Всички сме задавали този въпрос в един момент от живота си: Колко време ще отнеме пътуването до звездите? Възможно ли е това да е в рамките на личния му живот и може ли този вид пътуване да стане норма някой ден? На този въпрос има много възможни отговори - някои много прости, други в сферата на научната фантастика. Но да излезете с изчерпателен отговор означава да вземете под внимание много неща.
За съжаление, всяка реалистична оценка вероятно ще даде отговори, които биха обезкуражили футуристите и любителите на междузвездното пътуване. Харесва ви или не, пространството е много голямо, а нашата технология все още е много ограничена. Но ако някога обмисляме „напускане на гнездото“, ще имаме редица възможности за стигане до най-близките Слънчеви системи в нашата галактика.
Най-близката звезда до Земята е нашето Слънце, което е доста „средна“ звезда в „Основната последователност“ на схемата на Херцспрунг - Ръсел. Това означава, че тя е много стабилна, осигуряваща на Земята точно подходящия вид слънчева светлина, за да може животът да се развива на нашата планета. Знаем, че има планети, обикалящи около други звезди в близост до нашата Слънчева система и много от тези звезди са подобни на нашата.
В бъдеще, ако човечеството желае да напусне Слънчевата система, ще имаме огромен избор от звезди, до които бихме могли да пътуваме, и много от тях биха могли да имат подходящи условия за живот. Но къде бихме отишли и колко време ще ни отнеме да стигнем дотам? Само не забравяйте, че всичко това е спекулативно и в момента няма еталон за междузвездни пътувания. Това се казва, ето ни!
Най-близка звезда:
Както вече беше отбелязано, най-близката звезда до нашата Слънчева система е Proxima Centauri, поради което има най-голям смисъл първо да начертаете междузвездна мисия към тази система. Като част от тройна звездна система, наречена Алфа Кентавър, Проксима е на около 4,24 светлинни години (или 1,3 парсека) от Земята. Алфа Кентавър е всъщност най-ярката звезда от трите в системата - част от тясно орбитални бинарни 4,37 светлинни години от Земята - докато Proxima Centauri (най-малкият от трите) е изолирано червено джудже на около 0,13 светлинни години от двоичния ,
И докато междузвездното пътуване създава всякакви видения за пътувания по-бързи от светлината (FTL), вариращи от скорост на деформация и червейни дупки до скачащи задвижвания, такива теории са или силно спекулативни (като Alcubierre Drive), или изцяло провинцията на науката измислица. По всяка вероятност всяка дълбоко космическа мисия вероятно ще отнеме поколения, за да стигне до там, а не след няколко дни или с мигновена светкавица.
И така, като започнем с една от най-бавните форми на космическо пътуване, колко време ще отнеме да стигнем до Проксима Кентавър?
Текущи методи:
Въпросът колко време ще отнеме, за да стигнем някъде в космоса е малко по-лесен, когато се занимаваме със съществуващите технологии и тела в нашата Слънчева система. Например, използването на технологията, която задейства мисията на New Horizons - състояща се от 16 дросела, захранвани с хидрозин монопропелант - достигането до Луната ще отнеме само 8 часа и 35 минути.
От друга страна, има мисията SMART-1 на Европейската космическа агенция (ESA), която отне времето си за пътуване до Луната, използвайки метода на йонното задвижване. С тази революционна технология, чиято версия оттогава се използва от космическия кораб „Зората“, за да достигне Веста, мисията SMART-1 отне една година, един месец и две седмици, за да достигне Луната.
И така, от бързият ракетен космически кораб до икономичното йонно задвижване, имаме няколко варианта за заобикаляне на местното пространство - плюс бихме могли да използваме Юпитер или Сатурн за мощна гравитационна прашка. Ако обаче обмисляме мисии донякъде по малко, би трябвало да мащабираме технологията си и да погледнем какво е наистина възможно.
