Er interstellare rejser ægte?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Artiklens forfatter fortæller i detaljer om fire lovende teknologier, der giver mennesker mulighed for at nå ethvert sted i universet i løbet af et menneskeliv. Til sammenligning: ved hjælp af moderne teknologi vil vejen til et andet stjernesystem tage omkring 100 tusind år.

Lige siden mennesket første gang så ind på nattehimlen, har vi drømt om at besøge andre verdener og se universet. Og selvom vores kemisk-brændstofraketter allerede har nået mange planeter, måner og andre kroppe i solsystemet, dækkede rumfartøjet længst væk fra Jorden, Voyager 1, kun 22,3 milliarder kilometer. Dette er kun 0,056 % af afstanden til det nærmeste kendte stjernesystem. Ved hjælp af moderne teknologi vil vejen til et andet stjernesystem tage omkring 100 tusind år.

Der er dog ingen grund til at handle, som vi altid har gjort. Effektiviteten af at sende køretøjer med en stor nyttelastmasse, selv med mennesker om bord, over hidtil usete afstande i universet kan forbedres væsentligt, hvis den rigtige teknologi bruges. Mere specifikt er der fire lovende teknologier, der kan få os til stjernerne på meget kortere tid. Her er de.

en). Nuklear teknologi. Hidtil i menneskehedens historie har alle rumfartøjer, der er sendt ud i rummet, én ting til fælles: en kemisk-drevet motor. Ja, raketbrændstof er en speciel blanding af kemikalier designet til at give maksimalt tryk. Udtrykket "kemikalier" er vigtigt her. De reaktioner, der giver energi til motoren, er baseret på omfordelingen af bindinger mellem atomer.

Dette begrænser grundlæggende vores handlinger! Det overvældende flertal af et atoms masse falder på dets kerne - 99, 95%. Når en kemisk reaktion begynder, omfordeles elektronerne, der kredser omkring atomerne, og frigiver normalt som energi omkring 0, 0001% af den samlede masse af de atomer, der deltager i reaktionen, ifølge Einsteins berømte ligning: E = mc2. Det betyder, at for hvert kilogram brændstof, der lades i raketten, under reaktionen, får du energi svarende til omkring 1 milligram.

Men hvis der anvendes atombrændstofraketter, vil situationen være drastisk anderledes. I stedet for at stole på ændringer i elektronernes konfiguration, og hvordan atomer binder sig til hinanden, kan man frigive en relativt stor mængde energi ved at påvirke, hvordan atomkernerne er forbundet med hinanden. Når du spalter et uranatom ved at bombardere det med neutroner, udsender det meget mere energi end nogen kemisk reaktion. 1 kilogram uran-235 kan frigive en mængde energi svarende til 911 milligram masse, hvilket er næsten tusind gange mere effektivt end kemisk brændstof.

Vi kunne gøre motorer endnu mere effektive, hvis vi mestrede atomfusion. For eksempel et system med inertistyret termonuklear fusion, ved hjælp af hvilket det ville være muligt at syntetisere brint til helium, sker en sådan kædereaktion på Solen. Syntesen af 1 kg brintbrændstof til helium vil omdanne 7,5 kg masse til ren energi, hvilket er næsten 10 tusind gange mere effektivt end kemisk brændstof.

Ideen er at få den samme acceleration for en raket i meget længere tid: hundredvis eller endda tusindvis af gange længere end nu, hvilket ville give dem mulighed for at udvikle hundreder eller tusindvis af gange hurtigere end konventionelle raketter nu. En sådan metode ville reducere tiden for interstellar flyvning til hundreder eller endda titusinder af år. Dette er en lovende teknologi, som vi vil være i stand til at bruge i 2100, afhængigt af tempoet og retningen for den videnskabelige udvikling.

2). En stråle af kosmiske lasere. Denne idé er kernen i Breakthrough Starshot-projektet, som vandt frem for et par år siden. Gennem årene har konceptet ikke mistet sin tiltrækningskraft. Mens en konventionel raket bærer brændstof med sig og bruger det på acceleration, er nøgleideen med denne teknologi en stråle af kraftige lasere, der vil give rumfartøjet den nødvendige impuls. Med andre ord vil kilden til acceleration være afkoblet fra selve skibet.

Dette koncept er både spændende og revolutionerende på mange måder. Laserteknologier udvikler sig med succes og bliver ikke kun mere kraftfulde, men også stærkt kollimerede. Så hvis vi skaber et sejllignende materiale, der reflekterer en høj nok procentdel af laserlys, kan vi bruge et laserskud til at få rumskibet til at udvikle kolossale hastigheder. "Stjerneskibet", der vejer ~1 gram, forventes at nå en hastighed på ~20% af lysets hastighed, hvilket vil gøre det muligt for det at flyve til den nærmeste stjerne, Proxima Centauri, på kun 22 år.

Til dette bliver vi selvfølgelig nødt til at skabe en enorm laserstråle (ca. 100 km2), og dette skal gøres i rummet, selvom dette er mere et omkostningsproblem end teknologi eller videnskab. Der er dog en række udfordringer, der skal overvindes for at kunne gennemføre et sådant projekt. Blandt dem:

• et ikke-understøttet sejl vil rotere, en form for (endnu ikke udviklet) stabiliseringsmekanisme er påkrævet;
• manglende evne til at bremse, når destinationspunktet nås, da der ikke er brændstof om bord;
• selv hvis det viser sig at skalere enheden til transport af mennesker, vil en person ikke være i stand til at overleve med en enorm acceleration - en betydelig forskel i hastighed på kort tid.

