Onko tähtienvälinen matka todellista?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Artikkelin kirjoittaja kertoo yksityiskohtaisesti neljästä lupaavasta tekniikasta, jotka antavat ihmisille mahdollisuuden päästä minne tahansa universumissa yhden ihmiselämän aikana. Vertailun vuoksi: nykyaikaisen teknologian avulla polku toiseen tähtijärjestelmään kestää noin 100 tuhatta vuotta.

Siitä lähtien, kun ihminen ensimmäisen kerran katsoi yötaivaalle, olemme haaveilleet vierailemisesta muissa maailmoissa ja näkevämme maailmankaikkeuden. Ja vaikka kemiallisten polttoaineiden raketimme ovat jo saavuttaneet monet planeetat, kuut ja muut aurinkokunnan kappaleet, maasta kauimpana oleva Voyager 1 -avaruusalus kattoi vain 22,3 miljardia kilometriä. Tämä on vain 0,056 % etäisyydestä lähimpään tunnettuun tähtijärjestelmään. Nykyaikaisella tekniikalla polku toiseen tähtijärjestelmään kestää noin 100 tuhatta vuotta.

Meidän ei kuitenkaan tarvitse toimia kuten olemme aina tehneet. Tehokkuutta lähettää suurella hyötykuormalla varustettuja ajoneuvoja jopa ihmisten ollessa kyydissä ennennäkemättömille etäisyyksille universumissa voidaan parantaa huomattavasti, jos käytetään oikeaa tekniikkaa. Tarkemmin sanottuna on neljä lupaavaa tekniikkaa, jotka voivat viedä meidät tähtiin paljon lyhyemmässä ajassa. Täällä he ovat.

yksi). Ydinteknologia. Tähän mennessä ihmiskunnan historiassa kaikilla avaruuteen lähetetyillä avaruusaluksilla on yksi yhteinen piirre: kemiallisella polttoaineella toimiva moottori. Kyllä, rakettipolttoaine on erityinen kemikaalien seos, joka on suunniteltu antamaan maksimaalinen työntövoima. Ilmaus "kemikaalit" on tärkeä tässä. Reaktiot, jotka antavat energiaa moottorille, perustuvat sidosten uudelleenjakautumiseen atomien välillä.

Tämä rajoittaa toimintaamme pohjimmiltaan! Suurin osa atomin massasta putoaa sen ytimeen - 99, 95%. Kun kemiallinen reaktio alkaa, atomien ympärillä kiertävät elektronit jakautuvat uudelleen ja vapauttavat tavallisesti energiana noin 0,0001 % reaktioon osallistuvien atomien kokonaismassasta Einsteinin kuuluisan yhtälön mukaan: E = mc2. Tämä tarkoittaa, että jokaista rakettiin ladattua polttoainekiloa kohden saat reaktion aikana energiaa, joka vastaa noin 1 milligrammaa.

Jos kuitenkin käytetään ydinpolttoaineella toimivia raketteja, tilanne on radikaalisti erilainen. Sen sijaan, että luottaisit muutoksiin elektronien konfiguraatiossa ja siihen, miten atomit sitoutuvat toisiinsa, voit vapauttaa suhteellisen valtavan määrän energiaa vaikuttamalla siihen, miten atomiytimet ovat yhteydessä toisiinsa. Kun fissoit uraaniatomin pommittamalla sitä neutroneilla, se säteilee paljon enemmän energiaa kuin mikään kemiallinen reaktio. 1 kilogramma uraani-235:tä voi vapauttaa 911 milligrammaa massaa vastaavan määrän energiaa, mikä on lähes tuhat kertaa tehokkaampaa kuin kemiallinen polttoaine.

Voisimme tehdä moottoreista entistä tehokkaampia, jos hallittaisiin ydinfuusio. Esimerkiksi inertiaohjattu lämpöydinfuusiojärjestelmä, jonka avulla olisi mahdollista syntetisoida vetyä heliumiksi, tällainen ketjureaktio tapahtuu Auringossa. Yhden kilon vetypolttoaineen synteesi heliumiksi muuttaa 7,5 kiloa massaa puhtaaksi energiaksi, mikä on lähes 10 tuhatta kertaa tehokkaampaa kuin kemiallinen polttoaine.