Когато казваме възможни методи, ние говорим за тези, които включват съществуваща технология, или такива, които все още не съществуват, но са технически осъществими. Някои, както ще видите, са почитани във времето и доказани, докато други се появяват или все още са на дъската. Почти във всички случаи те представят възможен (но изключително времеемък или скъп) сценарий за достигане дори до най-близките звезди ...
Йонно задвижване:
В момента най-бавната форма на задвижване и най-икономичният гориво е йонният двигател. Преди няколко десетилетия йонното задвижване се смяташе за предмет на научната фантастика. Въпреки това, през последните години технологията за поддръжка на йонни двигатели се премести от теорията на практиката по голям начин. Мисията на ESA SMART-1 например успешно завърши мисията си до Луната, след като пое 13-месечна спирална пътека от Земята.
SMART-1 използва слънчеви йонни двигатели, при които електрическата енергия се събира от слънчевите й панели и се използва за захранване на нейните дросели с ефект на Хол. Само 82 кг ксеноново гориво е използвано за задвижване на SMART-1 до Луната. 1 kg ксеноново гориво осигурява делта-v от 45 m / s. Това е високоефективна форма на задвижване, но в никакъв случай не е бързо.
Една от първите мисии, използващи технологията за йонно задвижване, беше Дълбоко пространство 1 мисия в Комета Борели, която се проведе през 1998 г. DS1 също използва ксеноново задвижване на йони, консумирайки 81,5 кг гориво. За 20 месеца на тяга, DS1 бе успял да достигне скорост от 56 000 км / ч (35 000 мили / час) по време на полета си на кометата.
Следователно йонните тласкачи са по-икономични от ракетната технология, тъй като тягата на единица маса на горивото (специфичен импулс от а.к.а) е много по-висока. Но отнема много време на йонните дросели да ускорят космическите кораби до всякакви големи скорости, а максималната скорост, която може да постигне, зависи от неговия запас от гориво и колко електрическа енергия може да генерира.
Така че, ако йонното задвижване трябваше да се използва за мисия в Проксима Центавър, толовете ще се нуждаят от огромен източник на производство на енергия (т.е. ядрена енергия) и голямо количество гориво (въпреки че все още са по-малко от конвенционалните ракети). Но въз основа на предположението, че доставката на 81,5 кг ксеноново гориво се превръща в максимална скорост 56 000 км / час (и че няма други форми на задвижване, като гравитационна прашка, която да го ускори допълнително), някои изчисления могат да да се направи.
Накратко, с максимална скорост 56 000 км / ч, Дълбоко пространство 1 би поел 81 000 години да премине 4.24 светлинни години между Земята и Проксима Центавър. За да се постави тази времева рамка в перспектива, това ще бъде над 2700 човешки поколения. Така че е безопасно да се каже, че мисията на междупланетен йонен двигател ще бъде твърде бавна, за да се счита за пилотирана междузвездна мисия.
Но, ако йонните тласъци бъдат направени по-големи и по-мощни (т.е. скоростта на йонните изгорели газове ще трябва да бъде значително по-висока) и може да бъде доставено достатъчно гориво, за да може космическият апарат да продължи през цялото пътуване в 4.243 светлинни години, че времето за пътуване може да бъде значително намалена. Все пак не е достатъчно, за да се случи през живота на някого.
Gravity Assist метод:
Най-бързо съществуващите средства за космическо пътуване са известни като метода на Gravity Assist, който включва космически кораб, използващ относителното движение (т.е. орбита) и гравитацията на планетата, която се променя, е път и скорост. Гравитационните асистенции са много полезна техника за космически полет, особено когато използвате Земята или друга масивна планета (като газов гигант) за увеличаване на скоростта.
Най- Маринър 10 космическият кораб е първият, който използва този метод, използвайки гравитационното издърпване на Венера, за да го направи на прашка към Меркурий през февруари 1974 г. През 80-те години Вояджър 1 сондата използва Сатурн и Юпитер за гравитационни прашки, за да постигне текущата си скорост от 60 000 км / ч (38 000 мили / час) и да я превърне в междузвездно пространство.
