenčního (RF) rezonančního kavitárního Thrusteru, známého také jako EM Drive. Původně navržený v roce 2001 Rogerem K. Shawyerem, britským vědcem, který zahájil provoz společnosti Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), aby byl uskutečněn, je tento pohon postaven na myšlence, že elektromagnetické mikrovlnné dutiny mohou umožnit přímou přeměnu elektrické energie na tah .
Zatímco konvenční elektromagnetické poháněče jsou navrženy k pohonu určitého typu hmoty (jako jsou ionizované částice), tento konkrétní pohonný systém spoléhá na žádnou reakční hmotu a nevyzařuje žádné směrové záření. Takový návrh se setkal s velkým skepticismem, zejména proto, že porušuje zákon zachování hybnosti - který uvádí, že v systému zůstává velikost hybnosti konstantní a není ani vytvořena ani zničena, ale mění se pouze působením síly.
Nedávné experimenty s návrhem však zřejmě přinesly pozitivní výsledky. V červenci 2014, na 50. společné konferenci AIAA / ASME / SAE / ASEE v Clevelandu v Ohiu, vědci z pokročilého výzkumu pohonu NASA prohlašovali, že úspěšně otestovali nový design elektromagnetického pohonu.
To bylo sledováno v dubnu 2015, kdy vědci z NASA Eagleworks (součást Johnsonova vesmírného centra) prohlašovali, že disk úspěšně otestovali ve vakuu, což je známkou toho, že by ve skutečnosti mohl fungovat ve vesmíru. V červenci téhož roku sestavil výzkumný tým z oddělení kosmického systému Drážďanské univerzity technologie svou vlastní verzi motoru a pozoroval zjistitelný tah.
A v roce 2010 začala prof. Juan Yang z Northwestern Polytechnical University v Xi'an v Číně publikovat řadu článků o svém výzkumu technologie EM Drive. To vyvrcholilo jejím příspěvkem z roku 2012, kde uvedla vyšší vstupní výkon (2,5 kW) a testované úrovně tahu (720 mN). V roce 2014 dále oznámila rozsáhlé testy zahrnující měření vnitřní teploty se zabudovanými termočlánky, což podle všeho potvrdilo, že systém fungoval.
Podle výpočtů založených na prototypu NASA (který poskytl odhad výkonu 0,4 N / kilowatt), mohla kosmická loď vybavená jednotkou EM provést výlet do Pluta za méně než 18 měsíců. To je šestina času, než se tam dostala sonda New Horizons, která cestovala rychlostí téměř 58 000 km / h (36 000 mph).
Zní to působivě. Ale i při této rychlosti by to přebralo loď vybavenou EM motory 13 000 let aby se plavidlo dostalo do Proxima Centauri. Blíží se, ale ne dost rychle! a dokud nebude tato technologie definitivně prokázána, že nebude fungovat, nemá smysl vkládat naše vejce do tohoto košíku.
Jaderný tepelný / jaderný elektrický pohon (NTP / NEP):
Další možností pro mezihvězdný vesmírný let je použití kosmické lodi vybavené jadernými motory, což je koncept, který NASA zkoumá po celá desetiletí. V raketě nukleárního tepelného pohonu (NTP) se uranové nebo deuteriové reakce používají k ohřevu kapalného vodíku uvnitř reaktoru a přeměňují jej na ionizovaný vodíkový plyn (plazma), který se pak vede přes trysku rakety, aby se vytvořil tah.
Raketa jaderného elektrického pohonu (NEP) zahrnuje stejný základní reaktor, který přeměňuje své teplo a energii na elektrickou energii, která by pak poháněla elektrický motor. V obou případech by se raketa spoléhala na jaderné štěpení nebo fúzi, která by generovala pohon spíše než chemické pohonné hmoty, což bylo dosud základem NASA a všech ostatních vesmírných agentur.
