Mezihvězdné cestování - Interstellar travel - Wikipedia

A Bussard ramjet, jedna z mnoha možných metod, které by mohly sloužit k pohonu kosmické lodi.

Mezihvězdné cestování je hypotetické cestování mezihvězdné sondy mezi hvězdy nebo planetární systémy v galaxii. Mezihvězdné cestování by bylo mnohem obtížnější než meziplanetární vesmírný let. Vzhledem k tomu, že vzdálenosti mezi planety v Sluneční Soustava jsou méně než 30 astronomické jednotky (AU), vzdálenosti mezi hvězdami jsou obvykle stovky tisíc AU a obvykle se vyjadřují v světelné roky. Kvůli rozlehlosti těchto vzdáleností by se praktické mezihvězdné cestování založené na známé fyzice muselo vyskytovat u vysokého procenta rychlost světla; i tak by doba cestování byla dlouhá, nejméně desetiletí a možná i tisíciletí nebo delší.^[1]

Rychlosti potřebné pro mezihvězdné cestování v lidském životě daleko převyšují to, co mohou poskytnout současné metody vesmírného cestování. I s hypoteticky dokonale účinným pohonným systémem je Kinetická energie odpovídající těmto rychlostem je podle dnešních standardů enormní rozvoj energie. Navíc srážky kosmické lodi s kosmický prach a plyn mohou mít velmi nebezpečné účinky jak pro cestující, tak pro samotnou kosmickou loď.^[1]

Pro řešení těchto problémů byla navržena řada strategií, od obří archy, které by nesly celé společnosti a ekosystémy mikroskopické vesmírné sondy. Mnoho různých pohon kosmické lodi byly navrženy systémy poskytující kosmické lodi požadované rychlosti, včetně jaderný pohon, paprskový pohon a metody založené na spekulativní fyzice.^[2]

Pro mezihvězdné cestování s posádkou i bez posádky je třeba splnit značné technologické a ekonomické výzvy. I ty nejoptimističtější pohledy na mezihvězdné cestování to považují za proveditelné teprve po desetiletích. Navzdory výzvám se však očekává, že pokud se uskuteční mezihvězdné cestování, očekává se celá řada vědeckých výhod.^[3]

Většina mezihvězdných cestovních konceptů vyžaduje rozvinutý systém vesmírné logistiky schopný přemístit miliony tun na místo stavby / provozu a většina by pro stavbu nebo energii vyžadovala výkon v gigawatovém měřítku (například Star Wisp nebo Lehká plachta koncepty typu). Takový systém by mohl organicky růst, kdyby vesmírná solární energie se stala významnou součástí energetického mixu Země. Poptávka spotřebitelů po systému s více terawatty by automaticky vytvořila potřebný logistický systém v řádu milionů tun za rok.^[4]

Výzvy

Mezihvězdné vzdálenosti

Vzdálenosti mezi planetami ve sluneční soustavě se často měří v astronomických jednotkách (AU), které jsou definovány jako průměrná vzdálenost mezi Sluncem a Zemí, asi 1,5×10⁸ kilometrů (93 milionů mil). Venuše, nejbližší jiná planeta k Zemi je (při nejbližším přiblížení) vzdálena 0,28 AU. Neptune, nejvzdálenější planeta od Slunce, je vzdálená 29,8 AU. K 25. lednu 2020 Kosmická sonda Voyager, nejvzdálenější objekt vytvořený člověkem od Země, je vzdálený 200 AU.^[5]

Nejbližší známá hvězda, Proxima Centauri, je vzdálený přibližně 268 332 AU nebo více než 9 000krát dál než Neptun.

Z tohoto důvodu jsou vzdálenosti mezi hvězdami obvykle vyjádřeny v světelné roky (definovaná jako vzdálenost, kterou světlo prochází ve vakuu v jednom Juliánský rok ) nebo v parsecs (jeden parsek je 3,26 ly, vzdálenost, na kterou hvězdná paralaxa je přesně jedna arcsecond, odtud název). Světlo ve vakuu se pohybuje kolem 300 000 kilometrů (186 000 mil) za sekundu, takže 1 světelný rok je přibližně 9 461×10¹² kilometrů (5 879 bilionů mil) nebo 63 241 AU. Proxima Centauri, nejbližší hvězda (i když není viditelná pouhým okem), je vzdálená 4,243 světelných let.

Další způsob, jak porozumět rozlehlosti mezihvězdných vzdáleností, je škálování: Jedna z nejbližších hvězd ke Slunci, Alpha Centauri A (hvězda podobná slunci), lze zobrazit zmenšením Vzdálenost Země – Slunce na jeden metr (3,28 ft). V tomto měřítku by vzdálenost k Alpha Centauri A byla 276 kilometrů (171 mil).

Nejrychlejší doposud vyslaná kosmická loď Voyager 1, za 30 let pokryl 1/600 světelného roku a v současné době se pohybuje rychlostí 1/18 000 rychlosti světla. Při tomto tempu by cesta do Proxima Centauri trvala 80 000 let.^[6]

Potřebná energie

Významným faktorem přispívajícím k obtížnosti je energie, která musí být dodána k získání přiměřené doby cestování. Dolní mez pro požadovanou energii je Kinetická energie ${ displaystyle K = { tfrac {1} {2}} mv ^ {2}}$ kde ${ displaystyle m}$ je konečná hmotnost. Li zpomalení při příjezdu je žádoucí a nelze jej dosáhnout jinými prostředky než motory lodi, pak se spodní hranice požadované energie zdvojnásobí na ${ displaystyle mv ^ {2}}$.^[7]

Rychlost posádky zpáteční cesty několik desítek let i k nejbližší hvězdě je několik tisíckrát větší než rychlost současných vesmírných vozidel. To znamená, že kvůli ${ displaystyle v ^ {2}}$ ve vzorci kinetické energie je zapotřebí milionkrát tolik energie. Zrychlení jedné tony na desetinu rychlosti světla vyžaduje nejméně 450 petajoulů nebo 4,50×10¹⁷ joulů nebo 125 terawatthodin^[8] (světová spotřeba energie 2008 činila 143 851 terawatthodin),^[9] bez zohlednění účinnosti pohonného mechanismu. Tato energie musí být generována na palubě z uloženého paliva, sklizena z mezihvězdného média nebo promítnuta na obrovské vzdálenosti.

