Vi har alla ställt denna fråga någon gång i våra liv: Hur lång tid skulle det ta att resa till stjärnorna? Kan det vara inom en persons egen livstid och kan den här typen av resor bli normen en dag? Det finns många möjliga svar på denna fråga - några mycket enkla, andra inom science fiction-områden. Men att komma med ett heltäckande svar betyder att ta hänsyn till en hel del saker.
Tyvärr kommer sannolikt någon realistisk bedömning att ge svar som helt skulle motverka futurister och entusiaster från interstellar resor. Gilla det eller inte, utrymmet är mycket stort, och vår teknik är fortfarande mycket begränsad. Men skulle vi någonsin överväga att "lämna boet" kommer vi att ha en rad alternativ för att komma till närmaste solsystem i vår galax.
Den närmaste stjärnan på jorden är vår sol, som är en ganska "genomsnittlig" stjärna i Hertzsprung - Russell Diagram "Main Sequence." Detta innebär att den är mycket stabil och ger jorden precis den rätta typen av solljus för livet att utvecklas på vår planet. Vi vet att det finns planeter som kretsar runt andra stjärnor nära vårt solsystem, och många av dessa stjärnor liknar våra egna.
I framtiden, om mänskligheten skulle vilja lämna solsystemet, har vi ett stort val av stjärnor vi kan resa till, och många kan ha rätt förutsättningar för att livet ska frodas. Men vart skulle vi åka och hur lång tid tar det för oss att komma dit? Kom bara ihåg att det här är allt spekulativt och det finns för närvarande inget riktmärke för interstellare resor. Med det sagt, här går vi!
Närmaste stjärna:
Som redan nämnts är den närmaste stjärnan till vårt solsystem Proxima Centauri, varför det är mest meningsfullt att planera ett interstellärt uppdrag till detta system först. Som en del av ett trippelstjärnsystem som kallas Alpha Centauri, är Proxima cirka 4,24 ljusår (eller 1,3 parsec) från jorden. Alpha Centauri är faktiskt den ljusaste stjärnan av de tre i systemet - del av en nära kretsande binära 4,37 ljusår från jorden - medan Proxima Centauri (den mörkaste av de tre) är en isolerad röd dvärg ungefär 0,13 ljusår från den binära .
Och medan interstellar resor framkallar alla slags visioner om snabbare resor (FTL), allt från varphastighet och maskhål till hoppdrivning, är sådana teorier antingen mycket spekulativa (som Alcubierre Drive) eller helt vetenskapsprovinsen fiktion. Med all sannolikhet kommer varje djup rymduppdrag troligen ta generationer att komma dit, snarare än några dagar eller i en omedelbar blixt.
Så med början med en av de långsammaste formerna av rymdresor, hur lång tid tar det att komma till Proxima Centauri?
Nuvarande metoder:
Frågan om hur lång tid det skulle ta att komma någonstans i rymden är något lättare när man hanterar befintlig teknik och kroppar inom vårt solsystem. Exempelvis skulle det bara ta 8 timmar och 35 minuter att använda tekniken som drivde New Horizons-uppdraget - som bestod av 16 thrusterar drivna med hydrazinmonopropellant.
Å andra sidan finns det Europeiska rymdorganisationens (ESA) SMART-1-uppdrag, som tog sin tid att resa till månen med metoden för jonisk framdrivning. Med denna revolutionerande teknik, vars variation sedan har använts av rymdskeppet Dawn för att nå Vesta, tog SMART-1-uppdraget ett år, en månad och två veckor för att nå månen.
Så från det snabba raketdrivna rymdfarkosten till den ekonomiska jon-drivenheten har vi några alternativ för att komma runt det lokala rymden - plus att vi kan använda Jupiter eller Saturn för en rejäl tyngdpunktsskott. Men om vi skulle fundera över uppdrag någonstans lite mer ur vägen, skulle vi behöva bygga upp vår teknik och titta på vad som verkligen är möjligt.
När vi säger möjliga metoder, talar vi om de som involverar befintlig teknik, eller de som ännu inte finns men som är tekniskt genomförbara. Vissa är, som ni kommer att se, tidshöjda och beprövade, medan andra dyker upp eller fortfarande är i styrelsen. Men i nästan alla fall presenterar de ett möjligt (men extremt tidskrävande eller dyrt) scenario för att nå till och med de närmaste stjärnorna ...
Ionisk framdrivning:
För närvarande är den långsammaste formen av framdrivning, och den mest bränsleeffektiva, jonmotorn. För några decennier sedan ansågs jon framdrivning vara ämnet för science fiction. De senaste åren har dock tekniken för att stödja jonmotorer flyttats från teori till praktik på ett stort sätt. ESA: s SMART-1-uppdrag slutförde till exempel framgångsrikt sitt uppdrag till månen efter att ha tagit en 13-månaders spiralväg från jorden.
SMART-1 använde solkraftsdrivna jonstrusterar, där elektrisk energi skördades från sina solpaneler och användes för att driva sina Hall-effekt-thrusterar. Endast 82 kg xenon drivmedel användes för att driva SMART-1 till månen. 1 kg xenon-drivmedel gav en delta-v av 45 m / s. Detta är en mycket effektiv form av framdrivning, men den är inte alls snabb.
Ett av de första uppdragen att använda jon-drivteknologi var Deep Space 1 uppdrag till Comet Borrelly som ägde rum 1998. DS1 använde också en xenon-driven jon-enhet som förbrukade 81,5 kg drivmedel. Över 20 månaders drivning lyckades DS1 nå en hastighet på 56 000 km / h (35 000 miles / timme) under kometen.
Jonstrusterar är därför mer ekonomiska än raketeknologi, eftersom drivkraften per drivmassa (t.ex. en specifik impuls) är mycket högre. Men det tar lång tid för jontryckare att påskynda rymdfarkoster till alla stora hastigheter, och den maximala hastigheten den kan uppnå beror på dess bränsletillförsel och hur mycket elektrisk energi den kan generera.
Så om jonisk framdrivning skulle användas för ett uppdrag till Proxima Centauri, skulle thrusterarna behöva en enorm energiproduktionskälla (dvs. kärnkraft) och en stor mängd drivmedel (även om det är mindre än konventionella raketer). Men baserat på antagandet att ett tillförsel av 81,5 kg xenon drivmedel översätter till en maximal hastighet på 56 000 km / h (och att det inte finns några andra former av framdrivning tillgängliga, till exempel en gravitationell slangborr för att påskynda den ytterligare), kan vissa beräkningar bli gjord.
Kort sagt, med en maximal hastighet på 56 000 km / h, Deep Space 1 skulle ta över 81 000 år att korsa de 4,24 ljusåren mellan jorden och Proxima Centauri. För att sätta den tidsskalan i perspektiv skulle det vara över 2 700 mänskliga generationer. Så det är säkert att säga att ett interplanetärt jonmotoruppdrag skulle vara alltför långsamt för att övervägas för ett bemannat interstellärt uppdrag.
Skulle jontryckare göras större och kraftigare (dvs att jonavgashastigheten skulle behöva vara betydligt högre), och tillräckligt med drivmedel skulle kunna dras för att hålla rymdskeppet igång under hela 4.243 ljusårsturen, kan restiden vara mycket nedsatt. Fortfarande räcker dock inte till någons livstid.
Gravity Assist Method:
Det snabbaste befintliga sättet för rymdfärd är känt som Gravity Assist-metoden, som involverar ett rymdskepp som använder den relativa rörelsen (dvs bana) och tyngdkraften hos en planet för att ändra är väg och hastighet. Gravitationsassists är en mycket användbar rymdflygningsteknik, särskilt när du använder jorden eller en annan massiv planet (som en gasjätt) för att öka hastigheten.
De Mariner 10 rymdskepp var den första som använde denna metod och använde Venus gravitationskraft för att slingra det mot Merkurius i februari 1974. På 1980-talet Voyager 1 sonden använde Saturn och Jupiter för gravitationella slingshots för att uppnå sin nuvarande hastighet på 60 000 km / h (38 000 miles / h) och göra det till ett interstellärt utrymme.
Men det var Helios 2 uppdraget - som lanserades 1976 för att studera det interplanetära mediet från 0,3 AU till 1 AU till Sun - som har rekordet för den högsta hastigheten som uppnåtts med en tyngdkraftsassistent. Just då, Helios 1 (som lanserades 1974) och Helios 2 höll rekordet för den närmaste inställningen till Solen. Helios 2 lanserades av ett konventionellt NASA Titan / Centaur lanseringsfordon och placerades i en mycket elliptisk bana.
På grund av den stora excentriciteten (0,54) i sondens bana (190 dagar), vid perihelion, Helios 2 kunde nå en maximal hastighet på över 240 000 km / h (150 000 miles / h). Denna omloppshastighet uppnåddes endast genom solens tyngdkraft. Tekniskt sett Helios 2 perihelionshastighet var inte en gravitationell slangbotten, det var en maximal orbitalhastighet, men den har fortfarande rekordet för att vara det snabbaste konstgjorda objektet oavsett.
Så om Voyager 1 färdades i riktning mot den röda dvärgen Proxima Centauri med en konstant hastighet av 60 000 km / h, det skulle ta 76 000 år (eller över 2500 generationer) att resa det avståndet. Men om det kunde uppnå rekordhastigheten på Helios 2Solens nära tillvägagångssätt - en konstant hastighet på 240 000 km / h - det skulle ta 19 000 år (eller över 600 generationer) för att resa 4.243 ljusår. Betydligt bättre, men ändå inte i praktiken.
Elektromagnetisk (EM) enhet:
En annan föreslagen metod för interstellär resa kommer i form av Radio Frequency (RF) Resonant Cavity Thruster, även känd som EM Drive. Ursprungligen föreslog 2001 av Roger K. Shawyer, en brittisk forskare som startade Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) för att få den till verkan. Denna enhet är byggd kring idén att elektromagnetiska mikrovågshålrum kan möjliggöra direkt omvandling av elektrisk energi till drivkraft .
Medan konventionella elektromagnetiska thrusterar är utformade för att driva en viss typ av massa (såsom joniserade partiklar), förlitar detta speciella drivsystem sig på ingen reaktionsmassa och avger ingen riktningsstrålning. Ett sådant förslag har mött en stor skepsis, främst på grund av att det bryter mot lagen om bevarande av momentum - som säger att inom ett system är mängden fart fortfarande konstant och varken skapas eller förstörs, utan endast förändras genom handlingen av krafter.
Emellertid har de senaste experimenten med designen tydligen gett positiva resultat. I juli 2014, vid den 50: e gemensamma framdrivningskonferensen AIAA / ASME / SAE / ASEE i Cleveland, Ohio, hävdade forskare från NASA: s avancerade framdrivningsforskning att de framgångsrikt hade testat en ny design för en elektromagnetisk framdrivning.
Detta följdes upp i april 2015 när forskare vid NASA Eagleworks (del av Johnson Space Center) hävdade att de framgångsrikt hade testat enheten i ett vakuum, en indikation på att den faktiskt kan fungera i rymden. I juli samma år byggde ett forskarteam från Dresden University of Technology: s rymdsystemavdelning sin egen version av motorn och observerade ett detekterbart drivkraft.
Och 2010 började professor Juan Yang från Northwestern Polytechnical University i Xi’an, Kina, publicera en serie artiklar om sin forskning om EM Drive-teknik. Detta kulminerade i hennes papper från 2012 där hon rapporterade högre ingångseffekt (2,5 kW) och testade drivkraften (720 mN). Under 2014 rapporterade hon vidare omfattande test med interna temperaturmätningar med inbäddade termoelement, vilket tycktes bekräfta att systemet fungerade.
Enligt beräkningar baserade på NASA-prototypen (som gav en uppskattning av kraften på 0,4 N / kilowatt), kan ett rymdskepp utrustat med EM-driven göra resan till Pluto på mindre än 18 månader. Det var en sjätte gången det tog för New Horizons-sonden att komma dit, som färdades med hastigheter på nära 58 000 km / h (36 000 km / h).
Låter imponerande. Men även i den takt skulle det ta ett fartyg utrustat med EM-motorer 13 000 år för att fartyget ska komma till Proxima Centauri. Att komma närmare, men inte tillräckligt snabbt! och till dess att tekniken definitivt kan bevisas fungera, är det inte mycket meningsfullt att lägga våra ägg i den här korgen.
Kärnvärme / nukleär elektrisk framdrivning (NTP / NEP):
En annan möjlighet för interstellär rymdflukt är att använda rymdskepp utrustade med kärnmotorer, ett koncept som NASA har undersökt i årtionden. I en kärnkraft raket (NTP) raket används uran- eller deuteriumreaktioner för att värma flytande väte inuti en reaktor och förvandla den till joniserad vätgas (plasma), som sedan kanaliseras genom ett raketmunstycke för att generera drivkraft.
En raket med kärnkraft framdrivning (NEP) involverar samma grundreaktor som omvandlar sin värme och energi till elektrisk energi, som sedan skulle driva en elektrisk motor. I båda fallen skulle raketen förlita sig på kärnklyvning eller fusion för att generera framdrivning snarare än kemiska drivmedel, vilket hittills varit grundpelaren i NASA och alla andra rymdorganisationer.
Jämfört med kemisk framdrivning erbjuder både NTP och NEC ett antal fördelar. Den första och mest uppenbara är den praktiskt taget obegränsade energitätheten den erbjuder jämfört med raketbränsle. Dessutom kan en kärnkraftsdriven motor också ge överlägsen kraft i förhållande till mängden drivmedel. Detta skulle minska den totala mängden drivmedel som behövs och därmed minska lanseringsvikten och kostnaden för enskilda uppdrag.
Även om inga nukleär termiska motorer någonsin har flygt har flera konstruktionskoncept byggts och testats under de senaste decennierna och många koncept har föreslagits. Dessa har sträckt sig från den traditionella solid-core designen - såsom Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - till mer avancerade och effektiva koncept som förlitar sig antingen på en vätska eller en gaskärna.
Trots dessa fördelar med bränsleeffektivitet och specifik impuls har det mest sofistikerade NTP-konceptet en maximal specifik impuls på 5000 sekunder (50 kN · s / kg). Med hjälp av kärnmotorer som drivs av klyvning eller fusion beräknar NASA-forskare att det skulle ta ett rymdskepp bara 90 dagar för att komma till Mars när planeten var i "opposition" - dvs så nära 55 000 000 km från jorden.
Men justerat för en envägsresa till Proxima Centauri, skulle en kärnvapen fortfarande ta århundraden att accelerera till den punkt där den flygde en bråkdel av ljusets hastighet. Den skulle då kräva flera decennier av resetid, följt av många fler hundra år av retardation innan den når sin destination. Vi har fortfarande pratat om allt 1000 år innan den når sin destination. Bra för interplanetära uppdrag, inte så bra för interstellära uppdrag.
Teoretiska metoder:
Med hjälp av befintlig teknik skulle tiden det skulle ta att skicka forskare och astronauter på ett interstellärt uppdrag vara oöverkomligt långsam. Om vi vill göra den resan inom en enda livstid, eller till och med en generation, behövs något lite mer radikalt (aka. Mycket teoretiskt). Och även om maskhål och hoppmotorer fortfarande kan vara ren fiktion på denna punkt, finns det några ganska avancerade idéer som har beaktats under åren.
Kärnpulsframdrivning:
Kärnpulsframdrivning är en teoretiskt möjlig form av snabb rymdresa. Konceptet föresloges ursprungligen 1946 av Stanislaw Ulam, en polsk-amerikansk matematiker som deltog i Manhattan-projektet, och de preliminära beräkningarna gjordes sedan av F. Reines och Ulam 1947. Det faktiska projektet - känt som Project Orion - inleddes i 1958 och varade till 1963.
Under ledning av Ted Taylor på General Atomics och fysiker Freeman Dyson från Institute for Advanced Study i Princeton hoppades Orion utnyttja kraften i pulserade kärnkraftsexplosioner för att ge ett stort drivkraft med mycket hög specifik impuls (dvs. mängden drivkraft jämfört med vikt eller mängden sekunder som raketen kontinuerligt kan skjuta).
I ett nötskal involverar Orion-designen ett stort rymdskepp med en hög mängd termonukleära stridsspetsar som uppnår framdrivning genom att släppa en bombe bakom den och sedan köra detonationsvågen med hjälp av en bakmonterad dyna som kallas en "pusher". Efter varje sprängning skulle den explosiva kraften absorberas av denna skjutdyna, som sedan översätter drivkraften till fart.
Även om det knappast är elegant med moderna standarder, är fördelen med designen att den uppnår en hög specifik impuls - vilket betyder att den extraherar den maximala mängden energi från dess bränslekälla (i detta fall kärnbomber) till en lägsta kostnad. Dessutom skulle konceptet teoretiskt kunna uppnå mycket höga hastigheter, med vissa uppskattningar som antyder att en bollparkeringssiffra så hög som 5% ljusets hastighet (eller 5,4 × 107 km / h).
Men naturligtvis finns de oundvikliga nackdelarna med designen. För ett skulle ett fartyg av denna storlek vara oerhört dyrt att bygga. Enligt uppskattningar som producerats av Dyson 1968 skulle ett Orion-rymdskepp som använde vätebomber för att generera framdrivning väga 400 000 till 4 000 000 ton. Och åtminstone tre fjärdedelar av den vikten består av kärnbomber, där varje stridsspets väger cirka 1 ton.
Sammantaget placerade Dysons mest konservativa uppskattningar den totala kostnaden för att bygga ett Orion-hantverk till 367 miljarder dollar. Justerat för inflation fungerar det till cirka 2,5 biljoner dollar - vilket står för över två tredjedelar av den amerikanska regeringens nuvarande årliga intäkter. Följaktligen skulle hantverket vara extremt dyrt att tillverka även på det lättaste.
Det finns också det lilla problemet med all strålning som den genererar, för att inte tala om kärnavfall. I själva verket är det av denna anledning som projektet tros ha avslutats på grund av passeringen av det partiella testförbudsfördraget från 1963 som försökte begränsa kärnkraftsförsök och stoppa överdrivet frigörande av kärnkraftsnedfall i planetens atmosfär.
Fusion Rockets:
En annan möjlighet inom ramen för utnyttjad kärnkraft innefattar raketer som förlitar sig på termonukleära reaktioner för att generera drivkraft. För detta koncept skapas energi när pellets av en deuterium / helium-3-blandning antänds i en reaktionskammare genom tröghållning med elektronstrålar (liknande vad som görs vid National Ignition Facility i Kalifornien). Denna fusionsreaktor skulle detonera 250 pellets per sekund för att skapa plasma med hög energi, som sedan skulle styras av ett magnetiskt munstycke för att skapa drivkraft.
Liksom en raket som förlitar sig på en kärnreaktor, erbjuder detta koncept fördelar när det gäller bränsleeffektivitet och specifik impuls. Avgashastigheter upp till 10 600 km / s uppskattas, vilket är långt bortom konventionella rakets hastighet. Dessutom har tekniken studerats omfattande under de senaste decennierna och många förslag har lagts fram.
Mellan 1973 och 1978 genomförde till exempel British Interplanetary Society en genomförbarhetsstudie känd som Project Daedalus. Förlita sig på aktuell kunskap om fusionsteknologi och befintliga metoder, och studien krävde skapandet av en tvåstegs obemannad vetenskaplig sond som gör en resa till Barnards Star (5,9 ljusår från jorden) under en enda livstid.
Det första steget, det större av de två, skulle fungera under 2,05 år och påskynda rymdskeppet till 7,1% ljusets hastighet (o.071 c). Detta steg skulle sedan brytas, vid vilken tidpunkt skulle det andra steget tända sin motor och accelerera rymdskeppet upp till cirka 12% av ljushastigheten (0,12 c) under 1,8 år. Den andra etappen skulle sedan stängas av och fartyget skulle gå in i en 46-årig kryssningsperiod.
