Podróże międzygwiezdne: definicja, technologie i wyzwania

Głównym wyzwaniem stojącym przed podróżami międzygwiezdnymi są ogromne odległości, które muszą zostać pokonane. Oznacza to, że potrzebna jest bardzo duża prędkość i/lub bardzo długi czas podróży. Czas podróży przy zastosowaniu najbardziej realistycznych metod napędowych wynosiłby od dziesięcioleci do tysiącleci.

Z tego powodu statek międzygwiezdny byłby znacznie bardziej narażony na zagrożenia występujące podczas podróży międzyplanetarnych, w tym próżnię, promieniowanie, nieważkość i mikrometeoroidy. Przy dużych prędkościach pojazd byłby penetrowany przez wiele mikroskopijnych cząstek materii, chyba że byłby silnie osłonięty. Noszenie osłony znacznie zwiększyłoby problemy z napędem.

Promienie kosmiczne

Promienie kosmiczne są bardzo interesujące, ponieważ poza atmosferą i polem magnetycznym nie ma żadnej ochrony. Zaobserwowano, że energie najbardziej energetycznych ultra-wysokoenergetycznych promieni kosmicznych (UHECR) zbliżają się do 3 × 1020 eV, czyli około 40 milionów razy więcej niż energia cząstek przyspieszanych przez Wielki Zderzacz Hadronów. Przy energii 50 J, ultra wysokoenergetyczne promienie kosmiczne o najwyższej energii mają energię porównywalną z energią kinetyczną piłki baseballowej pędzącej z prędkością 90 km na godzinę (56 mph). W wyniku tych odkryć pojawiło się zainteresowanie badaniem promieni kosmicznych o jeszcze większych energiach. Większość promieni kosmicznych nie ma jednak tak ekstremalnych energii. Rozkład energii promieni kosmicznych osiąga szczyt przy 0,3 gigaelektronowolta (4,8×10-11 J).

Wymagana energia

Istotnym czynnikiem jest energia potrzebna do osiągnięcia rozsądnego czasu podróży. Dolną granicą dla wymaganej energii jest energia kinetyczna K = ½ mv2 , gdzie m jest masą końcową. Jeżeli pożądane jest wyhamowanie statku po przybyciu na miejsce i nie można tego osiągnąć w żaden inny sposób niż za pomocą silników statku, wówczas wymagana energia co najmniej podwaja się, ponieważ energia potrzebna do zatrzymania statku równa się energii potrzebnej do przyspieszenia go do prędkości podróżnej.

Prędkość dla załogowej podróży do najbliższej gwiazdy, trwającej nawet kilkadziesiąt lat, jest tysiące razy większa niż w przypadku dzisiejszych pojazdów kosmicznych. Oznacza to, że ze względu na człon v2 we wzorze na energię kinetyczną, potrzeba miliony razy więcej energii. Przyspieszenie jednej tony do jednej dziesiątej prędkości światła wymaga co najmniej 450 PJ lub 4,5 ×1017 J lub 125 miliardów kWh, nie licząc strat.

Źródło energii musi być przenoszone, ponieważ panele słoneczne nie działają daleko od Słońca i innych gwiazd. Wielkość tej energii może uniemożliwić podróże międzygwiezdne. Jeden z inżynierów stwierdził: "Do podróży (do Alfy Centauri) potrzebna byłaby energia co najmniej 100 razy większa od całkowitej produkcji energii całego świata [w danym roku]".

Medium międzygwiezdne

Pył i gaz międzygwiezdny mogą spowodować znaczne uszkodzenia statku, ze względu na wysokie prędkości względne i duże energie kinetyczne. Większe obiekty (takie jak większe ziarna pyłu) występują znacznie rzadziej, ale byłyby znacznie bardziej niszczycielskie. .

