Můžeme dosáhnout mezihvězdného letu pouze pomocí fyziky, kterou známe?

Můžeme dosáhnout mezihvězdného letu pouze pomocí fyziky, kterou známe?
Můžeme dosáhnout mezihvězdného letu pouze pomocí fyziky, kterou známe?
Anonim

Autor článku podrobně vypráví o čtyřech slibných technologiích, které dávají lidem možnost dosáhnout během jednoho lidského života jakéhokoli místa ve vesmíru. Pro srovnání: pomocí moderní technologie bude cesta k dalšímu hvězdnému systému trvat asi 100 tisíc let.

Od chvíle, kdy se člověk poprvé podíval na noční oblohu, snili jsme o návštěvě jiných světů a o pohledu na vesmír. A přestože naše chemicky poháněné rakety již dosáhly mnoha planet, měsíců a dalších těles ve sluneční soustavě, kosmická loď, která byla nejvzdálenější od Země, Voyager 1, urazila pouze 22,3 miliardy kilometrů. To je pouze 0,056% vzdálenosti k nejbližší známé hvězdné soustavě. S využitím moderní technologie bude cesta k dalšímu hvězdnému systému trvat asi 100 tisíc let.

Není však nutné jednat tak, jak jsme vždy jednali. Účinnost odesílání vozidel s velkou hmotností užitečného zatížení, a to i s lidmi na palubě, na nebývalé vzdálenosti ve vesmíru lze výrazně zlepšit, pokud je použita správná technologie. Přesněji řečeno, existují čtyři slibné technologie, které nás mohou dostat ke hvězdám za mnohem kratší dobu. Zde jsou.

1). Jaderná technologie. Zatím v historii lidstva mají všechny kosmické lodě vypuštěné do vesmíru jednu věc společnou: motor na chemický pohon. Ano, raketové palivo je speciální směs chemikálií navržená tak, aby poskytovala maximální tah. Zde je důležité spojení „chemikálie“. Reakce, které dávají motoru energii, jsou založeny na přerozdělení vazeb mezi atomy.

To zásadně omezuje naše jednání! Drtivá většina hmotnosti atomu připadá na jeho jádro - 99, 95%. Když začne chemická reakce, elektrony otáčející se kolem atomů se přerozdělí a obvykle se uvolní jako energie asi 0,001% z celkové hmotnosti atomů účastnících se reakce, podle slavné Einsteinovy rovnice: E = mc2. To znamená, že na každý kilogram paliva, které je naloženo do rakety, během reakce dostanete energii ekvivalentní asi 1 miligramu.

Pokud se však použijí rakety na jaderné palivo, bude situace drasticky odlišná. Místo toho, abyste se spoléhali na změny konfigurace elektronů a vzájemné vazby atomů, můžete uvolnit relativně obrovské množství energie ovlivněním toho, jak jsou jádra atomů navzájem propojena. Když štěpíte atom uranu bombardováním neutrony, vydává mnohem více energie než jakákoli chemická reakce. 1 kilogram uranu-235 může uvolnit množství energie ekvivalentní hmotnosti 911 miligramů, což je téměř tisíckrát účinnější než chemické palivo.

Mohli bychom motory ještě zefektivnit, kdybychom zvládli jadernou fúzi. Například systém setrvačné řízené termonukleární fúze, pomocí kterého by bylo možné syntetizovat vodík na helium, k takové řetězové reakci dochází na Slunci. Syntéza 1 kilogramu vodíkového paliva na helium převede 7,5 kilogramu hmoty na čistou energii, což je téměř 10 tisíckrát účinnější než chemické palivo.

Smyslem je získat stejné zrychlení pro raketu na mnohem delší časové období: stovky nebo dokonce tisíckrát delší než nyní, což by jim umožnilo vyvinout se stokrát nebo tisíckrát rychleji než konvenční rakety. Taková metoda by zkrátila dobu mezihvězdného letu na stovky nebo dokonce desítky let. Jedná se o slibnou technologii, kterou budeme moci použít do roku 2100 v závislosti na tempu a směru vývoje vědy.

2). Paprsek kosmických laserů. Tato myšlenka je jádrem projektu Breakthrough Starshot, který se proslavil před několika lety. V průběhu let koncept neztratil na atraktivitě. Zatímco konvenční raketa s sebou nese palivo a spotřebovává ho na zrychlení, klíčovou myšlenkou této technologie je paprsek výkonných laserů, které dodají kosmické lodi potřebný impuls. Jinými slovy, zdroj zrychlení bude oddělen od samotné lodi.

Tento koncept je v mnoha ohledech vzrušující a revoluční. Laserové technologie se úspěšně vyvíjejí a stávají se nejen silnějšími, ale také vysoce kolimovanými. Pokud tedy vytvoříme materiál podobný plachtě, který odráží dostatečně vysoké procento laserového světla, můžeme použít laserový záběr, aby vesmírná loď vyvinula kolosální rychlosti. Očekává se, že „hvězdná loď“s hmotností ~ 1 gram dosáhne rychlosti ~ 20% rychlosti světla, což jí umožní letět k nejbližší hvězdě Proxima Centauri za pouhých 22 let.