Това обаче беше Хелиос 2 мисия - която е стартирана през 1976 г. за проучване на междупланетарната среда от 0,3 AU до 1 AU към Слънцето - която държи рекорда за най-висока скорост, постигната с помощта на гравитация. По това време Хелиос 1 (която стартира през 1974 г.) и Хелиос 2 държат рекорда за най-близкия подход към Слънцето. Хелиос 2 е изстрелян от конвенционален ракетен апарат на НАСА Титан / Кентавър и е поставен в силно елиптична орбита.
Поради големия ексцентриситет (0,54) на слънчевата орбита на сондите (190 дни), в перихелион, Хелиос 2 успя да достигне максимална скорост от над 240 000 км / ч (150 000 мили / час). Тази орбитална скорост се постига само от гравитационното дърпане на Слънцето. От техническа гледна точка Хелиос 2 скоростта на перихелиона не беше гравитационна прашка, тя беше максимална орбитална скорост, но все още държи рекорда за най-бързият създаден от човека обект, независимо.
Така че, ако Вояджър 1 пътуваше в посока на червеното джудже Проксима Центавър с постоянна скорост от 60 000 км / ч, щеше да отнеме 76 000 години (или над 2500 поколения), за да измине това разстояние. Но ако можеше да постигне рекордната скорост на Хелиос 2Близкото приближаване на Слънцето - постоянна скорост от 240 000 км / ч - ще отнеме 19 000 години (или над 600 поколения), за да пътуват 4.243 светлинни години. Значително по-добре, но все още не в сферата на практичността.
Електромагнитно (EM) задвижване:
Друг предложен метод за междузвездно пътуване идва под формата на радиочестотен (радиочестотен) резонансен пулсиращ кухин, известен още като EM Drive. Първоначално предложен през 2001 г. от Роджър К. Шауер, учен от Обединеното кралство, който стартира Satellite Propulsion Research Ltd (SPR), за да го реализира, това задвижване е изградено около идеята, че електромагнитните микровълнови кухини могат да позволят директното преобразуване на електрическата енергия в тяга. ,
Докато конвенционалните електромагнитни тласкачи са проектирани да задвижват определен тип маса (като йонизирани частици), тази конкретна задвижваща система разчита на не реакционна маса и не излъчва насочено излъчване. Подобно предложение се сблъсква с голяма доза скептицизъм, главно защото нарушава закона за опазване на инерцията - който гласи, че в рамките на една система количеството на инерцията остава постоянно и не е нито създадено, нито унищожено, а само се променя чрез действието на сили.
Въпреки това, последните експерименти с дизайна очевидно дадоха положителни резултати. През юли 2014 г., на 50-тата съвместна конференция за задвижване AIAA / ASME / SAE / ASEE в Кливланд, Охайо, изследователи от разширените проучвания на НАСА за задвижване твърдят, че успешно са тествали нов дизайн за електромагнитно задвижване.
Това бе последвано през април 2015 г., когато изследователи от NASA Eagleworks (част от космическия център на Джонсън) твърдят, че те са успешно тествали задвижването във вакуум, което показва, че той може действително да работи в космоса. През юли същата година изследователски екип от отдела за космическа система в Техническия университет в Дрезден създаде своя собствена версия на двигателя и забележи забележима тяга.
А през 2010 г. проф. Хуан Ян от Северозападния политехнически университет в Сиан, Китай, започва да публикува поредица от документи за изследванията си в технологията EM Drive. Това е кулминирано в нейния документ за 2012 г., където тя отчита по-висока входна мощност (2.5kW) и тества нивата на тяга (720mN). През 2014 г. тя допълнително отчете обширни тестове, включващи вътрешни измервания на температурата с вградени термодвойки, които сякаш потвърждават, че системата работи.
Според изчисленията, базирани на прототипа на НАСА (който даде оценка на мощността от 0,4 N / киловат), космически кораб, оборудван с EM задвижване, може да направи пътуването до Плутон за по-малко от 18 месеца. Това е една шеста от времето, когато отнемаше сондата New Horizons, която пътуваше със скорост близо 58 000 км / ч (36 000 мили / час).
