Οδικός χάρτης για τον Άλφα Κενταύρου

Από την αυγή της διαστημικής εποχής, μια δονκιχωτική υποκουλτούρα φυσικών, μηχανικών και συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας αφιέρωσε τις μεσημεριανές ώρες και τα Σαββατοκύριακα στην κατάρτιση σχεδίων για διαστημόπλοια, ωθούμενη από την επιταγή για τους ανθρώπους να συρθούν έξω από το γήινο λίκνο μας. Για το μεγαλύτερο μέρος εκείνου του χρόνου, επικεντρώθηκαν στη φυσική. Μπορούμε πραγματικά να πετάξουμε στα αστέρια; Πολλοί αρχικά δεν το πίστευαν, αλλά τώρα ξέρουμε ότι είναι δυνατό. Σήμερα, το ερώτημα είναι:Θα εμείς;

Η αλήθεια είναι ότι ήδη είμαστε πετώντας προς τα αστέρια, χωρίς να το εννοώ πραγματικά. Οι δίδυμοι διαστημικοί ανιχνευτές Voyager που εκτοξεύτηκαν το 1977 έχουν ξεπεράσει τον αρχικό τους στόχο να περιηγηθούν στους εξωτερικούς πλανήτες και έχουν φτάσει στα όρια του βασιλείου του ήλιου. Το Voyager 1 απέχει 124 αστρονομικές μονάδες (AU) από τον ήλιο - δηλαδή 124 φορές πιο μακριά από τη Γη - και χρονολογείται 3,6 AU ετησίως. Το αν έχει ήδη βγει από το ηλιακό σύστημα εξαρτάται από τον ορισμό του "ηλιακού συστήματος", αλλά σίγουρα είναι πολύ πέρα ​​από τους πλανήτες. Τα όργανά του έχουν δει τα ενεργητικά σωματίδια και τα μαγνητικά πεδία του ήλιου να δίνουν τη θέση τους σε εκείνα του διαστρικού διαστήματος – βρίσκοντας, μεταξύ άλλων, αυτό που ο Ralph McNutt, μέλος της ομάδας του Voyager και πλανητολόγος, περιγράφει ως «περίεργες δομές πλάσματος» που εκλιπαρούν να εξερευνηθούν. . Τα μυστήρια που συναντούν οι Ταξιδιώτες αναγκάζουν τους επιστήμονες να ξεκινήσουν αποστολές παρακολούθησης που επιχειρούν ακόμη βαθύτερα στο κοσμικό δάσος - μέχρι τις 200 ΑΕ και πέρα. Αλλά τι είδους διαστημόπλοιο μπορεί να μας οδηγήσει εκεί;

Μετάβαση σε μικρό:Ion Drives

Ο ανιχνευτής Dawn της NASA στη ζώνη των αστεροειδών έδειξε ένα κορυφαίο σύστημα πρόωσης:την κίνηση ιόντων. Μια κίνηση ιόντων είναι σαν ένα όπλο που εκτοξεύει άτομα και όχι σφαίρες. το πλοίο κινείται προς τα εμπρός στην ανάκρουση. Το σύστημα περιλαμβάνει μια δεξαμενή προωθητικού, συνήθως xenon, και μια πηγή ενέργειας, όπως ηλιακούς συλλέκτες ή μπαταρίες πλουτωνίου. Ο κινητήρας αφαιρεί πρώτα τα προωθητικά άτομα από τα εξωτερικά ηλεκτρόνια τους, δίνοντάς τους ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Στη συνέχεια, με βάση την αρχή ότι τα αντίθετα έλκονται, ένα αρνητικά φορτισμένο πλέγμα τραβά τα άτομα προς το πίσω μέρος του πλοίου. Ξεπερνούν το πλέγμα και πέφτουν στο διάστημα με ταχύτητες 10 φορές μεγαλύτερες από την εξάτμιση χημικών πυραύλων (και 100 φορές πιο γρήγορα από μια σφαίρα). Για έναν ανιχνευτή μετά το Voyager, οι κινητήρες ιόντων θα πυροβολούσαν για περίπου 15 χρόνια και θα εκσφενδόνιζαν το σκάφος σε πολλές φορές την ταχύτητα του Voyager, έτσι ώστε να φτάσει σε μερικές εκατοντάδες AU πριν πεθάνουν οι άνθρωποι που το κατασκεύασαν.

Οι λάτρεις των πτήσεων με αστέρια σκέφτονται επίσης τις κινήσεις ιόντων για μια πραγματικά διαστρική αποστολή, με στόχο τον Άλφα Κενταύρου, το πλησιέστερο αστρικό σύστημα σε απόσταση περίπου 300.000 AU. Το Icarus Interstellar, ένα μη κερδοσκοπικό ίδρυμα με αποστολή να επιτύχει διαστρικά ταξίδια μέχρι τα τέλη του αιώνα, ονειρεύτηκε το Project Tin Tin — έναν μικροσκοπικό καθετήρα βάρους μικρότερου των 10 κιλών, εξοπλισμένο με μινιατούρα κίνησης ιόντων υψηλής απόδοσης. Το ταξίδι θα διαρκούσε ακόμα δεκάδες χιλιάδες χρόνια, αλλά η ομάδα βλέπει το Tin Tin λιγότερο ως μια ρεαλιστική επιστημονική αποστολή παρά ως μια επίδειξη τεχνολογίας.

Going Light:Solar Sails

Ένα ηλιακό πανί, όπως αυτό που χρησιμοποιεί ο ιαπωνικός ανιχνευτής IKAROS για την Αφροδίτη, καταργεί εντελώς το προωθητικό και τους κινητήρες. Εκμεταλλεύεται τη φυσική του φωτός. Όπως οτιδήποτε άλλο σε κίνηση, ένα φωτεινό κύμα έχει ορμή και σπρώχνει σε όποια επιφάνεια χτυπήσει. Η δύναμη είναι αδύναμη, αλλά γίνεται αισθητή αν έχετε αρκετά μεγάλη επιφάνεια, χαμηλή μάζα και πολύ χρόνο. Το φως του ήλιου μπορεί να επιταχύνει ένα μεγάλο φύλλο ελαφρού υλικού, όπως το Kapton, σε εντυπωσιακή ταχύτητα. Για να φτάσει την ταχύτητα που χρειαζόταν για να ξεφύγει από το ηλιακό σύστημα, το σκάφος θα έτρεχε πρώτα προς τον ήλιο, όσο πιο κοντά τολμούσε—μέσα στην τροχιά του Ερμή—για να γεμίσει τα πανιά του με λαχταριστό ηλιακό φως.

Τέτοιο ιστιοπλοϊκό σκάφος θα μπορούσε ενδεχομένως να κάνει το πέρασμα στο Άλφα του Κενταύρου σε χίλια χρόνια. Τα πανιά περιορίζονται σε ταχύτητα από το πόσο κοντά μπορούν να φτάσουν στον ήλιο, το οποίο, με τη σειρά του, περιορίζεται από την αντοχή του υλικού του πανιού. Ο Γκρέγκορι Ματλόφ, καθηγητής του Πανεπιστημίου Πόλης της Νέας Υόρκης και μακροχρόνιος υποστηρικτής των διαστρικών ταξιδιών, λέει ότι το πιο πολλά υποσχόμενο πιθανό υλικό είναι το γραφένιο—πολύ λεπτά στρώματα ανθρακογραφίτη.

Μια ακτίνα λέιζερ ή μικροκυμάτων θα μπορούσε να προσφέρει μια ακόμη πιο μυϊκή ώθηση. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, ο ντογιέν των διαστρικών ταξιδιών, ο Robert Forward, πρότεινε να ακολουθήσουμε μια ιδέα δημοφιλή εκείνη την εποχή:δορυφόρους ηλιακής ενέργειας, οι οποίοι θα συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια σε τροχιά και θα την εκπέμπουν στη Γη μέσω μικροκυμάτων. Πριν από την έναρξη της λειτουργίας, ένας τροχιακός σταθμός παραγωγής ενέργειας μπορούσε να περιστρέφεται και να εκπέμπει την ισχύ του προς τα πάνω παρά προς τα κάτω. Ένας σταθμός 10 gigawatt θα μπορούσε να επιταχύνει ένα υπερελαφρύ πανί - μόλις 16 γραμμάρια - στο ένα πέμπτο της ταχύτητας του φωτός μέσα σε μια εβδομάδα. Δύο δεκαετίες αργότερα, θα αρχίζαμε να βλέπουμε ζωντανά βίντεο από τον Alpha Centauri.

Αυτό το σχέδιο «Starwisp» έχει τα αμφίβολα χαρακτηριστικά του—θα απαιτούσε έναν τεράστιο φακό και το πανί είναι τόσο εύθραυστο που η δέσμη θα ήταν τόσο πιθανό να το τηγανίσει όσο και να το σπρώξει—αλλά έδειξε ότι μπορούσαμε να φτάσουμε στα αστέρια ενός ανθρώπου Διάρκεια Ζωής.

Going Big:Nuclear Rockets

Τα πανιά μπορεί να είναι σε θέση να μεταφέρουν μικροσκοπικούς ανιχνευτές στα αστέρια, αλλά δεν μπορούν να χειριστούν μια ανθρώπινη αποστολή. θα χρειαστείτε μια δέσμη μικροκυμάτων που καταναλώνει χιλιάδες φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που παράγει σήμερα ολόκληρος ο κόσμος. Το καλύτερα ανεπτυγμένο σχέδιο για ανθρώπινα διαστημικά ταξίδια είναι η πυρηνική παλμική πρόωση, πάνω στο οποίο εργάστηκε το χρηματοδοτούμενο από την κυβέρνηση Project Orion κατά τις δεκαετίες του 1950 και του 1960.

Όταν ακούτε για πρώτη φορά γι 'αυτό, το σχέδιο ακούγεται ανέκφραστο. Φορτώστε το διαστημόπλοιο σας με 300.000 πυρηνικές βόμβες, πυροδοτήστε μία κάθε τρία δευτερόλεπτα και οδηγήστε τα κύματα έκρηξης. Αν και ακραίο, λειτουργεί με την ίδια βασική αρχή με οποιονδήποτε άλλο πύραυλο - δηλαδή την ανάκρουση. Αντί να εκτοξεύει άτομα από το πίσω μέρος του πυραύλου, το σύστημα πυρηνικών παλμών εκτοξεύει σταγόνες πλάσματος, όπως πύρινες μπάλες βολφραμίου.

Πακετάρετε ένα βύσμα βολφραμίου μαζί με ένα πυρηνικό όπλο σε μια μεταλλική κάψουλα, πυροδοτείτε την κάψουλα από το πίσω μέρος του πλοίου και το απομακρύνετε σε μικρή απόσταση. Στο κενό του χώρου, η έκρηξη προκαλεί λιγότερη ζημιά από ό,τι θα περίμενε κανείς. Το εξατμισμένο βολφράμιο εκτοξεύεται προς το πλοίο, αναπηδά από μια παχιά μεταλλική πλάκα στο πίσω μέρος του πλοίου και εκτοξεύεται στο κενό, ενώ το πλοίο υποχωρεί, προχωρώντας έτσι προς τα εμπρός. Τα γιγάντια αμορτισέρ μειώνουν το τράνταγμα στα μέρη του πληρώματος. Οι επιβάτες που παίζουν τρισδιάστατο σκάκι ή κάνουν ό,τι άλλο κάνουν οι διαστρικοί επιβάτες, θα ένιωθαν ρυθμικούς γρουσουζιά σαν τα παιδιά να πηδούν με σχοινί στο διαμέρισμα στον επάνω όροφο.