Mezihvězdné médium

Znalost vlastností mezihvězdný plyn a prach kterým musí vozidlo projít, je nezbytné pro konstrukci jakékoli mezihvězdné vesmírné mise.^[10] Hlavním problémem při cestování extrémně vysokou rychlostí je, že mezihvězdný prach může způsobit značné škody na plavidle kvůli vysokým relativním rychlostem a velkým kinetickým energiím. Byly navrženy různé metody stínění ke zmírnění tohoto problému.^[11] Větší objekty (například makroskopická prachová zrna) jsou mnohem méně časté, ale byly by mnohem ničivější. O rizicích dopadu na tyto objekty a metodách zmírnění těchto rizik byla diskutována v literatuře, ale mnoho neznámých zůstává^[12] a vzhledem k nehomogennímu rozložení mezihvězdné hmoty kolem Slunce bude záviset na uraženém směru.^[10] Ačkoli mezihvězdné médium s vysokou hustotou může způsobit potíže mnoha konceptům mezihvězdného cestování, mezihvězdné ramjety, a některé navrhované koncepty pro zpomalení mezihvězdné kosmické lodi, by ve skutečnosti měly prospěch z hustšího mezihvězdného média.^[10]

Nebezpečí

Posádka mezihvězdné lodi by čelila několika významným rizikům, včetně dlouhodobých psychologických účinků izolace, účinky expozice ionizující radiace a fyziologické účinky beztíže na svaly, klouby, kosti, imunitní systém a oči. Existuje také riziko dopadu mikrometeoroidy a další vesmírný odpad. Tato rizika představují výzvy, které je ještě třeba překonat.^[13]

Počkejte na výpočet

Fyzik Robert L. Vpřed tvrdí, že mezihvězdná mise, kterou nelze dokončit do 50 let, by neměla být vůbec zahájena. Místo toho, za předpokladu, že civilizace je stále na rostoucí křivce rychlosti pohonného systému a ještě nedosáhla limitu, je třeba prostředky investovat do návrhu lepšího pohonného systému. Je tomu tak proto, že pomalou kosmickou loď by pravděpodobně obletěla jiná mise vyslaná později s pokročilejším pohonem (neustálý zastaralý postulát).^[14]

Na druhou stranu Andrew Kennedy ukázal, že pokud se počítá doba cesty do daného cíle s tím, jak se zvyšuje rychlost cestování odvozená z růstu (i exponenciálního růstu), je od nynějška zřejmé minimum v celkové době do tohoto cíle .^[15] Plavby uskutečněné před minimem budou předjížděny těmi, kteří odjíždějí na minimu, zatímco plavby, které odcházejí po minimu, nikdy nepředjíždí ty, kteří odjeli na minimu.

Hlavní cíle pro mezihvězdné cestování

Je jich známo 59 hvězdné systémy do 40 světelných let od Slunce, obsahující 81 viditelných hvězd. Za hlavní cíle mezihvězdných misí lze považovat:^[14]

Stávající a krátkodobá astronomická technologie je schopna najít planetární systémy kolem těchto objektů a zvýšit tak jejich potenciál pro průzkum

Navrhované metody

Pomalé, nešroubované sondy

Pomalé mezihvězdné mise založené na současných a blízkých technologiích pohonu jsou spojeny s dobami výletů, které začínají zhruba od sto let do tisíců let. Tyto mise spočívají v odeslání robotické sondy k blízké hvězdě k průzkumu, podobně jako meziplanetární sondy použité v Program Voyager.^[20] Díky nepřijetí žádné posádky se náklady a složitost mise výrazně sníží, i když životnost technologie je stále významným problémem vedle získání přiměřené rychlosti cestování. Navrhované koncepce zahrnují Projekt Daedalus, Projekt Icarus, Projekt Vážka, Projekt Longshot,^[21] a více nedávno Průlom Starshot.^[22]

Rychlé, nešroubované sondy

Nanosondy

V blízké budoucnosti by mohla být možná kosmická loď s blízkými světly, postavená na stávající technologii mikročipů s nově vyvinutým propulzem v nanoměřítku. Vědci z Michiganská univerzita vyvíjejí trysky, které jako pohonnou látku používají nanočástice. Jejich technologie se nazývá „extrakční propeler pole nanočástic“, nebo nanoFET. Tato zařízení fungují jako malé urychlovače částic střílející vodivé nanočástice do vesmíru.^[23]

Michio Kaku, teoretický fyzik, navrhl, aby ke hvězdám byly posílány mraky „chytrého prachu“, což by bylo možné díky pokroku v nanotechnologie. Kaku také poznamenává, že by bylo potřeba poslat velké množství nanosond kvůli zranitelnosti velmi malých sond, které by mohly být snadno odkloněny magnetickými poli, mikrometeority a jinými nebezpečími, aby byla zajištěna šance, že alespoň jedna nanosonda přežije cestu a dosáhne destinace.^[24]

Vzhledem k nízké hmotnosti těchto sond by jejich zrychlení vyžadovalo mnohem méně energie. S palubními solárními články mohli pomocí solární energie neustále zrychlovat. Lze si představit den, kdy se flotila milionů nebo dokonce miliard těchto částic rojí ke vzdáleným hvězdám téměř rychlostí světla a přenáší signály zpět na Zemi prostřednictvím obrovské mezihvězdné komunikační sítě.

Jako krátkodobé řešení byly navrženy malé mezihvězdné sondy s laserovým pohonem založené na současné technologii CubeSat v kontextu Projekt Vážka.^[21]

Pomalé mise s posádkou

V misích s posádkou představuje trvání pomalé mezihvězdné cesty hlavní překážku a stávající koncepce řeší tento problém různými způsoby.^[25] Lze je rozlišit podle „stavu“, ve kterém jsou lidé přepravováni na palubě kosmické lodi.