Måske en dag vil teknologier være i stand til at tage os til stjernerne, men der er stadig ingen succesfuld metode for en person at nå en hastighed svarende til ~ 20% af lysets hastighed.

3). Antistof brændstof. Hvis vi stadig vil have brændstof med os, kan vi gøre det så effektivt som muligt: det vil være baseret på udslettelse af partikler og antipartikler. I modsætning til kemisk eller nukleart brændsel, hvor kun en brøkdel af massen om bord omdannes til energi, bruger partikel-antipartikel-udslettelse 100% af massen af både partikler og antipartikler. Evnen til at omdanne alt brændstof til pulsenergi er det højeste niveau af brændstofeffektivitet.

Der opstår vanskeligheder ved anvendelsen af denne metode i praksis i tre hovedretninger. Specifikt:

• skabelse af stabil neutral antistof;
• evnen til at isolere det fra almindeligt stof og præcist kontrollere det;
• producere antistof i store nok mængder til interstellar flyvning.

Heldigvis arbejdes der allerede på de to første problemstillinger.

Hos European Organisation for Nuclear Research (CERN), hvor Large Hadron Collider er placeret, er der et kæmpe kompleks kendt som "antistoffabrikken". Der er seks uafhængige hold af videnskabsmænd ved at undersøge antistofs egenskaber. De tager antiprotoner og bremser dem, hvilket tvinger positronen til at binde sig til dem. Sådan skabes antiatomer eller neutral antistof.

De isolerer disse antiatomer i en beholder med forskellige elektriske og magnetiske felter, der holder dem på plads, væk fra væggene i en beholder lavet af stof. Nu, medio 2020, har de med succes isoleret og stabiliseret adskillige antiatomer i en time ad gangen. I løbet af de næste par år vil forskere være i stand til at kontrollere antistofs bevægelse inden for gravitationsfeltet.

Denne teknologi vil ikke være tilgængelig for os i den nærmeste fremtid, men det kan vise sig, at vores hurtigste måde at rejse mellem stjerner er en antistofraket.

4). Rumskib på mørkt stof. Denne mulighed er bestemt afhængig af antagelsen om, at enhver partikel, der er ansvarlig for mørkt stof, opfører sig som en boson og er sin egen antipartikel. I teorien har mørkt stof, som er dets egen antipartikel, en lille, men ikke nul, chance for at tilintetgøre med enhver anden partikel af mørkt stof, der kolliderer med den. Vi kan potentielt bruge den energi, der frigives som følge af sammenstødet.

Det er der mulige beviser for. Som et resultat af observationer er det blevet fastslået, at Mælkevejen og andre galakser har et uforklarligt overskud af gammastråling, der kommer fra deres centre, hvor koncentrationen af mørk energi burde være den højeste. Der er altid mulighed for, at der er en simpel astrofysisk forklaring på dette, for eksempel pulsarer. Det er dog muligt, at dette mørke stof stadig er ved at udslette med sig selv i centrum af galaksen og dermed giver os en utrolig idé - et rumskib på mørkt stof.

Fordelen ved denne metode er, at mørkt stof findes bogstaveligt talt overalt i galaksen. Det betyder, at vi ikke behøver at have brændstof med på turen. I stedet kan den mørke energireaktor blot gøre følgende:

• tag ethvert mørkt stof, der er i nærheden;
• fremskynde dens udslettelse eller tillade den at udslette naturligt;
• omdirigere den modtagne energi for at få momentum i enhver ønsket retning.

Et menneske kunne kontrollere størrelsen og kraften af reaktoren for at opnå de ønskede resultater.

Uden behovet for at medbringe brændstof om bord vil mange af problemerne med fremdriftsdrevne rumrejser forsvinde. I stedet vil vi være i stand til at opnå den elskede drøm om enhver rejse - ubegrænset konstant acceleration. Dette vil give os den mest utænkelige evne - evnen til at nå ethvert sted i universet i løbet af et menneskeliv.

Hvis vi begrænser os til eksisterende raketteknologier, vil vi bruge mindst titusinder af år på at rejse fra Jorden til det nærmeste stjernesystem. Men betydelige fremskridt inden for motorteknologi er lige ved hånden og vil reducere rejsetiden til ét menneskeliv. Hvis vi kan mestre brugen af nukleart brændsel, kosmiske laserstråler, antistof eller endda mørkt stof, vil vi opfylde vores egen drøm og blive en rumcivilisation uden brug af forstyrrende teknologier såsom warp-drev.

Der er mange potentielle måder at omdanne videnskabsbaserede ideer til gennemførlige, virkelige næste generations motorteknologier. Det er meget muligt, at rumskibet, som endnu ikke er opfundet, i slutningen af århundredet vil tage pladsen for New Horizons, Pioneer og Voyager som de fjerneste menneskeskabte objekter fra Jorden. Videnskaben er allerede klar. Det er tilbage for os at se ud over vores nuværende teknologi og gøre denne drøm til virkelighed.