Το πλοίο μπορεί να φτάσει το ένα δέκατο της ταχύτητας του φωτός. Αν για κάποιο λόγο - ηλιακή έκρηξη, εισβολή εξωγήινων - έπρεπε πραγματικά να φύγουμε γρήγορα από τον πλανήτη και δεν μας ένοιαζε να πυροβολήσουμε την εξέδρα εκτόξευσης, αυτός θα ήταν ο σωστός τρόπος. Έχουμε ήδη όλα όσα χρειαζόμαστε για αυτό. «Σήμερα η πλησιέστερη τεχνολογία που έχουμε θα είναι ο πυρηνικός παλμός», λέει ο Matloff. Αν μη τι άλλο, οι περισσότεροι άνθρωποι θα χαρούν να φορτώσουν όλα τα πυρηνικά μας σε ένα πλοίο και να απαλλαγούν από αυτά.

Στην ιδανική περίπτωση, οι εκρήξεις βομβών θα αντικαταστάθηκαν με ελεγχόμενες αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Αυτή ήταν η προσέγγιση που πρότεινε το Project Daedalus, μια προσπάθεια της δεκαετίας του '70 για τον σχεδιασμό ενός πλήρως εξοπλισμένου ρομποτικού διαστρικού σκάφους. Το μεγαλύτερο πρόβλημα ήταν ότι για κάθε τόνο ωφέλιμου φορτίου, το πλοίο θα έπρεπε να μεταφέρει 100 τόνους καυσίμων. Ένα τέτοιο μεγαθήριο θα είχε το μέγεθος ενός θωρηκτού, με μήκος 200 μέτρα και μάζα 50.000 τόνων.

«Ήταν απλώς μια τεράστια, τερατώδης μηχανή», λέει ο Kelvin Long, Άγγλος μηχανικός αεροδιαστημικής και συνιδρυτής του Project Icarus, μιας σύγχρονης προσπάθειας ενημέρωσης του σχεδιασμού. «Αλλά αυτό που έχει συμβεί από τότε, φυσικά, είναι η μικροηλεκτρονική, η σμίκρυνση της τεχνολογίας, η νανοτεχνολογία. Όλες αυτές οι εξελίξεις οδήγησαν σε επανεξέταση. Χρειάζεστε πραγματικά αυτές τις τεράστιες κατασκευές;» Λέει ότι το Project Icarus σχεδιάζει να αποκαλύψει το νέο σχέδιο στο Λονδίνο τον Οκτώβριο.

Οι διαστρικοί σχεδιαστές έχουν βρει κάθε είδους τρόπους για να συρρικνώσουν τη δεξαμενή καυσίμου. Για παράδειγμα, το πλοίο θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία για να συλλέξει αέριο υδρογόνο από το διαστρικό διάστημα. Στη συνέχεια, το υδρογόνο θα τροφοδοτηθεί σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης. Όσο πιο γρήγορα θα πήγαινε το πλοίο, τόσο πιο γρήγορα θα έσκαγε—ένας ενάρετος κύκλος που, αν διατηρηθεί, θα ωθούσε το πλοίο σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός. Δυστυχώς, το σύστημα σκούπας θα παρήγαγε επίσης δυνάμεις έλξης, επιβραδύνοντας το πλοίο και ο αντίθετος άνεμος των σωματιδίων θα μαγείρευε το πλήρωμα με ακτινοβολία. Επίσης, η σύντηξη καθαρού υδρογόνου είναι αναποτελεσματική. Ένα πλοίο που κινείται με σύντηξη πιθανότατα δεν θα μπορούσε να αποφύγει τη μεταφορά καυσίμου από τη Γη.