Generační lodě

A generace lodi (nebo světová loď) je typ mezihvězdná archa ve kterém posádka, která dorazí do cíle, pochází z těch, kteří zahájili cestu. Generační lodě nejsou v současné době proveditelné kvůli obtížnosti konstrukce lodi v tak velkém požadovaném rozsahu a velkým biologickým a sociologickým problémům, které život na palubě takové lodi vyvolává.^{[26][27][28][29][30]}

Pozastavená animace

Vědci a spisovatelé předpokládali různé techniky pro pozastavená animace. Patří mezi ně člověk hibernace a kryonické uchování. Ačkoli žádný z nich není v současné době praktický, nabízí možnost spací lodě ve kterém cestující leží inertní po dlouhou dobu plavby.^[31]

Zmrazená embrya

A robotické mezihvězdná mise nesoucí určitý počet zmrazených lidí v rané fázi embrya je další teoretická možnost. Tato metoda kolonizace prostoru vyžaduje mimo jiné rozvoj umělá děloha, předchozí detekce obyvatelné pozemská planeta a pokroky v oblasti plně autonomních mobilní roboti a vzdělávací roboty, kteří by nahradili lidské rodiče.^[32]

Ostrov skákající mezihvězdným prostorem

Mezihvězdný prostor není úplně prázdný; obsahuje biliony ledových těles od malých asteroidů (Oortův mrak ) možné nepoctiví planety. Mohou existovat způsoby, jak využít tyto zdroje pro dobrou část mezihvězdného výletu, pomalého skákání z těla na tělo nebo zřizování waystations podél cesty.^[33]

Rychlé mise

Pokud by kosmická loď dokázala dosáhnout průměrné rychlosti světla 10 procent (a zpomalit v cíli u misí s lidskou posádkou), stačilo by to k dosažení Proxima Centauri za čtyřicet let. Bylo navrženo několik koncepcí pohonu ^[34] které by mohly být nakonec vyvinuty k dosažení tohoto cíle (viz § Pohon níže), ale žádný z nich není připraven na krátkodobý (několik desetiletí) vývoj za přijatelnou cenu.

Dilatace času

Fyzici obecně věří, že cestování rychleji než světlem je nemožné. Relativistické dilatace času umožňuje cestujícímu prožít čas pomaleji, čím blíže je jeho rychlost rychlosti světla.^[35] Toto zjevné zpomalení je patrné při dosažení rychlostí nad 80% rychlosti světla. Hodiny na palubě mezihvězdné lodi by běžely pomaleji než hodiny Země, takže pokud by lodní motory byly schopné nepřetržitě generovat přibližně 1 g zrychlení (což je pro člověka pohodlné), mohla by loď dosáhnout téměř kdekoli v galaxii a vrátit se na Zemi do 40 doba expedice (viz diagram). Po návratu by existoval rozdíl mezi časem, který uplynul na lodi astronauta, a časem, který uplynul na Zemi.

Kosmická loď by například mohla cestovat k hvězdě vzdálené 32 světelných let a zpočátku zrychlovat konstantní rychlostí 1,03 g (tj. 10,1 m / s)²) po dobu 1,32 roku (doba plavby), poté zastaví své motory a setrvá na dalších 17,3 let (doba plavby) konstantní rychlostí, poté znovu zpomalí na 1,32 letové doby a zastaví se v cíli. Po krátké návštěvě se astronaut mohl vrátit na Zemi stejným způsobem. Po úplném zpáteční cestě ukazují hodiny na palubě lodi, že uplynulo 40 let, ale podle těch na Zemi se loď vrátí zpět 76 let po startu.

Z pohledu astronauta se zdá, že palubní hodiny běží normálně. Zdá se, že hvězda před námi se blíží rychlostí 0,87 světelného roku na lodní rok. Vesmír vypadal stažený ve směru jízdy na poloviční velikost, než jakou měl, když byla loď v klidu; vzdálenost mezi touto hvězdou a Sluncem se zdá být 16 světelných let, měřeno astronautem.

Při vyšších rychlostech bude čas na palubě běžet ještě pomaleji, takže astronaut mohl cestovat do středu vesmíru mléčná dráha (30 000 světelných let od Země) a zpět za 40 let na lodi. Ale rychlost podle hodin Země bude vždy menší než 1 světelný rok na pozemský rok, takže po návratu domů astronaut zjistí, že na Zemi uplyne více než 60 tisíc let.

Konstantní zrychlení

Tento graf ukazuje loď schopnou 1-G (10 m / s² nebo přibližně 1,0 ly / rok²) „cítil“ nebo správné zrychlení^[36] může jít daleko, až na problém zrychlení palubního paliva.

Bez ohledu na to, jak toho je dosaženo, by byl nejrychlejší způsob jízdy pohonný systém, který by dokázal nepřetržitě produkovat zrychlení od odletu do příjezdu. Cesta s konstantním zrychlením je ta, kdy pohonný systém zrychluje loď konstantní rychlostí pro první polovinu cesty a poté zpomaluje pro druhou polovinu, takže dorazí do cíle stacionárně vzhledem k místu, kde začala. Pokud by to bylo provedeno s podobným zrychlením, jaké jsme zažili na zemském povrchu, mělo by to další výhodu v produkci umělé „gravitace“ pro posádku. Dodávání potřebné energie by však bylo při současné technologii neúnosně nákladné.^[37]

Z pohledu planetárního pozorovatele se bude zdát, že loď nejprve zrychluje stabilně, ale poté, jak se přiblíží rychlosti světla (kterou nemůže překročit), pozvolněji. Bude to podstoupit hyperbolický pohyb.^[38] Loď se asi po roce zrychlení přiblíží rychlosti světla a zůstane na této rychlosti, dokud nezastaví na konci cesty.