Звучи впечатляващо. Но дори и при тази скорост, щеше да отнеме кораб, оборудван с EM двигатели 13 000 години за да може корабът да стигне до Проксима Кентавър. Приближаване, но не достатъчно бързо! и дотогава, доколкото тази технология може да бъде окончателно доказана, че работи, няма много смисъл да поставяме яйцата си в тази кошница.
Ядрена топлинна / ядрена електрическа система (NTP / NEP):
Друга възможност за междузвезден космически полет е използването на космически кораби, оборудвани с ядрени двигатели, концепция, която НАСА проучва от десетилетия. В ракета с ядрена топлинна енергия (NTP), уран или деутерий се използват за загряване на течен водород в реактора, превръщайки го в йонизиран водороден газ (плазма), който след това се канализира през ракетна дюза за генериране на тяга.
Ракетата за ядрено електрическо задвижване (NEP) включва същия основен реактор, който превръща топлината и енергията си в електрическа енергия, която впоследствие ще захранва електрически двигател. И в двата случая ракетата ще разчита на ядрен делене или синтез за генериране на задвижване, а не на химически горива, което досега беше основата на НАСА и всички други космически агенции.
В сравнение с химическото задвижване, NTP и NEC предлагат редица предимства. Първото и най-очевидно е практически неограничената енергийна плътност, която предлага в сравнение с ракетното гориво. В допълнение, двигателят с атомна енергия може също да осигури по-добра тяга спрямо количеството използвано гориво. Това ще намали общото количество необходимо гориво, като по този начин ще намали теглото на старта и цената на отделните мисии.
Въпреки че досега не са летели нито един ядрено-топлинен двигател, през последните няколко десетилетия са създадени и тествани няколко дизайнерски концепции и са предложени множество концепции. Те варираха от традиционния твърдоядрен дизайн - като ядрения двигател за прилагане на ракетни превозни средства (NERVA) - до по-усъвършенствани и ефективни концепции, които разчитат на течно или газово ядро.
Въпреки това, въпреки тези предимства в енергийната ефективност и специфичния импулс, най-усъвършенстваната NTP концепция има максимален специфичен импулс от 5000 секунди (50 kN · s / kg). Използвайки ядрени двигатели, задвижвани от делене или синтез, учените от НАСА смятат, че ще е нужно космически кораб само 90 дни, за да стигнем до Марс, когато планетата е била в „опозиция“ - т.е. на близо 55 000 000 км от Земята.
Но приспособена за еднопосочно пътуване до Проксима Кентавър, на ядрената ракета все още ще са необходими векове, за да се ускори до точката, в която лети частица от скоростта на светлината. След това ще са необходими няколко десетилетия време за пътуване, последвано от още много векове на забавяне, преди да достигне своята дестинация. Всичко казано, ние все още говорим 1000 години преди да стигне до местоназначението си. Добър за междупланетни мисии, не толкова добър за междузвездни.
Теоретични методи:
Използвайки съществуващите технологии, времето, необходимо за изпращане на учени и астронавти на междузвездна мисия, би било твърде бавно. Ако искаме да направим това пътуване в рамките на един живот или дори поколение, ще е необходимо нещо малко по-радикално (известен още като силно теоретичен). И макар че в този момент дупките за дупки и двигателите все още са чиста измислица, има някои доста напреднали идеи, които бяха обмислени през годините.
Ядрен пулс:
Задвижването на ядрен импулс е теоретично възможна форма на бързо пътуване в Космоса. Първоначално концепцията е предложена през 1946 г. от Станислав Улам, полско-американски математик, участвал в проекта в Манхатън, а предварителните изчисления са направени от F. Reines и Ulam през 1947 г. Действителният проект - известен като Project Orion - е стартиран през 1958 г. и продължи до 1963г.