Samozřejmě k tomu budeme muset vytvořit obrovský paprsek laserů (asi 100 km2), a to je třeba udělat ve vesmíru, i když je to spíše nákladový problém než technologie nebo věda. Aby však bylo možné takový projekt realizovat, je třeba překonat řadu problémů. Mezi nimi:

  • nepodporovaná plachta se bude otáčet, je vyžadován nějaký (ještě nevyvinutý) stabilizační mechanismus;
  • neschopnost zabrzdit, když je dosaženo cíle, protože na palubě není palivo;
  • i když se ukáže, že je měřítko zařízení pro přepravu osob, člověk nebude schopen přežít s obrovským zrychlením - výrazným rozdílem v rychlosti v krátkém časovém období.

Možná nás někdy technologie dokáže přenést ke hvězdám, ale stále neexistuje úspěšná metoda, jak by člověk dosáhl rychlosti rovnající se ~ 20% rychlosti světla.

3). Antihmotové palivo. Chceme -li stále nosit palivo s sebou, můžeme to udělat co nejefektivněji: bude to založeno na zničení částic a antičástic. Na rozdíl od chemického nebo jaderného paliva, kde je pouze zlomek hmotnosti na palubě přeměněn na energii, anihilace částic a antičástic využívá 100% hmotnosti částic i antičástic. Schopnost přeměnit veškeré palivo na pulzní energii je nejvyšší úroveň palivové účinnosti.

Obtíže vznikají při aplikaci této metody v praxi ve třech hlavních oblastech. Konkrétně:

  • vytvoření stabilní neutrální antihmoty;
  • schopnost izolovat ji od běžné hmoty a přesně ji ovládat;
  • vyrábět antihmotu v dostatečně velkém množství pro mezihvězdný let.

Naštěstí na prvních dvou problémech se již pracuje.

V Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN), kde se nachází Large Hadron Collider, je obrovský komplex známý jako „továrna na antihmotu“. Šest nezávislých týmů vědců zkoumá vlastnosti antihmoty. Berou antiprotony a zpomalují je, což nutí pozitron se k nim vázat. Tak vznikají antiatomy nebo neutrální antihmota.

Izolují tyto antiatomy v nádobě s různými elektrickými a magnetickými poli, která je drží na místě, daleko od stěn nádoby vyrobené z hmoty. Nyní, v polovině roku 2020, úspěšně izolovali a stabilizovali několik antiatomů na hodinu v kuse. Během příštích několika let budou vědci schopni řídit pohyb antihmoty v gravitačním poli.

Tato technologie pro nás nebude v blízké budoucnosti k dispozici, ale může se ukázat, že naším nejrychlejším způsobem mezihvězdného cestování je raketa s antihmotou.

4). Hvězdná loď o temné hmotě. Tato možnost určitě spoléhá na předpokladu, že jakákoli částice zodpovědná za temnou hmotu se chová jako boson a je její vlastní antičásticí. Teoreticky má temná hmota, která je vlastní antičásticemi, malou, ale ne nulovou šanci zničit jakoukoli jinou částici temné hmoty, která s ní koliduje. Energii uvolněnou v důsledku kolize můžeme potenciálně využít.

Existují pro to možné důkazy. V důsledku pozorování bylo zjištěno, že Mléčná dráha a další galaxie mají nevysvětlitelný přebytek záření gama pocházejícího z jejich center, kde by koncentrace temné energie měla být nejvyšší. Vždy existuje možnost, že pro to existuje jednoduché astrofyzické vysvětlení, například pulsary. Je však možné, že se tato temná hmota stále zničí sama ve středu galaxie a dá nám tak neuvěřitelný nápad - hvězdnou loď na temnou hmotu.

Výhodou této metody je, že temná hmota existuje doslova všude v galaxii. To znamená, že na cestu nemusíme s sebou nosit palivo. Místo toho může reaktor temné energie jednoduše provést následující:

  • vezměte jakoukoli temnou hmotu, která je poblíž;
  • urychlit jeho zničení nebo mu umožnit přirozené zničení;
  • přesměrovat přijatou energii, aby získala hybnost v libovolném požadovaném směru.

Člověk mohl ovládat velikost a výkon reaktoru, aby dosáhl požadovaných výsledků.

Bez nutnosti nosit palivo na palubě zmizí mnoho problémů s pohonem poháněným vesmírem. Místo toho budeme schopni dosáhnout drahocenného snu o jakékoli cestě - neomezené neustálé zrychlování. Tím získáme tu nejnemyslitelnější schopnost - schopnost dosáhnout během jednoho lidského života jakéhokoli místa ve vesmíru.

Omezíme -li se na stávající raketové technologie, pak budeme potřebovat nejméně desítky tisíc let na cestu ze Země do nejbližšího hvězdného systému. Významné pokroky v technologii motorů jsou však na dosah a zkrátí dobu cestování na jeden lidský život. Pokud se dokážeme vyrovnat s využitím jaderného paliva, kosmických laserových paprsků, antihmoty nebo dokonce temné hmoty, splníme si svůj vlastní sen a staneme se vesmírnou civilizací bez použití rušivých technologií, jako jsou warpové pohony.

Existuje mnoho potenciálních způsobů, jak z vědecky podložených myšlenek udělat proveditelné technologie motorů nové generace v reálném světě. Je dost možné, že do konce století zaujme místo New Horizons, Pioneer a Voyager coby nejvzdálenější objekty vytvořené člověkem ze Země vesmírná loď, která ještě nebyla vynalezena. Věda je již připravena. Zbývá se podívat nad rámec naší dnešní technologie a tento sen si splnit.

Doporučuje: