Är interstellära resor verkliga?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Författaren till artikeln berättar i detalj om fyra lovande teknologier som ger människor möjlighet att nå vilken plats som helst i universum under ett människoliv. Som jämförelse: med hjälp av modern teknik kommer vägen till ett annat stjärnsystem att ta cirka 100 tusen år.

Ända sedan människan först tittade upp på natthimlen har vi drömt om att besöka andra världar och se universum. Och även om våra kemiskt drivna raketer redan har nått många planeter, månar och andra kroppar i solsystemet, täckte rymdfarkosten längst bort från jorden, Voyager 1, bara 22,3 miljarder kilometer. Detta är bara 0,056 % av avståndet till närmaste kända stjärnsystem. Med hjälp av modern teknik kommer vägen till ett annat stjärnsystem att ta cirka 100 tusen år.

Det finns dock ingen anledning att agera som vi alltid har gjort. Effektiviteten i att skicka fordon med stor nyttolastmassa, även med människor ombord, över aldrig tidigare skådade avstånd i universum kan förbättras avsevärt om rätt teknik används. Mer specifikt finns det fyra lovande teknologier som kan ta oss till stjärnorna på mycket kortare tid. Här är de.

ett). Kärnteknik. Hittills i mänsklighetens historia har alla rymdfarkoster som skjutits upp i rymden en sak gemensamt: en kemiskt driven motor. Ja, raketbränsle är en speciell blandning av kemikalier utformad för att ge maximal dragkraft. Frasen "kemikalier" är viktig här. Reaktionerna som ger energi till motorn är baserade på omfördelningen av bindningar mellan atomer.

Detta begränsar i grunden våra handlingar! Den överväldigande majoriteten av en atoms massa faller på dess kärna - 99, 95%. När en kemisk reaktion börjar omfördelas elektronerna som kretsar kring atomerna och släpper vanligtvis ut som energi cirka 0, 0001 % av den totala massan av atomerna som deltar i reaktionen, enligt Einsteins berömda ekvation: E = mc2. Det betyder att för varje kilogram bränsle som laddas i raketen, under reaktionen, får man energi motsvarande cirka 1 milligram.

Men om kärnkraftsdrivna raketer används blir situationen drastiskt annorlunda. Istället för att förlita sig på förändringar i elektronernas konfiguration och hur atomer binder till varandra kan man frigöra en relativt stor mängd energi genom att påverka hur atomkärnorna är kopplade till varandra. När du klyver en uranatom genom att bombardera den med neutroner, avger den mycket mer energi än någon kemisk reaktion. 1 kilo uran-235 kan frigöra en mängd energi som motsvarar 911 milligram massa, vilket är nästan tusen gånger mer effektivt än kemiskt bränsle.

Vi skulle kunna göra motorer ännu effektivare om vi behärskar kärnfusion. Till exempel ett system av tröghetskontrollerad termonukleär fusion, med hjälp av vilken det skulle vara möjligt att syntetisera väte till helium, en sådan kedjereaktion sker på solen. Syntesen av 1 kilo vätebränsle till helium kommer att omvandla 7,5 kilo massa till ren energi, vilket är nästan 10 tusen gånger effektivare än kemiskt bränsle.

Tanken är att få samma acceleration för en raket under mycket längre tid: hundratals eller till och med tusentals gånger längre än nu, vilket skulle tillåta dem att utveckla hundratals eller tusentals gånger snabbare än konventionella raketer nu. En sådan metod skulle minska tiden för interstellär flygning till hundratals eller till och med tiotals år. Detta är en lovande teknik som vi kommer att kunna använda till år 2100, beroende på takten och riktningen för den vetenskapliga utvecklingen.

2). En stråle av kosmiska lasrar. Denna idé är kärnan i Breakthrough Starshot-projektet, som fick framträdande plats för några år sedan. Konceptet har inte förlorat sin attraktivitet genom åren. Medan en konventionell raket bär bränsle med sig och spenderar det på acceleration, är nyckelidén med denna teknik en stråle av kraftfulla lasrar som ger rymdfarkosten den nödvändiga impulsen. Med andra ord kommer accelerationskällan att vara frikopplad från själva fartyget.

Detta koncept är både spännande och revolutionerande på många sätt. Laserteknologier utvecklas framgångsrikt och blir inte bara kraftfullare utan också mycket kollimerade. Så om vi skapar ett segelliknande material som reflekterar en tillräckligt hög procentandel av laserljus, kan vi använda ett laserskott för att få rymdskeppet att utveckla kolossala hastigheter. "Stjärnskeppet" som väger ~ 1 gram förväntas nå en hastighet på ~ 20 % av ljusets hastighet, vilket gör att det kan flyga till närmaste stjärna, Proxima Centauri, på bara 22 år.

Naturligtvis, för detta måste vi skapa en enorm stråle av lasrar (cirka 100 km2), och detta måste göras i rymden, även om detta är mer av ett kostnadsproblem än teknik eller vetenskap. Det finns dock ett antal utmaningar som måste övervinnas för att kunna genomföra ett sådant projekt. Bland dem:

• ett ostödd segel kommer att rotera, någon form av (ännu ej utvecklad) stabiliseringsmekanism krävs;
• oförmågan att bromsa när destinationspunkten nås, eftersom det inte finns något bränsle ombord;
• även om det visar sig skala enheten för att transportera människor, kommer en person inte att kunna överleva med en enorm acceleration - en betydande skillnad i hastighet på kort tid.