Z pohledu palubního pozorovatele bude posádka cítit a gravitační pole naproti zrychlení motoru a zdá se, že vesmír vpředu padá v tomto poli a prochází hyperbolickým pohybem. V rámci toho se vzdálenosti mezi objekty ve směru pohybu lodi budou postupně zmenšovat, dokud se loď nezačne zpomalovat, a v tom okamžiku bude zážitek pozorovatele na palubě s gravitačním polem obrácen.

Když loď dorazí na místo určení, pokud by si vyměnila zprávu se svou původní planetou, zjistila by, že na palubě uplynulo méně času, než kolik uplynulo pro planetárního pozorovatele. dilatace času a kontrakce délky.

Výsledkem je působivě rychlá cesta pro posádku.

Pohon

Raketové koncepty

Všechny koncepty raket jsou omezeny raketová rovnice, která nastavuje charakteristickou rychlost dostupnou jako funkce rychlosti výfukového plynu a hmotnostního poměru, poměr počáteční (M₀, včetně paliva) do konečné (M₁, palivo vyčerpáno) hmotnost.

Velmi vysoko měrný výkon, poměr tahu k celkové hmotnosti vozidla, je nutný k dosažení mezihvězdných cílů v časových rámcích dílčího století.^[39] Určitý přenos tepla je nevyhnutelný a je třeba adekvátně zvládnout obrovské vytápění.

U konceptů mezihvězdných raket všech technologií tedy klíčovým technickým problémem (zřídka výslovně diskutovaným) je omezení přenosu tepla z proudu výfukových plynů zpět do vozidla.^[40]

Ionový motor

Typ elektrického pohonu, kosmické lodě jako např Svítání použít iontový motor. V iontovém motoru se elektrická energie používá k vytváření nabitých částic hnacího plynu, obvykle plynového xenonu, a k jejich urychlení na extrémně vysoké rychlosti. Rychlost výfuku konvenčních raket je omezena chemickou energií uloženou v molekulárních vazbách paliva, což omezuje tah na asi 5 km / s. Produkují vysoký tah (asi 10⁶ N), ale mají nízký specifický impuls, což omezuje jejich maximální rychlost. Naproti tomu iontové motory mají nízkou sílu, ale nejvyšší rychlost je v zásadě omezena pouze elektrickou energií dostupnou na kosmické lodi a na plynné ionty, které se zrychlují. Rychlost výfuku nabitých částic se pohybuje od 15 km / s do 35 km / s.^[41]

Poháněno jaderným štěpením

Štěpení-elektrický

Jaderně-elektrické nebo plazmové motory, které dlouhodobě pracují při nízkém tahu a jsou poháněny štěpnými reaktory, mají potenciál dosáhnout rychlostí mnohem vyšších než chemicky poháněná vozidla nebo jaderně-termální rakety. Taková vozidla pravděpodobně mají potenciál napájet průzkum sluneční soustavy s rozumnými dobami výletů v současném století. Kvůli jejich nízko-tahovému pohonu by se omezovali na mimoplanetární provoz v hlubokém vesmíru. Elektricky poháněný pohon kosmické lodi napájeno přenosným zdrojem energie, řekněme a nukleární reaktor, produkující pouze malá zrychlení, trvalo by staletí, než by dosáhlo například 15% rychlost světla, tedy nevhodné pro mezihvězdný let během jediného lidského života.^[42]

Štěpný fragment

Rakety se štěpným fragmentem použití jaderné štěpení k vytvoření vysokorychlostních paprsků štěpných fragmentů, které se vyvrhují rychlostí až 12 000 km / s (7500 mi / s). Při štěpení je energetický výstup přibližně 0,1% z celkové hmotnostní energie paliva reaktoru a omezuje efektivní rychlost výfuku na přibližně 5% rychlosti světla. Pro maximální rychlost by reakční hmota měla optimálně sestávat ze štěpných produktů, „popela“ primárního zdroje energie, takže v hmotnostním poměru není třeba rezervovat žádnou další reakční hmotu.

Jaderný puls

Moderní koncept pohonu s pulzním štěpením.

Na základě prací z konce 50. až počátku 60. let bylo technicky možné postavit kosmické lodě jaderný pulzní pohon motory, tj. poháněné řadou jaderných výbuchů. Tento pohonný systém obsahuje vyhlídky na velmi vysokou úroveň specifický impuls (ekvivalent vesmírné dopravy k úspoře paliva) a vysoká měrný výkon.^[43]

Projekt Orion člen týmu Freeman Dyson navrhl v roce 1968 mezihvězdnou kosmickou loď využívající jaderný pulzní pohon, který používal čistý fúze deuteria detonace s velmi vysokým palivemvyhořet zlomek. Vypočítal rychlost výfuku 15 000 km / sa vesmírné vozidlo o hmotnosti 100 000 tun schopné dosáhnout rychlosti 20 000 km / s delta-v umožnění doby letu do Alfa Centauri 130 let.^[44] Pozdější studie naznačují, že nejvyšší cestovní rychlost, kterou lze teoreticky dosáhnout pomocí kosmické lodi Orion poháněné termonukleární jednotkou Teller-Ulam, za předpokladu, že se nešetří palivo pro zpomalení zpět, je asi 8% až 10% rychlosti světla (0,08-0,1 C).^[45] Atomový (štěpný) Orion může dosáhnout asi 3% - 5% rychlosti světla. Hvězdná loď poháněná jaderným pulsem poháněná jadernými pulzními pohonnými jednotkami katalyzovanými fúzí a antihmotou by byla obdobně v rozsahu 10% a rakety na vyhlazení antihmoty čisté hmoty by byly teoreticky schopné dosáhnout rychlosti mezi 50% a 80% rychlosti světla. V každém případě úspora paliva při zpomalení sníží na polovinu maximální rychlost. Koncept používání a magnetická plachta za účelem zpomalení kosmické lodi, když se blíží ke svému cíli, byla diskutována alternativa k použití hnacího plynu, což by lodi umožnilo cestovat blízko maximální teoretické rychlosti.^[46] Mezi alternativní vzory využívající podobné principy patří Projekt Longshot, Projekt Daedalus, a Mini-Mag Orion. Princip externího nukleárního pulzního pohonu k maximalizaci přežitelné energie zůstal běžný mezi vážnými koncepty pro mezihvězdný let bez vnějšího paprskového přenosu energie a pro velmi výkonný meziplanetární let.