Czas podróży

Długie czasy podróży utrudniają projektowanie misji załogowych. Fundamentalne ograniczenia czasoprzestrzeni stanowią kolejne wyzwanie. Ponadto, podróże międzygwiezdne byłyby trudne do uzasadnienia z powodów ekonomicznych.

Można argumentować, że misja międzygwiezdna, która nie może zostać ukończona w ciągu 50 lat, nie powinna w ogóle być rozpoczynana. Zamiast tego, środki powinny zostać zainwestowane w zaprojektowanie lepszego systemu napędowego. Dzieje się tak dlatego, że powolny statek kosmiczny zostałby prawdopodobnie wyprzedzony przez inną misję wysłaną później z bardziej zaawansowanym napędem.

Z drugiej strony, można zatem opowiedzieć się za rozpoczęciem misji bez zwłoki, ponieważ problemy niezwiązane z napędem mogą okazać się trudniejsze niż inżynieria napędowa.

Podróże międzygalaktyczne odbywają się na odległości około milion razy większe niż międzygwiezdne, co czyni je radykalnie trudniejszymi nawet od podróży międzygwiezdnych.

Kalkulacja Kennedy'ego

Andrew Kennedy wykazał, że rejsy podjęte przed minimalnym czasem oczekiwania zostaną wyprzedzone przez te, które wyruszyły w minimalnym czasie, podczas gdy te, które wyruszyły po minimalnym czasie, nigdy nie wyprzedzą tych, które wyruszyły w minimalnym czasie.

Obliczenia Kennedy'ego zależą od r, czyli średniego rocznego wzrostu światowej produkcji energii. Z dowolnego punktu w czasie do danego miejsca przeznaczenia istnieje minimum całkowitego czasu do miejsca przeznaczenia. Podróżnicy prawdopodobnie dotarliby do celu bez wyprzedzenia przez późniejszych podróżników, odczekując czas t przed wyruszeniem w drogę. Zależność między czasem potrzebnym na dotarcie do celu (teraz, Tnow, lub po odczekaniu, Tt, a wzrostem prędkości podróży wynosi

T n o w T t = ( 1 + r ) t 2 {{displaystyle {{frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{{tfrac {t}{2}}}}

Biorąc za przykład podróż do oddalonej o sześć lat świetlnych Gwiazdy Barnarda, Kennedy pokazuje, że przy średnim rocznym tempie wzrostu gospodarczego na świecie wynoszącym 1,4% i odpowiadającym mu wzroście prędkości podróżowania, ludzka cywilizacja może dotrzeć do tej gwiazdy najszybciej za 1110 lat od roku 2007.

Odległości międzygwiezdne

Odległości astronomiczne są często mierzone w czasie, jaki zajęłoby wiązce światła przebycie drogi między dwoma punktami (patrz rok świetlny). Światło w próżni porusza się z prędkością około 300 000 kilometrów na sekundę lub 186 000 mil na sekundę.

Odległość z Ziemi do Księżyca wynosi 1,3 sekundy świetlnej. Przy obecnych technologiach napędów statków kosmicznych, statek może pokonać odległość z Ziemi na Księżyc w około osiem godzin (New Horizons). Oznacza to, że światło porusza się około trzydzieści tysięcy razy szybciej niż obecne technologie napędu statków kosmicznych. Odległość z Ziemi do innych planet w Układzie Słonecznym waha się od trzech minut świetlnych do około czterech godzin świetlnych. W zależności od planety i jej ustawienia względem Ziemi, dla typowego bezzałogowego statku kosmicznego podróże te zajmą od kilku miesięcy do nieco ponad dekady. Odległość do innych gwiazd jest znacznie większa. Jeśli odległość od Ziemi do Słońca zostanie przeskalowana do jednego metra, odległość do Alfa Centauri A wyniesie 271 kilometrów lub około 169 mil.