Enligt projektets uppskattningar skulle uppdraget ta 50 år att nå Barnards Star. Justerat för Proxima Centauri kan samma farkost göra resan in 36 år. Men naturligtvis identifierade projektet också många snubblor som gjorde det omöjligt att använda den nuvarande tekniken - de flesta är fortfarande olösta.
Till exempel finns det faktum att helium-3 är knapp på jorden, vilket innebär att det måste brytas någon annanstans (troligen på månen). För det andra kräver reaktionen som driver rymdskeppet att den frigjorda energin överstiger den energi som används för att utlösa reaktionen. Och medan experiment här på jorden har överträffat "break-even-målet", är vi fortfarande långt borta från de typer av energi som krävs för att driva ett interstellärt rymdskepp.
För det tredje finns det kostnadsfaktorn för att konstruera ett sådant fartyg. Även med den blygsamma standarden för Project Daedalus obemannade hantverk, skulle ett helt eldat farkost väga så mycket som 60 000 Mt. För att sätta det i perspektiv är bruttovikten för NASA: s SLS drygt 30 Mt, och en enda lansering kommer med en prislapp på 5 miljarder dollar (baserat på uppskattningar gjorda 2013).
Kort sagt skulle en fusionsraket inte bara vara oöverkomligt dyr att bygga; det kräver också en nivå av fusionsreaktorteknologi som för närvarande ligger utanför våra medel. Icarus Interstellar, en internationell organisation av frivilliga medborgare forskare (av vilka några arbetade för NASA eller ESA) har sedan dess försökt att vitalisera konceptet med Project Icarus. Grundades 2009 hoppas gruppen göra fusionsframdrivning (bland annat) möjlig inom en nära framtid.
Fusion Ramjet:
Också känd som Bussard Ramjet, föreslogs denna teoretiska form av framdrivning först av fysikern Robert W. Bussard 1960. I grund och botten är det en förbättring jämfört med den normala kärnfusionsraketten, som använder magnetfält för att komprimera vätebränsle till den punkten att fusionen inträffar. Men i Ramjets fall "skopar" en enorm elektromagnetisk tratt väte från det interstellära mediet och dumpar det i reaktorn som bränsle.
När fartyget tar upp hastigheten tvingas den reaktiva massan in i ett progressivt sammandraget magnetfält och pressar det tills termonukleär fusion inträffar. Magnetfältet leder sedan energin som raketavgas genom ett motordysa, varigenom fartyget accelereras. Utan några bränsletankar för att väga ner den skulle en fusion-ramjet kunna uppnå hastigheter som närmar sig 4% av ljusets hastighet och reser var som helst i galaxen.
Men de potentiella nackdelarna med denna design är många. Till exempel finns det problemet med dra. Fartyget förlitar sig på ökad hastighet för att samla bränsle, men när det kolliderar med mer och mer interstellärt väte kan det också förlora hastigheten - särskilt i tätare regioner av galaxen. För det andra är deuterium och tritium (som används i fusionsreaktorer här på jorden) sällsynta i rymden, medan smältning av vanligt väte (som är rikligt i rymden) är bortom våra nuvarande metoder.
Detta koncept har populariserats mycket inom science fiction. Kanske är det mest kända exemplet på detta i franchisen till Star Trek, där "Bussard-samlare" är de glödande nacellerna på varpmotorer. Men i verkligheten måste vår kunskap om fusionsreaktioner utvecklas avsevärt innan en ramjet är möjlig. Vi skulle också behöva räkna med det irriterande problem innan vi började överväga att bygga ett sådant fartyg!
Lasersegel:
Solseglar har länge betraktats som ett kostnadseffektivt sätt att utforska solsystemet. Förutom att det är relativt enkelt och billigt att tillverka, finns det en extra bonus på solseglar som inte behöver bränsle. I stället för att använda raketer som kräver drivmedel använder seglet strålningstrycket från stjärnor för att driva stora ultratunna speglar till höga hastigheter.