V 70. letech koncept jaderného pulzního pohonu dále zdokonalil Projekt Daedalus pomocí externě spuštěných fúze setrvačné izolace, v tomto případě produkující fúzní exploze prostřednictvím stlačování pelet palivové fúze s vysoce výkonnými elektronovými paprsky. Od té doby, lasery, iontové paprsky, paprsky neutrálních částic a hyperkinetické střely byly navrženy k výrobě jaderných pulzů pro účely pohonu.^[47]

Současná překážka rozvoje žádný kosmická loď poháněná jaderným výbuchem je Smlouva o částečném zákazu zkoušek z roku 1963, který zahrnuje zákaz detonace jakýchkoli jaderných zařízení (i jiných než zbraní) ve vesmíru. Tuto smlouvu by proto bylo nutné znovu projednat, ačkoli projekt v rozsahu mezihvězdné mise využívající v současnosti předvídatelnou technologii by pravděpodobně vyžadoval mezinárodní spolupráci přinejmenším v rozsahu Mezinárodní vesmírná stanice.

Další otázkou, kterou je třeba zvážit, by byl g-síly předané rychle zrychlené kosmické lodi, nákladu a cestujícím uvnitř (viz Negace setrvačnosti ).

Rakety jaderné fúze

Fusion raketa hvězdné lodě, poháněno jaderná fůze by mělo být možné dosáhnout rychlostí řádově 10% rychlosti světla, pouze na základě energetických úvah. Teoreticky by velký počet stupňů mohl vozidlo libovolně tlačit blízko rychlosti světla.^[48] Ty by „spalovaly“ taková lehká paliva jako deuterium, tritium, ³On, ¹¹B a ⁷Li. Protože fúze poskytuje uvolněnou energii asi 0,3–0,9% hmotnosti jaderného paliva, je energeticky výhodnější než štěpení, které uvolňuje <0,1% hmotné energie paliva. Maximální potenciálně energeticky dostupné maximální rychlosti výfukového plynu jsou odpovídajícím způsobem vyšší než u štěpení, obvykle 4–10% c. Nejsnadněji dosažitelné fúzní reakce však uvolňují velkou část své energie jako vysokoenergetické neutrony, které jsou významným zdrojem ztrát energie. Ačkoli se tedy zdá, že tyto koncepty nabízejí nejlepší (nejbližší období) vyhlídky na cestu k nejbližším hvězdám během (dlouhého) lidského života, stále obsahují obrovské technologické a technické obtíže, které se po celá desetiletí nebo staletí mohou ukázat jako neřešitelné .

Daedalus mezihvězdná sonda.

Rané studie zahrnují Projekt Daedalus, provádí Britská meziplanetární společnost v letech 1973–1978 a Projekt Longshot, studentský projekt sponzorovaný NASA a Americká námořní akademie, dokončen v roce 1988. Další poměrně podrobný systém vozidla, „Discovery II“,^[49] navrženo a optimalizováno pro průzkum sluneční soustavy s posádkou na základě D.³Reagoval, ale s použitím vodíku jako reakční hmoty, popsal tým z NASA Glenn Research Center. Dosahuje charakteristických rychlostí> 300 km / s se zrychlením ~ 1,7 • 10⁻³ Gs počáteční hmotností lodi ~ 1700 tun a podílem užitečného zatížení nad 10%. I když stále ještě nedosahují požadavků na mezihvězdné cestování v lidských časových intervalech, zdá se, že studie představuje rozumné měřítko toho, čeho lze dosáhnout během několika desetiletí, což nepřekračuje současný stav techniky. Na základě 2,2% konceptu vyhořet zlomek, mohl by dosáhnout rychlosti výfukových plynů čistého fúzního produktu ~ 3 000 km / s.

Antihmotové rakety

Tato sekce potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. (Srpna 2015) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

An antihmota raketa by měl mnohem vyšší hustotu energie a specifický impuls než jakákoli jiná navrhovaná třída rakety.^[34] Pokud se zjistí, že energetické zdroje a efektivní výrobní metody dělají antihmota v požadovaném množství a uskladněte^[50][51] bezpečně by bylo teoreticky možné dosáhnout rychlosti několika desítek procent rychlosti světla.^[34] Zda by antihmotový pohon mohl vést k vyšším rychlostem (> 90% rychlosti světla), při kterých je relativistické dilatace času by se stalo viditelnějším, a proto by cestování cestujících pomalejším tempem, jak je vnímáno vnějším pozorovatelem, bylo vzhledem k velkému množství antihmoty, které by bylo zapotřebí, pochybné.^[34]

Spekulujíc, že ​​výroba a skladování antihmoty by mělo být možné, je třeba zvážit další dvě otázky. Zaprvé, při zničení antihmoty se velká část energie ztrácí jako vysokoenergetická gama záření, a zejména také jako neutrina, takže pouze asi 40% mc² by skutečně bylo k dispozici, kdyby antihmota byla jednoduše ponechána tepelně zničit na záření.^[34] I tak by energie dostupná pro pohon byla podstatně vyšší než ~ 1% mc² výtěžek jaderné fúze, další nejlepší konkurenční kandidát.

Zadruhé se zdá, že přenos tepla z výfuku do vozidla pravděpodobně přenese do lodi obrovskou zbytečnou energii (např. Pro 0,1G zrychlení lodi, blížící se 0,3 bilionu wattů na tunu hmotnosti lodi), s ohledem na velkou část energie, která jde do pronikajících paprsků gama. I za předpokladu, že bylo poskytnuto stínění k ochraně užitečného zatížení (a cestujících ve vozidle s posádkou), část energie by vozidlo nevyhnutelně zahřála, a mohla by se tak ukázat jako omezující faktor, pokud má být dosaženo užitečných zrychlení.