Kanske kommer teknologier en dag att kunna ta oss till stjärnorna, men det finns fortfarande ingen framgångsrik metod för en person att nå en hastighet lika med ~ 20% av ljusets hastighet.

3). Antimateria bränsle. Om vi ändå vill bära med oss bränsle kan vi göra det så effektivt som möjligt: det kommer att baseras på utplåning av partiklar och antipartiklar. Till skillnad från kemiskt eller kärnbränsle, där bara en bråkdel av massan ombord omvandlas till energi, använder partikel-antipartikelförintelse 100% av massan av både partiklar och antipartiklar. Möjligheten att omvandla allt bränsle till pulsenergi är den högsta nivån av bränsleeffektivitet.

Svårigheter uppstår vid tillämpningen av denna metod i praktiken i tre huvudriktningar. Specifikt:

• skapande av stabil neutral antimateria;
• förmågan att isolera den från vanlig materia och exakt kontrollera den;
• producera antimateria i tillräckligt stora mängder för interstellär flygning.

Som tur är arbetar man redan med de två första frågorna.

Vid European Organization for Nuclear Research (CERN), där Large Hadron Collider finns, finns ett enormt komplex känt som "antimateriafabriken". Där undersöker sex oberoende team av forskare antimaterias egenskaper. De tar antiprotoner och saktar ner dem, vilket tvingar positronen att binda till dem. Det är så antiatomer eller neutral antimateria skapas.

De isolerar dessa antiatomer i en behållare med olika elektriska och magnetiska fält som håller dem på plats, bort från väggarna i en behållare gjord av materia. Vid det här laget, mitten av 2020, har de framgångsrikt isolerat och stabiliserat flera antiatomer under en timme åt gången. Under de närmaste åren kommer forskare att kunna kontrollera antimaterias rörelse inom gravitationsfältet.

Den här tekniken kommer inte att vara tillgänglig för oss inom en snar framtid, men det kan visa sig att vårt snabbaste sätt att resa interstellärt är en antimateriaraket.

4). Rymdskepp på mörk materia. Detta alternativ bygger verkligen på antagandet att varje partikel som är ansvarig för mörk materia beter sig som en boson och är sin egen antipartikel. I teorin har mörk materia, som är dess egen antipartikel, en liten, men inte noll, chans att förinta med någon annan partikel av mörk materia som kolliderar med den. Vi kan potentiellt använda den energi som frigörs till följd av kollisionen.

Det finns möjliga bevis för detta. Som ett resultat av observationer har det konstaterats att Vintergatan och andra galaxer har ett oförklarligt överskott av gammastrålning som kommer från deras centra, där koncentrationen av mörk energi borde vara högst. Det finns alltid möjligheten att det finns en enkel astrofysisk förklaring till detta, till exempel pulsarer. Det är dock möjligt att denna mörka materia fortfarande håller på att förinta med sig själv i mitten av galaxen och därmed ger oss en otrolig idé - ett rymdskepp på mörk materia.

Fördelen med denna metod är att mörk materia finns bokstavligen överallt i galaxen. Det betyder att vi inte behöver ha med oss bränsle på resan. Istället kan den mörka energireaktorn helt enkelt göra följande:

• ta någon mörk materia som finns i närheten;
• påskynda dess förintelse eller tillåta den att förinta naturligt;
• dirigera om den mottagna energin för att få fart i valfri riktning.

En människa kan kontrollera storleken och kraften på reaktorn för att uppnå de önskade resultaten.

Utan att behöva bära bränsle ombord kommer många av problemen med framdrivningsdrivna rymdresor att försvinna. Istället kommer vi att kunna uppnå den omhuldade drömmen om vilken resa som helst - obegränsad konstant acceleration. Detta kommer att ge oss den mest otänkbara förmågan - förmågan att nå vilken plats som helst i universum under ett människoliv.

Om vi begränsar oss till befintliga raketteknologier kommer vi att behöva minst tiotusentals år för att resa från jorden till närmaste stjärnsystem. Men betydande framsteg inom motorteknik ligger nära till hands och kommer att minska restiderna till ett människoliv. Om vi kan bemästra användningen av kärnbränsle, kosmiska laserstrålar, antimateria eller till och med mörk materia, kommer vi att uppfylla vår egen dröm och bli en rymdcivilisation utan användning av störande teknologier såsom warp-drev.

Det finns många potentiella sätt att omvandla vetenskapsbaserade idéer till genomförbara, verkliga nästa generations motorteknologier. Det är fullt möjligt att rymdskeppet, som ännu inte har uppfunnits, i slutet av århundradet kommer att ta platsen för New Horizons, Pioneer och Voyager som de mest avlägsna konstgjorda objekten från jorden. Vetenskapen är redan redo. Det återstår för oss att se bortom vår nuvarande teknik och förverkliga denna dröm.