Ve srovnání s chemickým pohonem nabízejí NTP i NEC řadu výhod. První a nejzřetelnější je prakticky neomezená hustota energie, kterou nabízí ve srovnání s raketovým palivem. Kromě toho by motor s jaderným pohonem mohl také poskytovat lepší tah vzhledem k množství použitého paliva. Tím by se snížilo celkové potřebné množství pohonné hmoty, čímž by se snížila hmotnost startu a náklady na jednotlivé mise.
Ačkoli žádný jaderný-tepelný motor nikdy neletěl, několik konstrukčních konceptů bylo vyrobeno a testováno v posledních několika desetiletích a bylo navrženo mnoho konceptů. Ty se pohybovaly od tradičního designu s pevným jádrem - jako je jaderný motor pro aplikaci raketových vozidel (NERVA) - až po pokročilejší a účinnější koncepce, které se spoléhají na kapalinové nebo plynové jádro.
Navzdory těmto výhodám v palivové účinnosti a specifickém impulzu má však nejdokonalejší koncept NTP maximální specifický impuls 5 000 sekund (50 kN · s / kg). Při použití jaderných motorů řízených štěpením nebo fúzí vědci odhadují, že kosmická loď bude potřebovat jen 90 dní, než se dostane na Mars, když bude planeta v „opozici“ - tj. Tak blízko 55 000 000 km od Země.
Ale upravená pro jednosměrnou cestu do Proxima Centauri, by jaderná raketa stále stála, než by zrychlila do bodu, kdy letí zlomkem rychlosti světla. To by pak vyžadovalo několik desetiletí cesty, následovalo by mnoho dalších staletí zpomalení, než dosáhne svého cíle. Všichni říkáme, stále mluvíme 1000 let než dosáhne svého cíle. Dobré pro meziplanetární mise, ne dobré pro mezihvězdné.
Teoretické metody:
Při použití stávajících technologií by čas, který by musel vědcům a kosmonautům na mezihvězdné mise trvat, byl neúměrně pomalý. Pokud chceme tuto cestu uskutečnit během jediného života nebo dokonce generace, bude třeba něco radikálnějšího (aka. Vysoce teoretického). A zatímco červí díry a skokové motory mohou být v tomto bodě stále čistou fikcí, existuje několik poněkud pokročilých myšlenek, které byly v průběhu let zvažovány.
Pohon jaderných pulzů:
Pohon jaderných pulzů je teoreticky možná forma rychlého vesmírného cestování. Koncept byl původně navržen v roce 1946 polsko-americkým matematikem Stanislawem Ulamem, který se účastnil projektu Manhattan, a předběžné výpočty pak provedl F. Reines a Ulam v roce 1947. Skutečný projekt - známý jako Project Orion - byl zahájen v roce 1958 a trval do roku 1963.
V čele s Tedem Taylorem na General Atomics a fyzikem Freemanem Dysonem z Institutu pro pokročilé studium v Princetonu Orion doufal, že využije sílu pulzních jaderných explozí a poskytne obrovský tah s velmi vysokým specifickým impulzem (tj. Množství tahu ve srovnání s hmotností nebo množství sekund, které může raketa neustále střílet).
Stručně řečeno, design Orionu zahrnuje velkou kosmickou loď s vysokou dodávkou termonukleárních hlavic, která dosahuje pohonu uvolněním bomby za ní a následným výbuchem vlny detonace pomocí zadní podložky nazývané „tlačný stroj“. Po každém výbuchu by výbušná síla byla pohlcena touto tlačnou podložkou, která pak převede tah do hybnosti.
Ačkoliv moderní standardy nejsou sotva elegantní, výhodou návrhu je, že dosahuje vysokého specifického impulsu - to znamená, že odebírá maximální množství energie ze svého zdroje paliva (v tomto případě jaderné bomby) při minimálních nákladech. Kromě toho by koncept mohl teoreticky dosáhnout velmi vysokých rychlostí, přičemž některé odhady naznačují, že míra světového parku dosahuje až 5% rychlosti světla (nebo 5,4 × 10)7 km / h).