Poslední dobou, Friedwardt Winterberg navrhl, že hmota-antihmota GeV gama paprsková laserová fotonová raketa je možná relativistickým proton-antiprotonovým špetkovým výbojem, kde je zpětný ráz z laserového paprsku přenášen Mössbauerův efekt do kosmické lodi.^[52]

Rakety s externím zdrojem energie

Rakety odvozující svou energii z externích zdrojů, jako jsou a laser, mohli nahradit svůj vnitřní zdroj energie sběračem energie, což by mohlo podstatně snížit hmotnost lodi a umožnit mnohem vyšší pojezdové rychlosti. Geoffrey A. Landis navrhl pro mezihvězdná sonda, s energií dodávanou externím laserem ze základnové stanice napájející Iontová tryska.^[53]

Non-raketové koncepty

Problém všech tradičních metod raketového pohonu spočívá v tom, že kosmická loď by potřebovala nosit s sebou své palivo, čímž by byla v souladu s raketová rovnice. Několik konceptů se pokouší uniknout z tohoto problému:^[34][54]

RF rezonanční propust dutiny

Vysokofrekvenční (RF) rezonanční propust dutiny je zařízení, o kterém se tvrdí, že je raketoplán. V roce 2016 Laboratoř pokročilé fyziky pohonu na NASA hlášeno pozorování malého zdánlivého tahu z jednoho takového testu, výsledek nebyl od té doby replikován.^[55] Jeden z návrhů se jmenuje EMDrive. V prosinci 2002 společnost Satellite Propulsion Research Ltd popsala funkční prototyp s údajným celkovým tahem asi 0,02 newtonu poháněným 850 W dutinový magnetron. Zařízení mohlo fungovat jen několik desítek sekund před selháním magnetronu kvůli přehřátí.^[56] Nejnovější test na EMDrive dospěl k závěru, že nefunguje.^[57]

Spirálový motor

V roce 2019, který navrhl vědec NASA Dr. David Burns, by koncept spirálového motoru používal urychlovač částic k urychlení částic na rychlost blízkou rychlosti světla. Jelikož částice pohybující se takovými rychlostmi získávají více hmoty, předpokládá se, že tato změna hmotnosti může způsobit zrychlení. Podle Burnse mohla kosmická loď teoreticky dosáhnout 99% rychlosti světla.^[58]

Mezihvězdné ramjety

V roce 1960 Robert W. Bussard navrhl Bussard ramjet fúzní raketa, ve které by obrovská naběračka shromažďovala difuzní vodík v mezihvězdném prostoru, ho „vypálila“ za běhu pomocí řetězová reakce proton – proton, a vyhnat to zezadu. Pozdější výpočty s přesnějšími odhady naznačují, že generovaný tah by byl menší než odpor způsobený jakýmkoli myslitelným návrhem lopatky.^{[Citace je zapotřebí ]} Tento nápad je přesto atraktivní, protože by se shromažďovalo palivo na cestě (odpovídající konceptu sklizeň energie), takže plavidlo mohlo teoreticky zrychlit téměř na rychlost světla. Omezení je způsobeno skutečností, že reakce může hnací plyn pouze urychlit na 0,12 c. Tah zachycení mezihvězdného prachu a tah zrychlení stejného prachu na 0,12 c by tedy byly stejné, když je rychlost 0,12 c, což by zabránilo dalšímu zrychlení.

Paprskový pohon

Tento diagram ilustruje Robert L. Vpřed Schéma zpomalení mezihvězdného lehká plachta v cílovém systému hvězd.

A lehká plachta nebo magnetická plachta poháněn masivní laser nebo urychlovač částic v systému domácích hvězd mohl potenciálně dosáhnout ještě vyšších rychlostí než metody raketového nebo pulzního pohonu, protože by nemusel nést vlastní reakční hmota a proto by stačilo jen zrychlit plavidlo užitečné zatížení. Robert L. Vpřed navrhl prostředek pro zpomalení mezihvězdné světelné plachty 30 kilometrů v cílovém hvězdném systému bez nutnosti přítomnosti laserového pole v tomto systému. V tomto schématu je do zadní části kosmické lodi rozmístěna sekundární plachta o délce 100 kilometrů, zatímco velká primární plachta je oddělena od plavidla, aby se sama pohybovala vpřed. Světlo se odráží od velké primární plachty k sekundární plachtě, která se používá ke zpomalení sekundární plachty a užitečného zatížení kosmické lodi.^[59] V roce 2002 Geoffrey A. Landis z NASA Glenovo výzkumné středisko také navrhlo laserovou pohonnou plachetnici, která by hostila diamantovou plachtu (tlustou několik nanometrů) poháněnou pomocí solární energie.^[60] S tímto návrhem by tato mezihvězdná loď teoreticky dokázala dosáhnout 10 procent rychlosti světla. Rovněž bylo navrženo použít paprskový pohon k urychlení kosmické lodi a elektromagnetický pohon k jeho zpomalení; čímž se eliminuje problém, který má Bussardova ramjet s odporem vytvářeným během akcelerace.^[61]

A magnetická plachta mohl také zpomalit v cílovém místě bez závislosti na přepravovaném palivu nebo dálkovém paprsku v cílovém systému interakcí s plazmou nalezenou ve slunečním větru cílové hvězdy a mezihvězdného média.^[62][63]

V následující tabulce je uveden seznam příkladů konceptů využívajících paprskový laserový pohon navržený fyzikem Robert L. Vpřed:^[64]

Interstellar travel catalog to use photogravitational assists for a full stop

The following table is based on work by Heller, Hippke and Kervella.^[65]

• Successive assists at α Cen A and B could allow travel times to 75 yr to both stars.
• Lightsail has a nominal mass-to-surface ratio (σ_nom) of 8.6×10⁻⁴ gram m⁻² for a nominal graphene-class sail.
• Area of the Lightsail, about 10⁵ m² = (316 m)²
• Velocity up to 37,300 km s⁻¹ (12.5% c)

Pre-accelerated fuel

Achieving start-stop interstellar trip times of less than a human lifetime require mass-ratios of between 1,000 and 1,000,000, even for the nearer stars. This could be achieved by multi-staged vehicles on a vast scale.^[48] Alternatively large linear accelerators could propel fuel to fission propelled space-vehicles, avoiding the limitations of the Raketová rovnice.^[66]

Theoretical concepts

Rychlejší cestování než světlo

Artist's depiction of a hypothetical Wormhole Induction Propelled Spacecraft, based loosely on the 1994 "warp drive" paper of Miguel Alcubierre.