Going Dark:Scavenging Exotic Matter

Αντί να συλλέγει το αέριο υδρογόνο, η Jia Liu, μεταπτυχιακή φοιτήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, έχει προτείνει την αναζήτηση τροφής για τη σκοτεινή ύλη, το αόρατο εξωτικό υλικό που οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του γαλαξία. Οι φυσικοί των σωματιδίων υποθέτουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από έναν τύπο σωματιδίου που ονομάζεται ουδετερίνο, το οποίο έχει μια χρήσιμη ιδιότητα:Όταν δύο ουδετερίνες συγκρούονται, εξαφανίζονται το ένα το άλλο σε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Τέτοιες αντιδράσεις θα μπορούσαν να οδηγήσουν ένα πλοίο μπροστά. Όπως το σκούπερ υδρογόνου, ένα σκάφος από σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να πλησιάσει την ταχύτητα του φωτός. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι η σκοτεινή ύλη είναι σκοτεινή - που σημαίνει ότι δεν ανταποκρίνεται στις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Οι φυσικοί δεν γνωρίζουν κανέναν τρόπο να το συλλέξουν, πόσο μάλλον να το διοχετεύσουν για την παραγωγή ώθησης πυραύλων.

Εάν οι μηχανικοί ξεπερνούσαν με κάποιο τρόπο αυτά τα προβλήματα και κατασκεύαζαν ένα πλοίο με ταχύτητα σχεδόν φωτός, όχι μόνο το Alpha Centauri αλλά ολόκληρος ο γαλαξίας θα έμπαινε εντός εμβέλειας. Στη δεκαετία του 1960, ο αστρονόμος Carl Sagan υπολόγισε ότι, αν μπορούσατε να επιτύχετε ένα μέτριο ρυθμό επιτάχυνσης - περίπου τον ίδιο ρυθμό που χρησιμοποιεί ένα σπορ αυτοκίνητο - και να τον διατηρήσετε για αρκετό καιρό, θα πλησιάζατε τόσο πολύ την ταχύτητα του φωτός που θα διασχίζατε ο γαλαξίας σε μόλις δύο δεκαετίες χρόνου στο πλοίο. Ως μπόνους, αυτή η τιμή θα παρείχε ένα άνετο επίπεδο τεχνητής βαρύτητας.

Από την άλλη πλευρά, εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια θα περνούσαν στη Γη στο μεταξύ. Μέχρι να επιστρέψετε, ολόκληρος ο πολιτισμός σας θα μπορούσε να έχει πέσει πίθηκος. Από μια άποψη, όμως, αυτό είναι καλό. Τα κόλπα που παίζει η σχετικότητα με τον χρόνο θα έλυνε το αιώνιο πρόβλημα των πολύ αργών υπολογιστών. Αν θέλετε να κάνετε αιώνες υπολογισμούς, πηγαίνετε και εξερευνήστε κάποιο μακρινό αστρικό σύστημα και το αποτέλεσμα θα είναι έτοιμο για εσάς όταν επιστρέψετε. Τα πληρώματα των αστροπλοίων του μέλλοντος μπορεί να μην ταξιδεύουν για επιβίωση, δόξα ή κατάκτηση. Μπορεί να λύνουν παζλ.

Going Warp:Bending Time and Space

Με ένα πλοίο που κινείται με το ένα δέκατο της ταχύτητας του φωτός, οι άνθρωποι θα μπορούσαν να μεταναστεύσουν στα πλησιέστερα αστέρια μέσα σε μια ζωή, αλλά η διάσχιση του γαλαξία θα παρέμενε ένα ταξίδι ενός εκατομμυρίου ετών και κάθε αστρικό σύστημα θα εξακολουθούσε να είναι κυρίως απομονωμένο. Για να δημιουργήσετε μια γαλαξιακή έκδοση του παγκόσμιου χωριού, συνδεδεμένη με αεροπλάνα και τηλέφωνα, θα χρειαστεί να ταξιδέψετε πιο γρήγορα από το φως.