Ale samozřejmě, tam nevyhnutelné nevýhody designu. Pro jednoho, stavba lodi takové velikosti by byla neuvěřitelně nákladná. Podle odhadů, které vytvořil Dyson v roce 1968, by kosmická loď Orion, která používala vodíkové bomby k vytvoření pohonu, měla hmotnost 400 000 až 4 000 000 metrických tun. Alespoň tři čtvrtiny této hmotnosti se skládají z jaderných bomb, kde každá hlavice váží přibližně 1 metrickou tunu.
Podle všeho nejkonzervativnější odhady společnosti Dyson umístily celkové náklady na stavbu orionského plavidla na 367 miliard dolarů. Upraveno o inflaci, které se odhaduje na zhruba 2,5 bilionu dolarů - což představuje více než dvě třetiny současného ročního příjmu vlády USA. Proto by bylo řemeslo i při nejlehčím provedení velmi nákladné.
Existuje také nepatrný problém veškerého záření, které vytváří, nemluvě o jaderném odpadu. Ve skutečnosti je to z tohoto důvodu, že se předpokládá, že byl projekt ukončen, a to v důsledku uzavření smlouvy o částečném zákazu zkoušek z roku 1963, která se snažila omezit jaderné testování a zastavit nadměrné uvolňování jaderného spadu do atmosféry planety.
Fúzní rakety:
Další možnost v oblasti využívané jaderné energie zahrnuje rakety, které se spoléhají na termonukleární reakce a vytvářejí tah. Pro tento koncept je energie vytvářena, když jsou pelety směsi deuteria / helia-3 zapáleny v reakční komoře inertním uvězněním pomocí elektronových paprsků (podobné tomu, co se provádí v Národním zapalovacím zařízení v Kalifornii). Tento fúzní reaktor by odpálil 250 pelet za sekundu, aby se vytvořila vysoce energetická plazma, která by pak byla řízena magnetickou tryskou pro vytvoření tahu.
Stejně jako raketa, která se spoléhá na jaderný reaktor, nabízí tento koncept výhody, pokud jde o spotřebu paliva a specifický impuls. Odhadují se rychlosti výfukových plynů až 10 600 km / s, což je daleko za rychlostí konvenčních raket. 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 známou jako Project Daedalus. Studie se spoléhala na současné znalosti technologie fúze a stávajících metod a vyzvala k vytvoření dvoustupňové vědecké sondy bez posádky, která by za jediný život vyrazila na Barnardovu hvězdu (5,9 světelných let od Země).
První fáze, větší z těchto dvou, by fungovala po dobu 2,05 let a urychlila by kosmická loď na 7,1% rychlost světla (o.071) C). Tato fáze by byla poté odhozena, v tomto okamžiku by druhá fáze zapálila motor a akcelerovala kosmickou loď až na přibližně 12% rychlosti světla (0,12) C) v průběhu 1,8 roku. Druhý stupeň motoru by pak byl odstaven a loď by vstoupila do 46letého výletního období.
Podle odhadů projektu by mise trvala 50 let, než dosáhla Barnardovy hvězdy. Upraveno pro Proxima Centauri, stejné plavidlo by se mohlo vydat na cestu 36 let. Projekt ovšem samozřejmě také identifikoval četné překážky, které znemožnily použití tehdejší technologie - většina z nich stále není vyřešena.
Například existuje skutečnost, že na Zemi je hélium 3 vzácné, což znamená, že by se muselo těžit jinde (nejpravděpodobněji na Měsíci). Za druhé, reakce, která řídí kosmickou loď, vyžaduje, aby uvolněná energie značně převyšovala energii spotřebovanou ke spuštění reakce. A zatímco experimenty zde na Zemi překonaly „zlomový cíl“, jsme stále daleko od druhů energie potřebné k pohonu mezihvězdné vesmírné lodi.