Воден от Тед Тейлър от General Atomics и физик Фрийман Дайсън от Института за усъвършенствани изследвания в Принстън, Орион се надяваше да използва силата на импулсните ядрени експлозии, за да осигури огромна тяга с много висок специфичен импулс (т.е. количеството на тягата в сравнение с теглото или количеството секунди, ракетата може да стреля непрекъснато).
С две думи, дизайнът на Orion включва голям космически кораб с голям запас от термоядрени бойни глави, постигащ задвижване, като пусна бомба зад себе си и след това язди детонационната вълна с помощта на монтиран отзад тампон, наречен „тласкач“. След всеки взрив, експлозивната сила ще бъде погълната от тази подложка, която след това превежда тягата в инерция.
Макар и трудно да е елегантен по съвременните стандарти, предимството на дизайна е, че той постига висок специфичен импулс - което означава, че извлича максималното количество енергия от източника на гориво (в случая ядрени бомби) с минимални разходи. В допълнение концепцията теоретично би могла да постигне много високи скорости, като някои оценки предполагат, че цифрата на топката е по-висока от 5% от скоростта на светлината (или 5,4 × 107 км / час).
Но разбира се, има неизбежните недостатъци на дизайна. За един кораб с такъв размер би бил невероятно скъп за изграждане. Според изчисленията, произведени от Дайсън през 1968 г., космически кораб „Орион“, използвал водородни бомби за генериране на задвижване, ще тежи от 400 000 до 4 000 000 метрични тона. И най-малко три четвърти от това тегло се състои от ядрени бомби, където всяка бойна глава тежи приблизително 1 метричен тон.
Всичко казано, че най-консервативните оценки на Дайсън определят общите разходи за изграждане на кораб „Орион“ на 367 милиарда долара. Приспособена към инфлацията, това достига приблизително 2,5 трилиона долара - което представлява над две трети от текущите годишни приходи на правителството на САЩ. Следователно, дори и най-лекият, корабът би бил изключително скъп за производство.
Има и лекият проблем на цялата радиация, която генерира, да не говорим за ядрените отпадъци. Всъщност именно поради тази причина се смята, че проектът е прекратен, поради преминаването на Договора за частична забрана за изпитване от 1963 г., който се стреми да ограничи ядрените изпитания и да спре прекомерното изпускане на ядрен изпад в атмосферата на планетата.
Fusion ракети:
Друга възможност в областта на използваната ядрена енергия включва ракети, които разчитат на термоядрени реакции за генериране на тяга. За тази концепция енергията се създава, когато пелети от смес от деутерий / хелий-3 се запалват в реакционна камера чрез инерционно затваряне с помощта на електронни лъчи (подобно на това, което се прави в Националното устройство за запалване в Калифорния). Този термоядрен реактор ще детонира 250 пелети в секунда, за да създаде високоенергийна плазма, която след това ще бъде насочена от магнитен накрайник за създаване на тяга.
Подобно на ракета, която разчита на ядрен реактор, тази концепция предлага предимства по отношение на горивната ефективност и специфичния импулс. Преценява се скоростта на изгорелите газове до 10 600 км / с, което е далеч над скоростта на конвенционалните ракети. Нещо повече, технологията е проучена задълбочено през последните няколко десетилетия и са направени много предложения.
Например между 1973 и 1978 г. Британското междупланетарно общество проведе проучване за осъществимост, известно като Project Daedalus. Разчитайки на съвременните познания за технологията на термоядрен синтез и съществуващите методи, проучването призовава за създаването на двуетапна безпилотна научна сонда, правеща пътуване до Звездата на Барнард (5,9 светлинни години от Земята) за един живот.
Първият етап, по-големият от двата, би работил за 2.05 години и ускорява космическия кораб до 7,1% от скоростта на светлината (o.071 ° С). След това този етап ще бъде изхвърлен, след което вторият етап ще запали двигателя си и ще ускори космическия кораб до около 12% от скоростта на светлината (0,12 ° С) в продължение на 1,8 години. След това двигателят на втория етап ще бъде изключен и корабът ще влезе в 46-годишен круизен период.