För den interstellära flygningen måste emellertid ett sådant segel drivas av fokuserade energistrålar (dvs. lasrar eller mikrovågor) för att pressa det till en hastighet som närmar sig ljusets hastighet. Konceptet föresloges ursprungligen av Robert Forward 1984, som var fysiker vid Hughes Aircraft forskningslaboratorier vid den tiden.
Konceptet behåller fördelarna med ett solsegel, genom att det inte kräver något bränsle ombord, men också av det faktum att laserenergi inte sprids med avstånd nästan lika mycket som solstrålning. Så medan ett laserdrivet segel skulle ta lite tid att accelerera till nästan lysande hastigheter, skulle det endast begränsas till ljusets hastighet.
Enligt en 2000-studie producerad av Robert Frisbee, chef för avancerade framdrivningskonceptstudier vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory, skulle ett lasersegla kunna accelereras till halva ljusets hastighet på mindre än ett decennium. Han beräknade också att ett segel som mäter cirka 320 km i diameter kunde nå Proxima Centauri på drygt 12 år. Under tiden skulle ett segel med en diameter på cirka 965 km (600 miles) anlända på strax under 9 år.
Ett sådant segel måste dock byggas av avancerade kompositer för att undvika smältning. Kombinerat med dess storlek skulle detta lägga till ett ganska öre! Ännu värre är de stora kostnaderna för att bygga en laser stor och kraftfull nog för att köra ett segel till halva ljusets hastighet. Enligt Frisbees egen studie skulle lasrarna kräva ett jämnt flöde av 17 000 terawatts kraft - nära vad hela världen förbrukar på en enda dag.
Antimattermotor:
Fans av science fiction har säkert hört talas om antimateria. Men om du inte gör det, är antimateria i huvudsak material sammansatt av antipartiklar, som har samma massa men motsatt laddning som vanliga partiklar. En antimattermotor är under tiden en form av framdrivning som använder interaktioner mellan materia och antimateria för att generera kraft eller för att skapa drivkraft.
Kort sagt innebär en antimattermotor att partiklar av väte och anti-väte smälls samman. Denna reaktion släpper lika mycket som energi som en termonukleär bomb, tillsammans med en dusch av subatomära partiklar som kallas pioner och muoner. Dessa partiklar, som skulle resa med en tredjedel av ljusets hastighet, kanaliseras sedan med ett magnetiskt munstycke för att generera drivkraft.
Fördelen med denna klass av raket är att en stor del av restmassan för en materia / antimateriblandning kan omvandlas till energi, vilket gör att antimateria raketer har en mycket högre energitäthet och specifik impuls än någon annan föreslagen raketklass. Dessutom kan kontroll av denna typ av reaktion tänkbart pressa en raket upp till halva ljusets hastighet.
Pund för pund, skulle denna klass av fartyg vara den snabbaste och mest bränsleeffektiva någonsin tänkt. Medan konventionella raketer kräver massor av kemiskt bränsle för att driva ett rymdskepp till sin destination, kan en antimattermotor göra samma jobb med bara några milligram bränsle. I själva verket skulle den ömsesidiga förintelsen av ett halvpund väte och anti-vätepartiklar släppa loss mer energi än en 10-megatons vätebomb.
Det är av denna exakta anledning det NASA: s Institute for Advanced Concepts (NIAC) har undersökt tekniken som ett möjligt medel för framtida Mars-uppdrag. Tyvärr, när man överväger uppdrag till stjärnanläggningar i närheten, multipliceras mängden bränsle som behövs för att göra resan exponentiellt, och kostnaden för att producera den skulle vara astronomisk (ingen ord!).
Enligt en rapport utarbetad för den 39: e AIAA / ASME / SAE / ASEE gemensamma framdriftskonferensen och utställningen (även av Robert Frisbee), skulle en tvåstegs antimateriell raket behöva över 815 000 ton (900 000 amerikanska ton) bränsle för att göra resan till Proxima Centauri på cirka 40 år. Det är inte dåligt, när det gäller tidslinjer. Men igen, kostnaden ...