Najbliższą Słońcu gwiazdą jest Proxima Centauri, znajdująca się w odległości 4,23 lat świetlnych. Najszybszy wysłany dotychczas statek kosmiczny, Voyager 1, przebył 1/600 roku świetlnego w ciągu 30 lat i obecnie porusza się z prędkością 1/18000 roku świetlnego. W tym tempie podróż do Proximy Centauri zajęłaby 72 000 lat. Oczywiście, misja ta nie była specjalnie przeznaczona do szybkiej podróży do gwiazd, a obecna technologia może zrobić to znacznie lepiej. Czas podróży można by skrócić do kilku tysiącleci używając żagli słonecznych, lub do stulecia lub mniej używając impulsowego napędu jądrowego.

Szczególna względność oferuje możliwość skrócenia czasu podróży: jeśli statek gwiezdny z wystarczająco zaawansowanymi silnikami osiągnąłby prędkości bliskie prędkości światła, relatywistyczna dylatacja czasu znacznie skróciłaby podróż. Jednak nadal trwałaby ona wiele lat, które upłynęłyby z punktu widzenia ludzi pozostających na Ziemi. Po powrocie na Ziemię podróżnicy stwierdziliby, że na Ziemi upłynęło znacznie więcej czasu niż dla nich (paradoks bliźniaczy).

Wiele problemów zostałoby rozwiązanych, gdyby istniały tunele czasoprzestrzenne. Ogólna teoria względności nie wyklucza ich istnienia, ale według naszej obecnej wiedzy, nie istnieją.

Komunikacja

Czas opóźnienia podróży w obie strony to minimalny czas pomiędzy dotarciem sygnału sondy do Ziemi, a otrzymaniem przez sondę instrukcji z Ziemi. Biorąc pod uwagę, że informacja nie może podróżować szybciej niż prędkość światła, to dla Voyagera 1 jest to około 32 godzin, w pobliżu Proximy Centauri byłoby to 8 lat. Szybsze reakcje musiałyby być zaprogramowane tak, aby odbywały się automatycznie. Oczywiście, w przypadku lotu załogowego załoga może natychmiast reagować na swoje obserwacje. Jednak czas opóźnienia w obie strony sprawia, że są oni nie tylko niezwykle odlegli, ale także, pod względem komunikacyjnym, skrajnie odizolowani od Ziemi. Innym czynnikiem jest energia potrzebna do niezawodnej komunikacji międzygwiezdnej. Oczywiście gaz i cząsteczki degradowałyby sygnały (ekstynkcja międzygwiezdna), a ponadto istniałyby ograniczenia energii dostępnej do wysłania sygnału.

Misje załogowe

Masa każdego statku zdolnego do przewożenia ludzi byłaby z pewnością znacznie większa niż masa bezzałogowej sondy międzygwiezdnej. Znacznie dłuższy czas podróży wymagałby systemu podtrzymywania życia. Jest mało prawdopodobne, by pierwsze misje międzygwiezdne przenosiły formy życia.

W odległości 20 lat świetlnych od Słońca znajduje się 59 znanych układów gwiezdnych, zawierających 81 widocznych gwiazd. Następujące z nich mogą być uznane za główne cele misji międzygwiezdnych: Zagrożenie promieniowaniem wykluczyłoby jakiekolwiek istoty organiczne z wyprawy na Syriusza. W każdym razie, trudno sobie wyobrazić jakiekolwiek wyprawy załogowe, biorąc pod uwagę prawdopodobne czasy podróży.

Prawdopodobnie najbardziej prawdopodobnym czasem na podróże międzygwiezdne byłby moment, gdy gwiazda przejdzie przez nasz obłok Oorta. Powinniśmy otrzymać ostrzeżenie o tym na dobre 10 000 lat, więc moglibyśmy zaplanować to wydarzenie w szczegółach. Zobacz gwiazdę Scholza, gdzie ostatnio taka gwiazda przeszła.

Istniejąca i najbliższa technologia astronomiczna jest w stanie znaleźć układy planetarne wokół tych obiektów, co zwiększa ich potencjał eksploracyjny.