Starpzvaigžņu ceļošana kosmosā

Starpzvaigžņu ceļošanas grūtības

Galvenā problēma, ar ko saskaras starpzvaigžņu ceļojumi, ir milzīgie attālumi, kas jāpārvar. Tas nozīmē, ka ir nepieciešams ļoti liels ātrums un/vai ļoti ilgs ceļošanas laiks. Ceļojuma laiks, izmantojot reālistiskākās dzinējspēka metodes, būtu no gadu desmitiem līdz tūkstošgadēm.

Tādējādi starpzvaigžņu kuģis būtu daudz vairāk pakļauts starpplanētu ceļojumu apdraudējumiem, tostarp vakuumam, radiācijai, nesvarīgumam un mikrometeoroidiem. Liela ātruma apstākļos uz transportlīdzekļa iekļūtu daudzas mikroskopiskas matērijas daļiņas, ja vien tas nebūtu labi ekranēts. Ekrāna nēsāšana ievērojami palielinātu piedziņas problēmas.

Kosmiskie stari

Kosmiskie stari ir ļoti interesanti, jo ārpus atmosfēras un magnētiskā lauka nav aizsardzības. Ir novērots, ka enerģētiski visenerģētiskāko īpaši augstas enerģijas kosmisko staru (UHECR) enerģija tuvojas 3 × 10 ²⁰eV, kas ir aptuveni 40 miljonus reižu lielāka par Lielā hadronu paātrinātāja paātrināto daļiņu enerģiju. Lielākās enerģijas ultravisocefektu kosmisko staru enerģija ir 50 J, un to enerģija ir salīdzināma ar 90 km stundā (56 mph) braucoša beisbola bumbiņas kinētisko enerģiju. Šo atklājumu rezultātā ir radusies interese pētīt vēl lielākas enerģijas kosmiskos starus. Tomēr lielākajai daļai kosmisko staru nav tik lielas enerģijas. Kosmisko staru enerģijas sadalījuma maksimums ir 0,3 gigaelektronvolti (4,8 ×⁻¹¹ 10 J).

Nepieciešamā enerģija

Būtisks faktors ir enerģija, kas nepieciešama saprātīgam ceļojuma laikam. Nepieciešamās enerģijas zemākā robeža ir kinētiskā enerģija K = ½ mv², kur m ir galīgā masa. Ja ir vēlama palēnināšanās pēc ierašanās un to nevar panākt citādi kā tikai ar kuģa dzinējiem, tad nepieciešamā enerģija vismaz divkāršojas, jo enerģija, kas vajadzīga, lai apturētu kuģi, ir vienāda ar enerģiju, kas vajadzīga, lai paātrinātu kuģi līdz ceļojuma ātrumam.

Cilvēka pilotējama lidojuma ātrums, kas vajadzīgs, lai pāris gadu desmitu ilgā apkārtceļā nokļūtu pat līdz tuvākajai zvaigznei, ir tūkstošiem reižu lielāks nekā pašreizējiem kosmosa transportlīdzekļiem. Tas nozīmē, ka kinētiskās enerģijas formulas v ²locekļa dēļ ir nepieciešams miljoniem reižu vairāk enerģijas. Vienas tonnas paātrināšanai līdz vienai desmitajai daļai no gaismas ātruma ir nepieciešami vismaz 450 PJ jeb 4,5 ×10¹⁷ J jeb 125 miljardi kWh, neņemot vērā zudumus.

Enerģijas avots ir jāved līdzi, jo saules paneļi nedarbojas tālu no Saules un citām zvaigznēm. Šīs enerģijas apjoms var padarīt neiespējamus starpzvaigžņu ceļojumus. Kāds inženieris paziņoja: "Ceļojumam (uz Alfa Centauri) būtu nepieciešams vismaz 100 reižu lielāks enerģijas daudzums nekā visas pasaules kopējais enerģijas apjoms [attiecīgajā gadā]".

Starpzvaigžņu vide

starpzvaigžņu putekļi un gāze var nodarīt ievērojamus bojājumus kuģim, jo tie sasniedz lielu relatīvo ātrumu un lielu kinētisko enerģiju. Lielāki objekti (piemēram, lielāki putekļu graudi) ir daudz retāk sastopami, bet tie būtu daudz postošāki. .

Ceļojuma laiks

Ilgais ceļošanas laiks apgrūtina pilotējamu misiju izstrādi. Vēl viens izaicinājums ir kosmosa laika pamatierobežojumi. Turklāt starpzvaigžņu ceļojumus būtu grūti attaisnot ekonomisku apsvērumu dēļ.

Var apgalvot, ka starpzvaigžņu misiju, ko nevar pabeigt 50 gadu laikā, vispār nevajadzētu sākt. Tā vietā resursi būtu jāiegulda labākas dzinējspēka sistēmas izstrādē. Tas ir tāpēc, ka lēnu kosmosa kuģi, iespējams, apsteigtu cita misija, kas nosūtīta vēlāk un kurai ir modernāka dzinējspēka sistēma.