Според оценките на проекта, мисията ще отнеме 50 години, за да достигне звездата на Барнард. Регулиран за Proxima Centauri, същият кораб може да направи пътуването 36 години, Но разбира се, проектът идентифицира и множество препъни камъни, които го правят невъзможно с помощта на тогавашните технологии - повечето от тях все още са нерешени.
Например, има фактът, че хелий-3 е оскъден на Земята, което означава, че ще трябва да се добива другаде (най-вероятно на Луната). Второ, реакцията, която задвижва космическия кораб, изисква освободената енергия значително да надвишава енергията, използвана за задействане на реакцията. И макар експериментите тук на Земята да надминат „целта за безпристрастност“, ние все още сме много далеч от видовете енергия, необходими за захранване на междузвезден космически кораб.
Трето, там е факторът на разходите за изграждането на такъв кораб. Дори по скромния стандарт на безпилотния кораб на Project Daedalus, един напълно захранван кораб би тежал до 60 000 Mt. За да се каже това в перспектива, брутното тегло на SLS на НАСА е малко над 30 Mt, а едно пускане идва с ценови маркер от 5 милиарда долара (въз основа на оценките, направени през 2013 г.).
Накратко, термоядрена ракета не само ще бъде скъпо скъпа за изграждане; това също ще изисква ниво на технология за термоядрен реактор, което в момента не надхвърля нашите възможности. Icarus Interstellar, международна организация на граждански учени-доброволци (някои от които работиха за НАСА или ESA), оттогава се опита да съживи концепцията с Project Icarus. Основана през 2009 г., групата се надява да направи задвижването с термоядрен синтез (между другото) възможно в близко бъдеще.
Fusion Ramjet:
Известна още като Bussard Ramjet, тази теоретична форма на задвижване е предложена за първи път от физика Робърт У. Bussard през 1960 г. По същество, това е подобрение в сравнение със стандартната ракета за ядрен синтез, която използва магнитни полета за компресиране на водородно гориво до степен, че синтезът се случва. Но в случая на Ramjet, огромна електромагнитна фуния „изгребва“ водород от междузвездната среда и го изхвърля в реактора като гориво.
Докато корабът набира скорост, реактивната маса се принуждава към прогресивно стеснено магнитно поле, като го компресира, докато се получи термоядрен синтез. След това магнитното поле насочва енергията като ракетни изгорели през дюзата на двигателя, като по този начин ускорява съда. Без никакви резервоари за гориво, които да го претеглят, термоядрен ракет може да постигне скорост, приближаваща се до 4% от скоростта на светлината и да пътува навсякъде в галактиката.
Потенциалните недостатъци на този дизайн обаче са многобройни. Например, има проблем с влаченето. Корабът разчита на увеличена скорост за натрупване на гориво, но тъй като се сблъсква с все повече и повече междузвезден водород, той също може да загуби скорост - особено в по-плътните райони на галактиката. Второ, деутерият и тритийът (използвани в термоядрени реактори тук на Земята) са рядко срещани в космоса, докато редовното синтезиране на водород (който е изобилен в космоса) е извън нашите съвременни методи.
Тази концепция е широко популяризирана в научната фантастика. Може би най-известният пример за това е във франчайзинга на Стар Трек, където „Bussard collectors“ са светещите нацели на основни двигатели. Но в действителност, нашите познания за реакции на синтез трябва да прогресират значително, преди да е възможно рамето. Ще трябва да разберем и този досаден проблем с влаченето, преди да започнем да обмисляме изграждането на такъв кораб!
Лазерно платно:
Слънчевите платна отдавна се смятат за рентабилен начин за изследване на Слънчевата система. Освен че е сравнително лесен и евтин за производство, има добавен бонус от слънчеви платна, които не изискват гориво. Вместо да използва ракети, които изискват гориво, платното използва радиационното налягане от звезди, за да избута големи ултратънки огледала до високи скорости.