Σε αντίθεση με τη δημοφιλή πεποίθηση, η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν δεν το αποκλείει εντελώς. Σύμφωνα με τη θεωρία, ο χώρος και ο χρόνος είναι ελαστικοί. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως δύναμη της βαρύτητας είναι στην πραγματικότητα η παραμόρφωση του χώρου και του χρόνου. Κατ 'αρχήν, θα μπορούσατε να παραμορφώσετε το χώρο τόσο έντονα ώστε να συντομεύσετε την απόσταση που θέλετε να διασχίσετε, όπως να διπλώσετε ένα χαλί για να φέρετε τις δύο πλευρές πιο κοντά. Αν ναι, θα μπορούσατε να διασχίσετε οποιαδήποτε απόσταση ακαριαία. Δεν θα παρατηρούσατε καν την επιτάχυνση, επειδή το πεδίο θα μηδενίσει τις δυνάμεις g μέσα στο πλοίο. Η θέα από τα παράθυρα του πλοίου θα ήταν εκπληκτική. Τα αστέρια άλλαζαν χρώμα και μετατοπίζονταν προς τον άξονα κίνησης.

Φαίνεται σχεδόν κακότροπο να επισημάνουμε πόσο πέρα ​​από την τρέχουσα τεχνολογία μας είναι αυτή η ιδέα. Το Warp drive θα απαιτούσε έναν τύπο υλικού που ασκεί μια βαρυτική ώθηση και όχι μια βαρυτική έλξη. Ένα τέτοιο υλικό περιέχει αρνητική ποσότητα ενέργειας - κυριολεκτικά λιγότερη από το τίποτα, σαν να είχατε μάζα -50 κιλά. Οι φυσικοί, εφευρετικοί τύποι που είναι, έχουν φανταστεί τρόπους για να δημιουργήσουν τέτοια ενέργεια, αλλά ακόμη και αυτοί ρίχνουν τα χέρια τους στην ποσότητα αρνητικής ενέργειας που θα χρειαζόταν ένα διαστημόπλοιο:αξία λίγων αστεριών. Επιπλέον, το πλοίο θα ήταν αδύνατο να κατευθύνει, καθώς τα σήματα ελέγχου, τα οποία περιορίζονται στην ταχύτητα του φωτός, δεν θα ήταν αρκετά γρήγορα για να φτάσουν από τη γέφυρα του πλοίου στο σύστημα πρόωσης που βρίσκεται στην περίμετρο του σκάφους. (Ο εξοπλισμός μέσα στο πλοίο, ωστόσο, θα λειτουργούσε μια χαρά.)

Όταν πρόκειται για διαστημόπλοια, είναι καλύτερο να μην κολλάτε σε λεπτομέρειες. Μέχρι να φτάσει η ανθρωπότητα στο σημείο που θα μπορούσε να φτιάξει ένα, οι ίδιες οι αντιλήψεις μας για τα ταξίδια μπορεί να έχουν αλλάξει. «Χρειάζεται να στείλουμε γεμάτους ανθρώπους;» ρωτάει ο Λονγκ. «Ίσως χρειάζεται απλώς να στείλουμε έμβρυα ή ίσως στο μέλλον θα μπορούσατε να κατεβάσετε εντελώς τον εαυτό σας σε έναν υπολογιστή και να μπορείτε να ανακατασκευάσετε τον εαυτό σας στο άλλο άκρο μέσω κάτι παρόμοιο με την τρισδιάστατη εκτύπωση». Σήμερα, ένα διαστημόπλοιο μοιάζει με το απόγειο της φουτουριστικής σκέψης. Οι μελλοντικές γενιές μπορεί να το βρουν γραφικό.

Ο George Musser είναι συγγραφέας στη φυσική και την κοσμολογία και συγγραφέας του The Complete Idiot’s Guide To String Theory (Alpha, 2008). Ήταν ανώτερος συντάκτης στο Scientific American για 14 χρόνια και έχει κερδίσει διακρίσεις όπως το Βραβείο Συγγραφής Επιστημών του Αμερικανικού Ινστιτούτου Φυσικής.