Scientists and authors have postulated a number of ways by which it might be possible to surpass the speed of light, but even the most serious-minded of these are highly speculative.^[67]

It is also debatable whether faster-than-light travel is physically possible, in part because of kauzalita concerns: travel faster than light may, under certain conditions, permit travel backwards in time within the context of speciální relativita.^[68] Proposed mechanisms for rychlejší než světlo travel within the theory of general relativity require the existence of exotická hmota^[67] and it is not known if this could be produced in sufficient quantity.

Pohon Alcubierre

Ve fyzice je Pohon Alcubierre is based on an argument, within the framework of obecná relativita and without the introduction of červí díry, that it is possible to modify spacetime in a way that allows a spaceship to travel with an arbitrarily large speed by a local expansion of spacetime behind the spaceship and an opposite contraction in front of it.^[69] Nevertheless, this concept would require the spaceship to incorporate a region of exotická hmota, or hypothetical concept of záporná hmotnost.^[69]

Artificial black hole

A theoretical idea for enabling interstellar travel is by propelling a starship by creating an artificial black hole and using a parabolic reflector to reflect its Hawkingovo záření. Although beyond current technological capabilities, a black hole starship offers some advantages compared to other possible methods. Getting the black hole to act as a power source and engine also requires a way to convert the Hawking radiation into energy and thrust. One potential method involves placing the hole at the focal point of a parabolic reflector attached to the ship, creating forward thrust. A slightly easier, but less efficient method would involve simply absorbing all the gamma radiation heading towards the fore of the ship to push it onwards, and let the rest shoot out the back.^[70][71][72]

Červí díry

Červí díry are conjectural distortions in spacetime that theorists postulate could connect two arbitrary points in the universe, across an Einstein–Rosen Bridge. It is not known whether wormholes are possible in practice. Although there are solutions to the Einstein equation of general relativity that allow for wormholes, all of the currently known solutions involve some assumption, for example the existence of záporná hmotnost, which may be unphysical.^[73] However, Cramer et al. argue that such wormholes might have been created in the early universe, stabilized by kosmické řetězce.^[74] The general theory of wormholes is discussed by Visser in the book Lorentzian Wormholes.^[75]

Designs and studies

Enzmann starship

The Enzmann starship, as detailed by G. Harry Stine in the October 1973 issue of Analogový, was a design for a future hvězdná loď, based on the ideas of Robert Duncan-Enzmann. The spacecraft itself as proposed used a 12,000,000 ton ball of frozen deuterium to power 12–24 thermonuclear pulse propulsion units. Twice as long as the Empire State Building and assembled in-orbit, the spacecraft was part of a larger project preceded by mezihvězdné sondy and telescopic observation of target star systems.^[76]

Project Hyperion

Project Hyperion, one of the projects of Icarus Interstellar has looked into various feasibility issues of crewed interstellar travel.^[77][78][79] Its members continue to publish on crewed interstellar travel in collaboration with the Iniciativa pro mezihvězdná studia.^[27]

Výzkum NASA

NASA has been researching interstellar travel since its formation, translating important foreign language papers and conducting early studies on applying fusion propulsion, in the 1960s, and laser propulsion, in the 1970s, to interstellar travel.

In 1994, NASA and JPL cosponsored a "Workshop on Advanced Quantum/Relativity Theory Propulsion" to "establish and use new frames of reference for thinking about the faster-than-light (FTL) question".^[80]

The NASA Breakthrough Propulsion Physics Program (terminated in FY 2003 after a 6-year, $1.2-million study, because "No breakthroughs appear imminent.")^[81] identified some breakthroughs that are needed for interstellar travel to be possible.^[82]

Geoffrey A. Landis NASA Glenn Research Center states that a laser-powered interstellar sail ship could possibly be launched within 50 years, using new methods of space travel. "I think that ultimately we're going to do it, it's just a question of when and who," Landis said in an interview. Rockets are too slow to send humans on interstellar missions. Instead, he envisions interstellar craft with extensive sails, propelled by laser light to about one-tenth the speed of light. It would take such a ship about 43 years to reach Alpha Centauri if it passed through the system without stopping. Slowing down to stop at Alpha Centauri could increase the trip to 100 years,^[83] whereas a journey without slowing down raises the issue of making sufficiently accurate and useful observations and measurements during a fly-by.

100 Year Starship study

The 100 letá hvězdná loď (100YSS) is the name of the overall effort that will, over the next century, work toward achieving interstellar travel. The effort will also go by the moniker 100YSS. The 100 Year Starship study is the name of a one-year project to assess the attributes of and lay the groundwork for an organization that can carry forward the 100 Year Starship vision.