Zatřetí, existuje nákladový faktor pro stavbu takové lodi. I při skromném standardu bezpilotních plavidel Project Daedalus by plně poháněné plavidlo váže až 60 000 Mt. Abych to uvedl v perspektivě, hrubá váha SLS NASA je něco přes 30 Mt a jediné spuštění přichází s cenovkou 5 miliard USD (na základě odhadů provedených v roce 2013).
Stručně řečeno, fúzní raketa by byla nejen neúnosně nákladná na stavbu; vyžadovalo by to také úroveň technologie fúzního reaktoru, která je v současné době nad naše možnosti. Icarus Interstellar, mezinárodní organizace dobrovolných občanských vědců (z nichž někteří pracovali pro NASA nebo ESA), se od té doby pokusili koncept revitalizovat pomocí projektu Icarus. Skupina byla založena v roce 2009 a doufá, že fúzní pohon (mimo jiné) bude v blízké budoucnosti proveditelný.
Fusion Ramjet:
Tato teoretická forma pohonu, známá také jako Bussard Ramjet, byla poprvé navržena fyzikem Robertem W. Bussardem v roce 1960. V podstatě jde o vylepšení oproti standardní jaderné fúzní raketě, která využívá magnetická pole ke stlačování vodíkového paliva do bodu, kdy dojde k fúzi dojde. Ale v případě Ramjeta obrovský elektromagnetický trychtýř „nabírá“ vodík z mezihvězdného média a vypouští jej do paliva jako palivo.
Jak loď nabírá rychlost, je reaktivní hmota tlačena do progresivně zúženého magnetického pole a stlačuje ji, dokud nedojde k termonukleární fúzi. Magnetické pole poté směruje energii jako raketový výfuk přes trysku motoru, čímž zrychluje plavidlo. Bez jakýchkoli palivových nádrží, které by jej vážily, by fúzní tryskový paprsek mohl dosáhnout rychlosti blížící se 4% rychlosti světla a cestovat kamkoli v galaxii.
Potenciální nevýhody tohoto designu jsou však četné. Například je zde problém s přetažením. Loď se spoléhá na zvýšenou rychlost, aby akumulovala palivo, ale protože se srazí s více a více mezihvězdným vodíkem, může také ztratit rychlost - zejména v hustších oblastech galaxie. Za druhé, deuterium a tritium (používané ve fúzních reaktorech zde na Zemi) jsou ve vesmíru vzácné, zatímco roztavení normálního vodíku (který je v prostoru hojný) je nad naše současné metody.
Tento koncept byl značně popularizován ve sci-fi. Snad nejznámějším příkladem je franšíza Star Trek, kde „Bussardoví sběratelé“ jsou zářící gondoly na warpových motorech. Ale ve skutečnosti naše znalosti fúzních reakcí musí značně pokročit, než bude možné náporové trysky. Museli bychom také přijít na to otravné tažení, než jsme začali uvažovat o stavbě takové lodi!
Laserová plachta:
Sluneční plachty jsou dlouho považovány za nákladově efektivní způsob objevování Sluneční soustavy. Kromě toho, že je relativně snadná a levná výroba, je zde navíc bonus solárních plachet, které nevyžadují palivo. Spíše než použití raket, které vyžadují pohonnou hmotu, plachta používá radiační tlak hvězd k tlačení velkých ultratenkých zrcadel na vysoké rychlosti.
Avšak kvůli mezihvězdnému letu by taková plachta musela být poháněna zaostřenými energetickými paprsky (tj. Lasery nebo mikrovlnami), aby ji tlačila na rychlost přibližující se rychlosti světla. Koncept byl původně navržen Robertem Forwardem v roce 1984, který byl tehdy fyzikem ve výzkumných laboratořích Hughes Aircraft.