Ajatuksena on saada sama kiihtyvyys raketille paljon pidemmäksi ajaksi: satoja tai jopa tuhansia kertoja pidempään kuin nyt, jolloin ne voisivat kehittyä satoja tai tuhansia kertoja nopeammin kuin perinteiset raketit nykyään. Tällainen menetelmä lyhentäisi tähtienvälisen lennon ajan satoihin tai jopa kymmeniin vuosiin. Tämä on lupaava tekniikka, jota voimme käyttää vuoteen 2100 mennessä tieteen kehityksen tahdista ja suunnasta riippuen.

2). Kosmisen laserin säde. Tämä idea on Breakthrough Starshot -projektin ytimessä, joka nousi tunnetuksi muutama vuosi sitten. Vuosien saatossa konsepti ei ole menettänyt houkuttelevuuttaan. Perinteinen raketti kuljettaa polttoainetta mukanaan ja kuluttaa sen kiihtyvyyteen, mutta tämän tekniikan keskeisenä ideana on tehokkaiden lasereiden säde, joka antaa avaruusalukselle tarvittavan impulssin. Toisin sanoen kiihtyvyyden lähde irrotetaan itse aluksesta.

Tämä konsepti on sekä jännittävä että vallankumouksellinen monella tapaa. Laserteknologiat kehittyvät menestyksekkäästi, ja niistä tulee paitsi tehokkaampia, myös erittäin kollimoituja. Joten jos luomme purjemaisen materiaalin, joka heijastaa riittävän suuren prosenttiosuuden laservaloa, voimme laserlaukauksella saada avaruusaluksen kehittämään valtavia nopeuksia. ~ 1 gramman painoisen "tähtialuksen" odotetaan saavuttavan ~ 20 % valon nopeudesta, mikä mahdollistaa sen lentää lähimpään tähteen, Proxima Centauriin, vain 22 vuodessa.

Tietysti tätä varten meidän on luotava valtava lasersäde (noin 100 km2), ja tämä on tehtävä avaruudessa, vaikka tämä on enemmän kustannusongelma kuin teknologia tai tiede. On kuitenkin olemassa useita haasteita, jotka on voitettava, jotta tällainen hanke voidaan toteuttaa. Heidän joukossa:

• tukematon purje pyörii, tarvitaan jonkinlainen (ei vielä kehitetty) stabilointimekanismi;
• kyvyttömyys jarruttaa, kun määräpiste saavutetaan, koska aluksella ei ole polttoainetta;
• vaikka osoittautuisikin mittakaavaksi laitetta ihmisten kuljettamiseen, ihminen ei pysty selviytymään valtavalla kiihtyvyydellä - merkittävällä nopeuden erolla lyhyessä ajassa.

Ehkä jonain päivänä teknologiat pystyvät viemään meidät tähtiin, mutta ei ole vieläkään onnistunutta tapaa saavuttaa nopeus, joka vastaa ~ 20 % valon nopeudesta.

3). Antimatteri polttoaine. Jos haluamme edelleen kuljettaa polttoainetta mukanamme, voimme tehdä siitä mahdollisimman tehokkaan: se perustuu hiukkasten ja antihiukkasten tuhoamiseen. Toisin kuin kemiallinen tai ydinpolttoaine, jossa vain murto-osa aluksella olevasta massasta muunnetaan energiaksi, hiukkasten vastainen tuhoutuminen käyttää 100 % sekä hiukkasten että antihiukkasten massasta. Kyky muuntaa kaikki polttoaine pulssienergiaksi on polttoainetehokkuuden korkein taso.

Tämän menetelmän soveltamisessa käytännössä ilmenee vaikeuksia kolmessa pääsuunnassa. Erityisesti:

• vakaan neutraalin antiaineen luominen;
• kyky eristää se tavallisesta aineesta ja hallita sitä tarkasti;
• tuottaa tarpeeksi suuria määriä antimateriaa tähtienväliseen lentoon.

Onneksi kahta ensimmäistä asiaa käsitellään jo.

Euroopan ydintutkimusjärjestössä (CERN), jossa Large Hadron Collider sijaitsee, on valtava kompleksi, joka tunnetaan nimellä "antimateriaalitehdas". Siellä kuusi riippumatonta tutkijaryhmää tutkii antiaineen ominaisuuksia. Ne ottavat antiprotoneja ja hidastavat niitä pakottaen positronit sitoutumaan niihin. Näin syntyy antiatomeja tai neutraalia antiainetta.