No otras puses, tāpēc ir pamats sākt misiju bez kavēšanās, jo problēmas, kas nav saistītas ar dzinēju, var izrādīties sarežģītākas nekā dzinēju inženierijas problēmas.

Starpgalaktiskie ceļojumi ir saistīti ar aptuveni miljons reižu lielākiem attālumiem nekā starpzvaigžņu ceļojumi, tāpēc tie ir radikāli sarežģītāki pat par starpzvaigžņu ceļojumiem.

Kenedija aprēķins

Endrjū Kenedijs (Andrew Kennedy) ir pierādījis, ka reisus, kas uzsākti pirms minimālā gaidīšanas laika, apsteidz tie, kas izbrauc minimālajā laikā, bet tie, kas izbrauc pēc minimālā laika, nekad neapsteidz tos, kas izbrauca minimālajā laikā.

Kenedija aprēķini ir atkarīgi no r - vidējā ikgadējā pasaules elektroenerģijas ražošanas pieauguma. No jebkura laika punkta līdz noteiktam galamērķim kopējais laiks līdz galamērķim ir minimāls. Iespējams, ka ceļotāji, pirms došanās ceļā, nogaidot laiku t, varētu ierasties, lai viņus neapsteigtu vēlākie ceļotāji. Attiecība starp laiku, kas nepieciešams, lai nokļūtu līdz galamērķim (tagad, T_now, vai pēc gaidīšanas, T_t, un ceļošanas ātruma pieaugumu ir šāda.

T n o w T t = ( + 1r ) t {\displaystyle2 {\frac {T_{now}}{T_{t}}}}={(1+r)}^{{\tfrac {t}{2}}}}}

Kā piemēru ņemot ceļojumu uz Barnarda zvaigzni, kas atrodas sešu gaismas gadu attālumā, Kenedijs rāda, ka, ņemot vērā pasaules vidējo gada ekonomikas izaugsmes tempu 1,4 % un atbilstošu ceļošanas ātruma pieaugumu, visātrāk cilvēces civilizācija līdz zvaigznei varētu nokļūt 1110 gados, sākot no 2007. gada.

Starpzvaigžņu attālumi

Astronomiskos attālumus bieži mēra laikā, kas gaismas staram nepieciešams, lai nogādātu gaismu starp diviem punktiem (skat. gaismas gadu). Gaisma vakuumā pārvietojas aptuveni 300 000 kilometru sekundē jeb 186 000 jūdžu sekundē.

Attālums no Zemes līdz Mēnesim ir 1,3 gaismas sekundes. Izmantojot pašreizējās kosmosa kuģu dzinējspēka tehnoloģijas, kuģis var veikt attālumu no Zemes līdz Mēnesim aptuveni astoņās stundās (New Horizons). Tas nozīmē, ka gaisma ceļo aptuveni trīsdesmit tūkstošus reižu ātrāk nekā pašreizējās kosmosa kuģu piedziņas tehnoloģijas. Attālums no Zemes līdz citām Saules sistēmas planētām ir no trim gaismas minūtēm līdz aptuveni četrām gaismas stundām. Atkarībā no planētas un tās novietojuma līdz Zemei tipiskam bezpilota kosmosa kuģim šie ceļojumi ilgs no dažiem mēnešiem līdz nedaudz vairāk par desmit gadiem. Attālums līdz citām zvaigznēm ir daudz lielāks. Ja attālumu no Zemes līdz Saulei samazinātu līdz vienam metram, attālums līdz Alfa Centauri A būtu 271 kilometrs jeb aptuveni 169 jūdzes.

Saulei tuvākā zināmā zvaigzne ir Proksima Kentauri, kas atrodas 4,23 gaismas gadu attālumā. Līdz šim ātrākais kosmosa kuģis Voyager 1 30 gadu laikā ir pārvarējis 1/600 daļu no gaismas gada un patlaban pārvietojas ar 1/18 000 daļu no gaismas ātruma. Ar šādu ātrumu ceļojums uz Proksimu Centauri ilgtu 72 000 gadu. Protams, šī misija nebija īpaši paredzēta ātrai ceļošanai līdz zvaigznēm, un pašreizējās tehnoloģijas to varētu paveikt daudz labāk. Izmantojot saules buras, ceļojuma laiku varētu saīsināt līdz pāris tūkstošgadēm vai līdz gadsimtam vai mazāk, izmantojot kodolpulsu dzinējspēku.

Speciālā relativitāte piedāvā iespēju saīsināt ceļojuma laiku: ja zvaigžņu kuģis ar pietiekami attīstītiem dzinējiem varētu sasniegt ātrumu, kas tuvu gaismas ātrumam, relativistiskā laika dilatācija padarītu ceļojumu ceļotājam daudz īsāku. Tomēr tas joprojām prasītu daudzus gadus, ko uz Zemes palikušie cilvēki uzskata par pagājušo laiku. Atgriežoties uz Zemes, ceļotāji konstatētu, ka uz Zemes ir pagājis daudz vairāk laika nekā viņiem (dvīņu paradokss).