Заради междузвездния полет обаче, такова платно ще трябва да се задвижва от фокусирани енергийни лъчи (т.е. лазери или микровълни), за да го избута до скорост, приближаваща се до скоростта на светлината. Първоначално концепцията е предложена от Робърт Форвард през 1984 г., който по това време е бил физик в изследователските лаборатории на Хюз Еъркрафт.
Концепцията запазва предимствата на слънчевото платно, тъй като то не изисква бордово гориво, но и от факта, че лазерната енергия не се разсейва с разстояние почти толкова, колкото слънчевата радиация. Така че докато лазерно задвижваното платно ще отнеме известно време, за да се ускори до почти светещи скорости, то ще бъде ограничено само до скоростта на светлината.
Според проучване от 2000 г., изготвено от Робърт Фризби, директор на модерни проучвания за концепция за задвижване в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, лазерното платно може да бъде ускорено до половината от скоростта на светлината за по-малко от десетилетие. Той също така изчисли, че платно с диаметър около 320 км (200 мили) може да достигне до Проксима Центавър малко повече 12 години, Междувременно платно с диаметър около 965 км (600 мили) щеше да пристигне малко под 9 години.
Въпреки това, такова платно трябва да бъде изградено от модерни композити, за да се избегне топенето. В съчетание с неговия размер това би добавило до доста стотинка! Още по-лошо е самите разходи, направени от изграждането на лазер, достатъчно голям и мощен, за да задвижва платно до половината от скоростта на светлината. Според собственото проучване на Frisbee, лазерите ще изискват постоянен поток от 17 000 терават мощност - близо до това, което целият свят консумира за един ден.
Антиматериален двигател:
Почитателите на научната фантастика със сигурност са чували за антиматерия. Но в случай, че не сте, антиматерията е по същество материал, съставен от античастици, които имат същата маса, но противоположен заряд като обикновените частици. Междувременно антиматериален двигател е форма на задвижване, която използва взаимодействия между материя и антиматерия за генериране на сила или за създаване на тяга.
Накратко, антиматериален двигател включва частици водород и антихидроген, които се забиват заедно. Тази реакция отприщва толкова енергия, колкото термоядрена бомба, заедно с душ от субатомни частици, наречени пиони и муони. Тези частици, които биха пътували с една трета от скоростта на светлината, след това се канализират с магнитен накрайник за генериране на тяга.
Предимството пред този клас ракети е, че голяма част от масата на остатъка от смес от вещество / антиматерия може да бъде преобразувана в енергия, което позволява на ракетите срещу антиматерия да имат далеч по-висока енергийна плътност и специфичен импулс от всеки предложен клас ракета. Нещо повече, контролирането на този вид реакция би могло да избута ракета до половината от скоростта на светлината.
Паунд за лира, този клас кораби би бил най-бързият и най-ефективен с гориво. Докато конвенционалните ракети изискват тонове химическо гориво, за да задвижат космически кораб до местоназначението си, един антиматериален двигател може да свърши същата работа само с няколко милиграма гориво. Всъщност взаимното унищожаване на половин килограм водородни и антихидрогенни частици ще отприщи повече енергия от 10-мегатонна водородна бомба.
Именно по тази точна причина е НАСА Институт за усъвършенствани концепции (NIAC) изследва технологията като възможно средство за бъдещи мисии на Марс. За съжаление, при обмислянето на мисии до близките звездни системи, количеството гориво, необходимо за извършване на пътуването, се умножава експоненциално, а разходите, свързани с неговото производство, биха били астрономически (без кадри!).
Според доклад, подготвен за 39-ата съвместна конференция и изложение AIAA / ASME / SAE / ASEE (също от Робърт Фризби), за двуетапна антиматериална ракета ще са необходими над 815 000 метрични тона (900 000 американски тона) гориво, за да се извърши пътуването до Proxima Centauri за приблизително 40 години. Това не е лошо, що се отнася до сроковете. Но отново разходите ...