Tento koncept si zachovává výhody solární plachty v tom, že nevyžaduje žádné palivo na palubě, ale také ze skutečnosti, že laserová energie se neztrácí se vzdáleností téměř stejně jako sluneční záření. Takže zatímco laserem poháněná plachta bude nějakou dobu trvat, než zrychlí na téměř světelné rychlosti, bude omezena pouze na rychlost světla samotného.
Podle studie z roku 2000, kterou vypracoval Robert Frisbee, ředitel studií pokročilého konceptu pohonu v laboratoři Jet Propulsion Laboratory, mohla být laserová plachta zrychlena na polovinu rychlosti světla za méně než deset let. Vypočítal také, že plachta o průměru asi 320 km (200 mil) by mohla dosáhnout na Proxima Centauri těsně přes 12 let. Mezitím by těsně pod hladinu dorazila plachta o průměru asi 965 km (600 mil) 9 let.
Taková plachta by však musela být vyrobena z pokročilých kompozitů, aby nedošlo k roztavení. V kombinaci s jeho velikostí by to znamenalo pěknou penny! Ještě horší jsou pouhé náklady vynaložené na vybudování laseru, který je dostatečně velký a výkonný, aby poháněl plachtu na poloviční rychlost světla. Podle Frisbeeho vlastní studie by lasery vyžadovaly stálý tok 17 000 terawattů energie - téměř to, co celý svět spotřebuje za jediný den.
Antihmotový motor:
Fanoušci sci-fi jistě slyšeli o antihmotě. Ale pokud nemáte, antihmota je v podstatě materiál složený z antičástic, které mají stejnou hmotnost, ale opačný náboj jako běžné částice. Antihmotový motor je mezitím forma pohonu, která využívá interakce mezi hmotou a antihmotou k výrobě energie nebo k vytvoření tahu.
Stručně řečeno, antihmotový motor zahrnuje částice vodíku a antihydrogenu, které jsou spolu zabouchnuty. Tato reakce uvolní tolik energie jako termonukleární bomba, spolu se sprchou subatomových částic zvaných piony a miony. Tyto částice, které by se pohybovaly o jednu třetinu rychlostí světla, jsou pak směrovány pomocí magnetické trysky pro generování tahu.
Výhoda této třídy raket je v tom, že velká část zbytkové hmoty směsi hmoty a antihmoty může být přeměněna na energii, což umožňuje, aby antihmotové rakety měly mnohem vyšší hustotu energie a specifický impuls než jakákoli jiná navržená třída rakety. A co víc, ovládání tohoto druhu reakce by mohlo představit raketu až na polovinu rychlosti světla.
Libra za libru, tato třída lodí by byla nejrychlejší a nejúspornější z hlediska paliv. Zatímco konvenční rakety vyžadují tuny chemického paliva k pohonu kosmické lodi na místo určení, antihmotový motor by mohl dělat stejnou práci jen s několika miligramy paliva. Ve skutečnosti by vzájemné zničení půl libry vodíku a antihydrogenních částic uvolnilo více energie než 10megatonová vodíková bomba.
Právě z tohoto důvodu NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) prozkoumal tuto technologii jako možný prostředek pro budoucí mise na Marsu. Při uvažování o misích do blízkých hvězdných systémů se bohužel množství paliva potřebné k uskutečnění cesty znásobí exponenciálně a náklady spojené s jeho výrobou by byly astronomické (bez hříčky!).
Podle zprávy připravené pro 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE společnou pohonnou konferenci a výstavu (také Robert Frisbee), dvoustupňová antihmotná raketa bude potřebovat více než 815 000 metrických tun (900 000 amerických tun) paliva, aby se vydala na cestu do Proxima Centauri přibližně za 40 let. To není špatné, pokud jde o časové osy. Ale znovu, náklady…
Zatímco jediný gram antihmoty by produkoval neuvěřitelné množství energie, odhaduje se, že výroba jen jednoho gramu by vyžadovala přibližně 25 milionů miliard kilowatthodin energie a stála by přes bilion dolarů. V současné době je celkové množství antihmoty vytvořené lidmi méně než 20 nanogramů.