Daudzas problēmas tiktu atrisinātas, ja pastāvētu tārpu caurumi. Vispārējā relativitāte tos neizslēdz, taču, cik mums zināms, tie nepastāv.

Saziņa

Apkārtējā ceļojuma aizkaves laiks ir minimālais laiks, kas paiet no brīža, kad zondes signāls sasniedz Zemi, līdz brīdim, kad zonde saņem norādījumus no Zemes. Ņemot vērā, ka informācija nevar pārvietoties ātrāk par gaismas ātrumu, Voyager 1 tas ir aptuveni 32 stundas, bet Proxima Centauri tuvumā tas būtu 8 gadi. Ātrākas reakcijas būtu jāprogrammē tā, lai tās tiktu veiktas automātiski. Protams, pilotēta lidojuma gadījumā apkalpe var nekavējoties reaģēt uz novērojumiem. Tomēr ceļojuma turp un atpakaļ kavēšanās laiks padara tos ne tikai ārkārtīgi tālu, bet arī komunikācijas ziņā ārkārtīgi izolētus no Zemes. Vēl viens faktors ir enerģija, kas nepieciešama, lai starpzvaigžņu sakari varētu droši sasniegt mērķi. Acīmredzot gāze un daļiņas pasliktinātu signālus (starpzvaigžņu izzušana), un signāla nosūtīšanai pieejamās enerģijas daudzums būtu ierobežots.

Pilotētas misijas

Jebkura kuģa, kas spēj pārvadāt cilvēkus, masa nenovēršami būs ievērojami lielāka par bezpilota starpzvaigžņu zondei nepieciešamo masu. Tā kā ceļojuma laiks ir ievērojami ilgāks, būtu nepieciešama dzīvības uzturēšanas sistēma. Maz ticams, ka pirmajās starpzvaigžņu misijās būs dzīvības formas.

Galvenie starpzvaigžņu ceļojumu mērķi

20 gaismas gadu rādiusā no Saules ir zināmas 59 zvaigžņu sistēmas, kurās ir 81 redzama zvaigzne. Tālāk minētās varētu uzskatīt par galvenajiem starpzvaigžņu misiju mērķiem: Ekspedīcijai uz Sīriusu ir izslēgtas jebkādas organiskas būtnes. Jebkurā gadījumā, ņemot vērā iespējamo ceļojuma laiku, ir grūti iedomāties, ka ekspedīcijas ar apkalpi vispār varētu notikt.

Iespējams, ka visdrīzāk starpzvaigžņu ceļojums varētu notikt tad, kad kāda zvaigzne ielido mūsu Oorta mākonī. Mums par to būtu jābrīdina jau pirms 10 000 gadu, tāpēc mēs varētu detalizēti plānot šo notikumu. Skatiet Šolca zvaigzni par pēdējo reizi, kad caur to šķērsojusi zvaigzne.

Zvaigžņu sistēma	Attālums (ly)	Piezīmes
Alfa Centauri	4.3	Tuvākā sistēma. Trīs zvaigznes (G2, K1, M5). Komponents A ir līdzīgs Saulei (G2 zvaigzne). Alfa Centauri B ir viena apstiprināta planēta.
Barnard's Star	6.0	Mazs, zema spilgtuma M5 sarkanais punduris. Nākamā tuvākā Saules sistēmai.
Sirius	8.7	Liela, ļoti spilgta A1 zvaigzne ar balto pundurzvaigzni pavadoni.
Epsilon Eridani	10.8	Viena K2 zvaigzne, kas ir nedaudz mazāka un aukstāka par Sauli. Tai ir divas asteroīdu joslas, iespējams, ir milzu planēta un viena daudz mazāka planēta, un tai var būt Saules sistēmas tipa planētu sistēma.
Tau Ceti	11.8	Viena G8 zvaigzne, līdzīga Saulei. Liela varbūtība, ka tajā ir Saules sistēmas tipa planētu sistēma: pašreizējie pierādījumi liecina par 5 planētām, no kurām divas varētu atrasties apdzīvojamajā zonā.
Gliese 581	20.3	Vairāku planētu sistēma. Neapstiprinātā eksoplanēta Gliese 581 g un apstiprinātā eksoplanēta Gliese 581 d atrodas zvaigznes apdzīvojamā zonā.
Vega	25.0	Vismaz viena planēta, kuras vecums ir piemērots, lai uz tās varētu attīstīties primitīva dzīvība.

Esošās un tuvākajā nākotnē paredzētās astronomiskās tehnoloģijas spēj atrast planētu sistēmas ap šiem objektiem, tādējādi palielinot to izpētes potenciālu.