Under det senaste decenniet har tusentals planeter upptäckts bortom vårt solsystem. Detta har haft effekten av att förnya intresset för rymdutforskning, vilket inkluderar möjligheten att skicka rymdskepp för att utforska exoplaneter. Med tanke på de utmaningar som är inblandade utforskas för närvarande ett antal avancerade koncept, som det tidshöjda konceptet för ett lätt segel (som exemplifieras av Genombrott Starshot och liknande förslag).
Under senare år har forskare emellertid föreslagit ett potentiellt mer effektivt koncept som kallas det elektriska seglet, där ett segel som består av trådnät genererar elektriska laddningar för att avleda solvindpartiklar och därmed generera fart. I en ny studie jämförde och kontrasterade två forskare från Harvard dessa metoder för att avgöra vilka som skulle vara mer fördelaktiga för olika typer av uppdrag.
Studien, som nyligen dök upp online och granskas för publicering av Acta Astronautica, leddes av Manasavi Lingam och Abraham Loeb - biträdande professor vid Florida Institute of Technology (FIT) och Frank B. Baird Jr. professor i vetenskap vid Harvard University och chef för Institute for Theory and Computation (ITC), respektive.
Konceptet med ett lätt segel är en tidshöjd, där ett rymdskepp utrustat med ett stort ark reflekterande material använder strålningstrycket från en stjärna (aka solvind) för att accelerera över tiden. En viktig fördel med denna teknik är att den inte kräver ett rymdskepp för att transportera sin egen bränsletillförsel, vilket vanligtvis står för huvuddelen av ett rymdskeppsmassa.
Detta är särskilt viktigt när det gäller interstellär rörelse eftersom mängden reaktionsmassa som behövs för att nå till och med en bråkdel av ljusets hastighet (c) skulle vara enorm. Och till skillnad från begrepp som antimateriell framdrivning eller begrepp som förlitar sig på fysik som fortfarande är otestade (eller till och med hypotetiska), använder sol- / ljus segel teknik och fysik som är helt bevisade vid denna punkt.
En annan fördel är det faktum att ett lätt segel kan accelereras med andra medel än solstrålning. Som Lingam förklarade till Space Magazine via e-post:
”Ljus segel kan" skjutas "med antingen laseruppsättningar eller sol- / stjärnstrålning. I båda fallen är den största fördelen med lätt segel att man inte behöver bära bränslet ombord till skillnad från kemiska raketer. Detta minskar kraftigt rymdskeppets massa eftersom majoriteten av massan i kemiska raketer beror på bränslet. Samma fördel gäller även för elektriska segel. ”
Under senare år har emellertid variationer av detta koncept utvecklats, som det magnetiska seglet (alias "magsails") som föreslagits av Robert Zubrin och Dana Andrews 1988 och det elektriska seglet som föreslogs av Pekka Janhunen 2006. I fallet med den förstnämnda, en superledande slinga skulle generera ett elektriskt fält medan det senare skulle driva ett magnetfält via ett segel av små ledningar - som båda skulle avvisa solvinden.
Dessa koncept har några märkbara skillnader från konventionella sol- eller ljus segel. Som Lingam förklarade:
”Elektriska segel förlitar sig på överföring av momentum från de laddade sol- / stjärnvindvindpartiklarna (protoner i vårt exempel) genom att avleda dem via elektriska fält, medan ljus segel förlitar sig på överföring av fart från fotoner som utsänds av stjärnan. Således driver stjärnans vind elektriska segel, medan elektromagnetisk strålning som avges av stjärnan driver ljus segel. "
Intressant nog har magnetiska segel betraktats av vissa forskare som ett möjligt sätt att bromsa ett lätt segel när det närmar sig sin destination. En sådan person är prof. Claudius Gros från Institutet för teoretisk fysik Goethe University Frankfurt, och Andreas Hein och Kelvin F. Long - de huvudsakliga utredarna av Project Dragonfly (ett koncept som liknar Genombrott Starshot).
Alla tre koncept kan omvandla den strålning som utsänds av stjärnor till fart, men har också en del av nackdelarna. För det första är elektriska segel mycket beroende av värdstjärnornas egenskaper. Lätt segel å andra sidan görs till stor del ineffektiva när det gäller stjärnor av M-typen (röd dvärg) eftersom strålningstrycket inte är tillräckligt högt för att generera tillräcklig hastighet för att undkomma ett stjärnsystem.
Detta är en ganska begränsande fråga eftersom hur lågmassa, ultraljudiga dvärgar av M-typ står för de allra flesta stjärnor i universum - står för 75% av stjärnorna i Vintergatan. Röda dvärgar är också oerhört långlivade jämfört med andra klasser av stjärnor och kan förbli i sin huvudsekvens i upp till 10 biljoner år. Därför skulle ett framdrivningssystem som kan använda röda dvärgsystem vara att föredra framför längre tidsskalor.