Medan ett enda gram antimateria skulle producera en otrolig mängd energi, beräknas det att producera bara ett gram kräver cirka 25 miljoner miljarder kilowattimmar energi och kostar över en biljon dollar. För närvarande är den totala mängden antimateria som har skapats av människor mindre än 20 nanogram.
Och även om vi skulle kunna producera antimateria för billigt, skulle du behöva ett massivt fartyg för att hålla den mängd bränsle som behövs. Enligt en rapport från Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby från Embry-Riddle Aeronautical University i Arizona kan ett interstellärt farkost utrustat med en antimateriell motor nå 0,5 ljusets hastighet och nå Proxima Centauri på lite över 8 år. Emellertid skulle fartyget själv väga 400 ton (441 amerikanska ton) och skulle behöva 170 ton (187 amerikanska ton) antimateriellt bränsle för att göra resan.
En möjlig väg runt detta är att skapa ett fartyg som kan skapa antimateria som det sedan kan lagra som bränsle. Detta koncept, känt som Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), föreslogs av Richard Obousy från Icarus Interstellar. Baserat på idén om tankning på plats skulle ett VARIES-fartyg förlita sig på stora lasrar (drivna av enorma solpaneler) som skulle skapa partiklar av antimateria när de avfyras på tomt utrymme.
Liksom Ramjet-konceptet löser detta förslag problemet med att bära bränsle genom att utnyttja det från rymden. Men än en gång skulle de stora kostnaderna för ett sådant fartyg vara oöverkomligt dyra med hjälp av nuvarande teknik. Dessutom är förmågan att skapa antimateria i stora volymer inte något vi för närvarande har kraften att göra. Det finns också frågan om strålning, eftersom förintelse av materia-antimateria kan ge uppblåsningar av högenergiska gammastrålar.
Detta utgör inte bara en fara för besättningen, som kräver betydande avskärmning av strålning utan kräver att motorerna skyddas också för att säkerställa att de inte genomgår atomnedbrytning från all strålning de utsätts för. Så i första hand är antimattermotorn helt opraktisk med vår nuvarande teknik och i den nuvarande budgetmiljön.
Alcubierre Warp Drive:
Fans av science fiction är också utan tvekan bekanta med konceptet om en Alcubierre (eller “Warp”) Drive. Föreslagen av den mexikanska fysikern Miguel Alcubierre 1994 var denna föreslagna metod ett försök att göra FTL-resor möjlig utan att bryta med Einsteins teori om specialrelativitet. I korthet innebär konceptet att sträcka ut rymdtidens tyg i en våg, vilket teoretiskt skulle få utrymmet framför ett objekt att dras samman och utrymmet bakom det expandera.
Ett objekt inuti denna våg (dvs ett rymdskepp) skulle då kunna rida på denna våg, känd som en "varpbubbla", utöver relativistiska hastigheter. Eftersom fartyget inte rör sig inom denna bubbla men bärs med medan det rör sig, skulle reglerna för rymdtid och relativitet upphöra att gälla. Anledningen är att denna metod inte förlitar sig på att gå snabbare än ljus i lokal bemärkelse.
Det är bara ”snabbare än ljus” i den meningen att fartyget snabbare kunde nå sin destination än en ljusstråle som färdades utanför varpbubblan. Så förutsatt att ett rymdskepp kan utrustas med ett Alcubierre Drive-system, skulle det kunna göra resan till Proxima Centauri i mindre än fyra år. Så när det gäller teoretisk interstellär rymdresa är detta den överlägset mest lovande tekniken, åtminstone vad gäller hastighet.
Naturligtvis har konceptet fått sin andel av motargument genom åren. Huvud bland dem är det faktum att det inte tar hänsyn till kvantmekanik och skulle kunna ogiltigförklaras av en teori om allt (som slingkvanttyngd). Beräkningar av den mängd energi som krävs har också indikerat att en varpdrev kräver en oöverkomlig mängd kraft för att fungera. Andra osäkerhetsfaktorer inkluderar säkerheten i ett sådant system, effekterna på rymdtiden på destinationen och kränkningar av orsakssamband.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