Harold ("Sonny") White^[84] from NASA's Johnson Space Center is a member of Icarus Interstellar,^[85] the nonprofit foundation whose mission is to realize interstellar flight before the year 2100. At the 2012 meeting of 100YSS, he reported using a laser to try to warp spacetime by 1 part in 10 million with the aim of helping to make interstellar travel possible.^[86]

Jiné designy

• Projekt Orion, human crewed interstellar ship (1958–1968).
• Projekt Daedalus, uncrewed interstellar probe (1973–1978).
• Starwisp, uncrewed interstellar probe (1985).^[87]
• Projekt Longshot, uncrewed interstellar probe (1987–1988).
• Starseed/launcher, fleet of uncrewed interstellar probes (1996)
• Projekt Valkyrie, human crewed interstellar ship (2009)
• Projekt Icarus, uncrewed interstellar probe (2009–2014).
• Sun-diver, uncrewed interstellar probe^[88]
• Project Dragonfly, small laser-propelled interstellar probe (2013-2015).
• Průlom Starshot, fleet of uncrewed interstellar probes, announced on April 12, 2016.^[89][90][91]

Nezisková organizace

A few organisations dedicated to interstellar propulsion research and advocacy for the case exist worldwide. These are still in their infancy, but are already backed up by a membership of a wide variety of scientists, students and professionals.

• Iniciativa pro mezihvězdná studia (SPOJENÉ KRÁLOVSTVÍ) ^[92]
• 100 letá hvězdná loď^[93]
• Icarus Interstellar^[85]
• Tau Zero Foundation (USA)^[94]
• Fourth Millennium Foundation (Belgium)^[95]
• Space Development Cooperative (Canada)^[96]

Proveditelnost

The energy requirements make interstellar travel very difficult. It has been reported that at the 2008 Joint Propulsion Conference, multiple experts opined that it was improbable that humans would ever explore beyond the Solar System.^[97] Brice N. Cassenti, an associate professor with the Department of Engineering and Science at Rensselaer Polytechnic Institute, stated that at least 100 times the total energy output of the entire world [in a given year] would be required to send a probe to the nearest star.^[97]

Astrophysicist Sten Odenwald stated that the basic problem is that through intensive studies of thousands of detected exoplanets, most of the closest destinations within 50 light years do not yield Earth-like planets in the star's habitable zones.^[98] Given the multitrillion-dollar expense of some of the proposed technologies, travelers will have to spend up to 200 years traveling at 20% the speed of light to reach the best known destinations. Moreover, once the travelers arrive at their destination (by any means), they will not be able to travel down to the surface of the target world and set up a colony unless the atmosphere is non-lethal. The prospect of making such a journey, only to spend the rest of the colony's life inside a sealed habitat and venturing outside in a spacesuit, may eliminate many prospective targets from the list.

Moving at a speed close to the speed of light and encountering even a tiny stationary object like a grain of sand will have fatal consequences. For example, a gram of matter moving at 90% of the speed of light contains a kinetic energy corresponding to a small nuclear bomb (around 30kt TNT).

Interstellar missions not for human benefit

Explorative high-speed missions to Alfa Centauri, as planned for by the Breakthrough Starshot initiative, are projected to be realizable within the 21st century.^[99] It is alternatively possible to plan for uncrewed slow-cruising missions taking millennia to arrive. These probes would not be for human benefit in the sense that one can not foresee whether there would be anybody around on earth interested in then back-transmitted science data. An example would be the Genesis mission,^[100] which aims to bring unicellular life, in the spirit of directed panspermia, to habitable but otherwise barren planets.^[101] Comparatively slow cruising Genesis probes, with a typical speed of ${displaystyle c/300}$, corresponding to about ${displaystyle 1000,{mbox{km/s}}}$, can be decelerated using a magnetická plachta. Uncrewed missions not for human benefit would hence be feasible.^[102] Pro biotická etika, and their extension to space as panbiotic ethics, it is a human purpose to secure and propagate life and to use space to maximize life.

Discovery of Earth-Like planets

In February 2017, NASA announced that its Spitzerův kosmický dalekohled had revealed seven Earth-size planets in the TRAPPIST-1 system orbiting an ultra-cool dwarf star 40 light-years away from the Solar System.^[103] Three of these planets are firmly located in the habitable zone, the area around the parent star where a rocky planet is most likely to have liquid water. The discovery sets a new record for greatest number of habitable-zone planets found around a single star outside the Solar System. All of these seven planets could have liquid water – the key to life as we know it – under the right atmospheric conditions, but the chances are highest with the three in the habitable zone.

Viz také

• Vliv kosmických letů na lidské tělo - Lékařské důsledky kosmických letů
• Ohrožení zdraví kosmickými paprsky
• Lidský vesmírný let – Space travel by humans
• Mezigalaktické cestování
• Mezihvězdná komunikace – communication between planetary systems
• Mezihvězdný objekt
• Seznam nejbližších pozemských kandidátů na exoplanety - článek na Wikipedii
• Pohon kosmické lodi – Method used to accelerate spacecraft
• Uploaded astronaut

Reference

Další čtení

• Crawford, Ian A. (1990). "Interstellar Travel: A Review for Astronomers". Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society. 31: 377–400. Bibcode:1990QJRAS..31..377C.
• Hein, A.M. (Září 2012). "Evaluation of Technological-Social and Political Projections for the Next 100-300 Years and the Implications for an Interstellar Mission". Journal of the British Interplanetary Society. 33 (9/10): 330–340. Bibcode:2012JBIS...65..330H.
• Long, Kelvin (2012). Deep Space Propulsion: Roadmap to Interstellar Flight. Springer. ISBN  978-1-4614-0606-8.
• Mallove, Eugene (1989). The Starflight Handbook. John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-61912-3.
• Odenwald, Sten (2015). Interstellar Travel: An Astronomer's Guide. ISBN  978-1-5120-5627-3.
• Woodward, James (2013). Making Starships and Stargates: The Science of Interstellar Transport and Absurdly Benign Wormholes. Springer. ISBN  978-1-4614-5622-3.
• Zubrin, Robert (1999). Vstup do vesmíru: Vytvoření vesmírné civilizace. Tarcher / Putnam. ISBN  978-1-58542-036-0.
• [1]
• [2]

externí odkazy

• Leonard David – Reaching for interstellar flight (2003) – MSNBC (MSNBC Webpage)
• NASA Breakthrough Propulsion Physics Program (NASA Webpage)
• Bibliography of Interstellar Flight (source list)
• DARPA seeks help for interstellar starship
• How to build a starship – and why we should start thinking about it now (Článek z Konverzace, 2016)