På grund av dessa överväganden försökte Lingam och Loeb bestämma vilken metod för interstellär resa som skulle vara att föredra (lätta segel eller elektroniska segel) i förhållande till olika stjärnor av stjärnor - F-typ (vit), G-typ (gul), K- typ (orange) och M-typ stjärnor. Efter att ha tagit hänsyn till strålningsegenskaperna för varje klass, fakturerades de i rymdskeppets troliga massa - baserat på parametrarna fastställda av Genombrott Starshot.
Vad de fann var att ett rymdskepp parat med ett elektriskt segel representerar ett bättre framdrivningsmedel i närheten av de flesta typer av stjärnor, och inte bara för rymdfarkoster som i gram skala (vilket är vad som krävs med Starshot). Lingam och Loebs beräkningar fann emellertid också att det skulle ta betydligt längre tid för ett elektriskt segelfartyg att nå de typer av hastigheter som skulle göra interstellär resor praktiskt.
”Om man istället tänker på ljusseglar som drivs med laseruppsättningar (som Breakthrough Starshot), är det då möjligt att direkt uppnå relativistiska hastigheter (t.ex. 10% ljusets hastighet) via ljus segel; däremot uppnår elektriska segel som drivs av stjärnvindar hastigheter på bara 0,1% ljusets hastighet, säger Lingam.
Medan ett elektriskt segel kunde uppnå 0,1 c så småningom genom att upprepade gånger uppnå närhet till stjärnor uppskattade de att detta skulle ta 10 000 möten under en miljon år. Som Lingam uttryckte det:
”[E] elektriska segel representerar ett hållbart sätt att utföra interstellär resor. Emellertid måste alla tekniska arter som vill använda denna metod vara långlivade eftersom hela denna process för att uppnå relativistiska hastigheter skulle kräva ungefär 1 miljon år. Om det finns sådana långlivade arter, representerar elektriska segel ett ganska bekvämt och energieffektivt sätt att utforska Vintergatan över långa tidsskalor (miljoner år).
Medan 1 miljon år är lite mer än ett ögonblick i kosmiska termer, är det oerhört lång med tanke på civilisationernas livslängd - åtminstone av vår standarder. Som en art har mänskligheten existerat i cirka 200 000 år och har bara registrerat sin historia i cirka 6000. Mer nog, vi har bara varit en rymdväxlande civilisation under de senaste 60 åren.
Ergo, ett segel som kan accelereras med lasrar förblir det mest praktiska sättet att utforska exoplaneter under våra liv. En annan implikation för denna studie är hur den kan informera sökningen efter utomjordisk intelligens (SETI). När forskare söker i universum efter tecken på teknisk aktivitet (aka. Technosignaturer), tvingas forskare att leta efter tecken som de kommer att känna igen.
Med tanke på fördelarna med ett elektriskt segel är det möjligt än en utomjordisk civilisation kan gynna denna teknik framför liknande. Som professor Loeb förklarade till Space Magazine via e-post:
”Våra beräkningar innebär att avancerade civilisationer sannolikt kommer att gynna användningen av elektriska segel över ljus segel för framdrivning som är baserad på den naturliga effekten från stjärnor i form av vind eller strålning. Men om en teknologisk civilisation vill uppnå hastigheter eller lansera stora lastar som inte kan drivas av kraften som produceras av deras värdstjärna, är det troligt att gynna ljus segel som skjuts av deras konstgjorda producerade ljusstråle, som en kraftfull laser. Situationen liknar skillnaden mellan segelbåtar som använder vinden som tillhandahålls gratis av moder natur, jämfört med större eller snabbare båtar som drivs med konstgjorda medel som en motor. ”
Tyvärr, som Loeb har lagt till, är elektriska segel inte lätt att upptäcka på stora avstånd eftersom de består av elektrifierade trådnät och avger inga uppenbara teknosignaturer. ”Därför” avslutar han, ”SETI bör främst fokusera på sökandet efter ljus segel, som är synliga på grund av läckage av deras ljusstrålar utanför gränserna för seglet nära deras lanseringsplatser eller eftersom de reflekterar solljus när de passerar nära Sol, precis som asteroider eller kometer av liknande storlek. ”
Lingam och Loeb betonar dock också att elektriska segel kan vara ett attraktivt alternativ för en utomjordisk civilisation av exakt samma skäl. Förutom att de är energieffektiva, är elektriska segel inte utsatta för övergång och kan därför resa från ett stjärnsystem till ett annat utan att bli märkt. En möjlig upplösning på Fermi-paradoxen? Kanske!
I vilket fall som helst tyder denna studie på att våra nuvarande planer för att utforska angränsande stjärnsystem bör fokusera på begrepp som betonar hastighet över livslängd. Detta betyder att distribuering av elektriska eller magnetiska segel (som kan fortsätta utforska universumet för eoner) är en dålig idé, men ett uppdrag som kan komma i ett annat stjärnsystem i våra liv verkar vara det föredragna alternativet för tillfället.