Докато един грам антиматерия би произвел невероятно количество енергия, смята се, че производството на само един грам ще изисква приблизително 25 милиона милиарда киловатчаса енергия и струва над трилион долара. Понастоящем общото количество антиматерия, което е създадено от хората, е по-малко от 20 нанограма.
И дори да успеем да произведем антиматерия за евтино, ще ви е необходим масивен кораб, който да държи необходимото количество гориво. Според доклад на д-р Даръл Смит и Джонатан Уебби от Аеронавигационния университет Embry-Riddle в Аризона, междузвезден кораб, оборудван с антиматериален двигател, може да достигне 0,5 скоростта на светлината и да достигне до Proxima Centauri за малко повече от 8 години, Самият кораб обаче ще тежи 400 метрични тона (441 тона в САЩ) и ще се нуждае от 170 метрични тона (187 американски тона) антиматериално гориво, за да извърши пътуването.
Възможен начин за това е да се създаде съд, който да създава антиматерия, която след това да съхранява като гориво. Тази концепция, известна като "Вакуум към антиматериална ракетна система на изследователите" (VARIES), е предложена от Ричард Обюси от Icarus Interstellar. Въз основа на идеята за зареждане на място, кораб VARIES ще разчита на големи лазери (захранвани от огромни слънчеви масиви), които биха създали частици антиматерия при изстрелване на празно пространство.
Подобно на концепцията Ramjet, това предложение решава проблема с пренасянето на гориво, като го извлича от космоса. Но за пореден път, самата цена на такъв кораб би била изключително скъпа с помощта на съвременните технологии. В допълнение, способността да създаваме антиматерия в големи обеми не е нещо, което в момента имаме силата да правим. Има и въпроса за радиацията, тъй като унищожаването на веществото-антиматерия може да произвежда взривове на високоенергийни гама лъчи.
Това не само представлява опасност за екипажа, което изисква значителна екранирана радиация, но изисква и двигателите да бъдат екранирани, така че да не се подлагат на атомно разграждане от всички радиации, на които са изложени. И така, долният ред, антиматериалният двигател е напълно непрактичен с настоящата ни технология и в настоящата бюджетна среда.
Alcubierre Warp Drive:
Почитателите на научната фантастика също несъмнено са запознати с концепцията за Alcubierre (или "Warp") Drive. Предложен от мексиканския физик Мигел Алкубиер през 1994 г., този предложен метод представлява опит да направи FTL пътуването възможно, без да се нарушава теорията на Айнщайн за специална относителност. Накратко, концепцията включва разтягане на тъканта на пространството-време във вълна, което теоретично би довело до свиване на пространството пред обекта и пространството зад него.
Обект вътре в тази вълна (т.е. космически кораб) ще бъде в състояние да язди тази вълна, известна като „баба на основата“, извън релативистките скорости. Тъй като корабът не се движи в този балон, а се пренася, докато се движи, правилата за пространство-време и относителност ще престанат да се прилагат. Причината е, че този метод не разчита на движение по-бързо от светлина в местния смисъл.
Само „по-бърз от светлината“ е в смисъл, че корабът може да достигне местоназначението си по-бързо от лъч светлина, който пътува извън дебелата балон. И така, ако приемем, че космически кораб може да бъде оборудван със система Alcubierre Drive, той ще може да направи пътуването до Proxima Centauri в по-малко от 4 години, И така, що се отнася до теоретичните междузвездни пътувания в космоса, това е най-обещаващата технология, поне по отношение на скоростта.
Естествено, концепцията е получила своя дял на контрааргументи през годините. Основен сред тях е фактът, че тя не взема предвид квантовата механика и може да бъде обезсилена от Теория на всичко (например квантова гравитация на контура). Изчисленията за необходимото количество енергия също показват, че задвижването на основата ще изисква прекомерно количество мощност за работа. Другите несигурности включват безопасността на такава система, въздействието върху пространството и времето на местоназначението и нарушенията на причинно-следствената връзка.
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!