Ne eristävät nämä antiatomit astiaan, jossa on vaihtelevat sähkö- ja magneettikentät, jotka pitävät ne paikoillaan, pois aineesta tehdyn säiliön seinistä. Tähän mennessä, vuoden 2020 puoliväliin mennessä, he ovat onnistuneesti eristäneet ja stabiloineet useita antiatomeja tunnin ajan kerrallaan. Seuraavien vuosien aikana tiedemiehet pystyvät hallitsemaan antiaineen liikettä gravitaatiokentässä.

Tämä tekniikka ei ole saatavillamme lähitulevaisuudessa, mutta saattaa käydä niin, että nopein tapamme matkustaa tähtienvälisellä matkalla on antimateriaraketti.

4). Tähtilaiva pimeässä aineessa. Tämä vaihtoehto perustuu varmasti oletukseen, että mikä tahansa pimeästä aineesta vastaava hiukkanen käyttäytyy bosonin tavoin ja on oma antihiukkasensa. Teoriassa pimeällä aineella, joka on sen oma antihiukkanen, on pieni, mutta ei nolla mahdollisuus tuhoutua minkä tahansa muun pimeän aineen hiukkasen kanssa, joka törmää siihen. Voimme mahdollisesti käyttää törmäyksen seurauksena vapautuvaa energiaa.

Tästä on mahdollista näyttöä. Havaintojen tuloksena on todettu, että Linnunradalla ja muissa galakseissa on selittämätön ylimäärä gammasäteilyä, joka tulee niiden keskuksista, joissa pimeän energian pitoisuuden tulisi olla korkein. Aina on mahdollista, että tälle on yksinkertainen astrofysikaalinen selitys, esimerkiksi pulsarit. On kuitenkin mahdollista, että tämä pimeä aine on yhä tuhoamassa itsensä kanssa galaksin keskustassa ja antaa siten meille uskomattoman idean - tähtialuksen pimeässä aineessa.

Tämän menetelmän etuna on, että pimeää ainetta on olemassa kirjaimellisesti kaikkialla galaksissa. Tämä tarkoittaa, että meidän ei tarvitse kuljettaa polttoainetta mukanamme matkalla. Sen sijaan pimeän energian reaktori voi yksinkertaisesti tehdä seuraavan:

• ota kaikki lähellä olevat pimeät aineet;
• nopeuttaa sen tuhoamista tai anna sen tuhoutua luonnollisesti;
• kohdistaa vastaanotettu energia vauhtiin mihin tahansa haluttuun suuntaan.

Ihminen voi hallita reaktorin kokoa ja tehoa haluttujen tulosten saavuttamiseksi.

Ilman tarvetta kuljettaa polttoainetta aluksella monet propulsiokäyttöisen avaruusmatkailun ongelmat katoavat. Sen sijaan voimme saavuttaa minkä tahansa matkan vaalitun unelman - rajoittamattoman jatkuvan kiihtyvyyden. Tämä antaa meille uskomattomimman kyvyn - kyvyn saavuttaa minne tahansa universumissa yhden ihmiselämän aikana.

Jos rajoitamme olemassa oleviin rakettitekniikoihin, tarvitsemme vähintään kymmeniä tuhansia vuosia matkustaaksemme Maasta lähimpään tähtijärjestelmään. Merkittävät moottoritekniikan edistysaskeleet ovat kuitenkin lähellä, ja ne lyhentävät matka-aikoja yhden ihmishengen verran. Jos pystymme hallitsemaan ydinpolttoaineen, kosmisten lasersäteiden, antiaineen tai jopa pimeän aineen käytön, toteutamme oman unelmamme ja tulemme avaruussivilisaatioksi ilman häiritseviä teknologioita, kuten loimikäyttöä.

On monia mahdollisia tapoja muuttaa tieteeseen perustuvia ideoita toteuttamiskelpoisiksi, todellisiksi seuraavan sukupolven moottoritekniikoiksi. On täysin mahdollista, että vuosisadan loppuun mennessä avaruusalus, jota ei ole vielä keksitty, tulee New Horizonsin, Pioneerin ja Voyagerin tilalle kaukaisimpina ihmisen tekeinä esineinä Maasta. Tiede on jo valmis. Meidän on katsottava nykyisen teknologiamme pidemmälle ja toteuttaa tämä unelma.