A i kdybychom mohli vyrobit antihmotu pro levné, budete potřebovat obrovskou loď, která pojme potřebné palivo. Podle zprávy Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby z Embry-Riddle Aeronautical University v Arizoně může mezihvězdné plavidlo vybavené antihmotovým motorem dosáhnout o 0,5 rychlosti světla a dosáhnout Proxima Centauri o něco přes 8 let. Samotná loď by však vážila 400 metrických tun (441 amerických tun) a potřebovala 170 metrických tun (187 amerických tun) antihmotného paliva, aby mohla podniknout cestu.
Možným řešením je vytvoření nádoby, která dokáže vytvořit antihmotu, kterou pak může uložit jako palivo. Tento koncept, známý jako vakuový antihmotový raketový mezihvězdný průzkumný systém (VARIES), navrhl Richard Obousy z Icarus Interstellar. Na základě myšlenky tankování na místě by se loď VARIES spoléhala na velké lasery (poháněné obrovskými solárními poli), které by při palbě na prázdný prostor vytvářely částice antihmoty.
Podobně jako u konceptu Ramjet i tento návrh řeší problém přepravy paliva tím, že ho využívá z vesmíru. Ale opět by byly pouhé náklady na takovou loď při současné technologii neúměrně drahé. Kromě toho schopnost vytvářet antihmotu ve velkých objemech není něco, co v současné době máme pravomoc dělat. Existuje také záležitost záření, protože zničení hmoty a antihmoty může vést k výbuchům vysokoenergetických paprsků gama.
To nejen představuje nebezpečí pro posádku, vyžaduje značné stínění záření, ale vyžaduje také stínění motorů, aby bylo zajištěno, že nepodstoupí atomovou degradaci ze všech radiace, kterým jsou vystaveny. Díky tomu je antihmotový motor zcela nepraktický s naší současnou technologií a v současném rozpočtovém prostředí.
Alcubierre Warp Drive:
Fanoušci sci-fi jsou také nepochybně obeznámeni s pojmem Alcubierre (neboli „Warp“) jednotky. Tato navrhovaná metoda navržená mexickým fyzikem Miguelem Alcubierrem v roce 1994 byla pokusem umožnit cestování FTL bez porušení Einsteinovy teorie speciální relativity. Stručně řečeno, pojem zahrnuje roztahování struktury časoprostoru ve vlně, což by teoreticky způsobilo, že prostor před objektem se smrští a prostor za ním se rozšíří.
Objekt uvnitř této vlny (tj. Kosmická loď) by pak byl schopen projet tuto vlnu, známou jako „osnovní bublina“, za relativistickou rychlostí. Protože se loď v této bublině nepohybuje, nýbrž se nese s pohybem, přestanou platit pravidla časoprostoru a relativity. Důvodem je, že tato metoda se nespoléhá na pohyb rychleji než světlo v místním smyslu.
Je to jen „rychlejší než světlo“ v tom smyslu, že loď mohla dosáhnout cíle rychleji než paprsek světla, který cestoval mimo bublinu osnovy. Takže za předpokladu, že by mohla být kosmická loď vybavena systémem Alcubierre Drive, mohla by se vydat na výlet do Proxima Centauri v méně než 4 roky. Takže pokud jde o teoretické mezihvězdné cestování vesmírem, jedná se o zdaleka nejslibnější technologii, alespoň pokud jde o rychlost.
Tento koncept byl pochopitelně v průběhu let obdařen svým podílem protiargumentů. Hlavní mezi nimi je skutečnost, že nebere v úvahu kvantovou mechaniku a může být zneplatněna teorií všeho (jako je kvantová gravitace smyčky). Výpočty množství potřebné energie také naznačily, že osnovní pohon by vyžadoval zakázané množství energie pro práci. Mezi další nejistoty patří bezpečnost takového systému, účinky na časoprostor v místě určení a porušení příčinných souvislostí.
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!
