Medzvezdno potovanje — definicija, tehnologije in izzivi

Glavni izziv medzvezdnih potovanj so velike razdalje, ki jih je treba premagati. To pomeni, da je potrebna zelo velika hitrost in/ali zelo dolg čas potovanja. Potovalni čas z najbolj realističnimi metodami pogona bi trajal od desetletja do tisočletja.

Zato bi bila medzvezdna ladja veliko bolj izpostavljena nevarnostim medplanetarnega potovanja, vključno z vakuumom, sevanjem, breztežnostjo in mikrometeoroidi. Pri visokih hitrostih bi v vozilo prodrli številni mikroskopski delci snovi, če ne bi bilo močno zaščiteno. Če bi nosili ščit, bi se močno povečale težave s pogonom.

Kozmični žarki

Kozmični žarki so zelo zanimivi, ker zunaj atmosfere in magnetnega polja ni zaščite. Opazili so, da se energije najbolj energičnih kozmičnih žarkov z ultra visoko energijo (UHECR) približujejo 3 × 10 ²⁰eV, kar je približno 40-milijonkrat več od energije delcev, pospešenih z velikim hadronskim trkalnikom. Najvišje energije ultravisokoenergijskih kozmičnih žarkov pri 50 J so primerljive s kinetično energijo bejzbolske žoge s hitrostjo 90 kilometrov na uro (56 milj na uro). Zaradi teh odkritij se je pojavilo zanimanje za raziskovanje kozmičnih žarkov s še večjimi energijami. Vendar večina kozmičnih žarkov nima tako ekstremnih energij. Energijska porazdelitev kozmičnih žarkov doseže vrh pri 0,3 gigaelektronvolta (4,8×10⁻¹¹ J).

Potrebna energija

Pomemben dejavnik je energija, ki je potrebna za primeren čas potovanja. Spodnja meja potrebne energije je kinetična energija K = ½ mv², kjer je m končna masa. Če je želeno upočasnjevanje ob prihodu in ga ni mogoče doseči drugače kot z motorji ladje, se potrebna energija vsaj podvoji, saj je energija, potrebna za zaustavitev ladje, enaka energiji, potrebni za pospešitev ladje do potovalne hitrosti.

Hitrost za nekaj desetletij trajajočo pot s človeško posadko do najbližje zvezde je tisočkrat večja od hitrosti sedanjih vesoljskih vozil. To pomeni, da je zaradi ²člena v v formuli za kinetično energijo potrebna milijonkrat večja energija. Za pospeševanje ene tone do desetine svetlobne hitrosti je potrebnih vsaj 450 PJ ali 4,5 ×10¹⁷ J ali 125 milijard kWh, brez upoštevanja izgub.

Vir energije je treba prenesti, saj sončni kolektorji ne delujejo daleč od Sonca in drugih zvezd. Velikost te energije lahko onemogoči medzvezdno potovanje. Neki inženir je izjavil: "Za potovanje (do Alfa Kentavra) bi potrebovali vsaj 100-kratnik skupne proizvodnje energije celotnega sveta [v določenem letu]".

Medzvezdni medij

Medzvezdni prah in plin lahko zaradi visokih relativnih hitrosti in velikih kinetičnih energij povzročita precejšnjo škodo na plovilu. Večja telesa (kot so večja zrna prahu) so veliko manj pogosta, vendar bi bila veliko bolj uničujoča. .

Čas potovanja

Dolgi potovalni časi otežujejo načrtovanje misij s človeško posadko. Dodaten izziv predstavljajo temeljne omejitve vesoljskega časa. Medzvezdna potovanja bi bilo težko upravičiti tudi iz ekonomskih razlogov.

Lahko trdimo, da medzvezdne misije, ki je ni mogoče dokončati v 50 letih, sploh ne bi smeli začeti. Namesto tega bi bilo treba sredstva vložiti v oblikovanje boljšega pogonskega sistema. Počasno vesoljsko plovilo bi namreč verjetno prehitela druga misija, poslana kasneje, z naprednejšim pogonom.

Po drugi strani pa je mogoče upravičiti takojšen začetek misije, saj se lahko izkaže, da so težave, ki niso povezane s pogonom, težje kot težave, povezane s pogonom.

Medgalaktično potovanje vključuje razdalje, ki so približno milijonkrat večje od medzvezdnih razdalj, zato je bistveno težje kot celo medzvezdno potovanje.

Kennedyjev izračun

Andrew Kennedy je pokazal, da bodo potovanja, ki se začnejo pred minimalnim čakalnim časom, prehitela tista, ki odidejo ob minimalnem času, medtem ko tista, ki odidejo po minimalnem času, ne bodo nikoli prehitela tistih, ki so odšli ob minimalnem času.

Kennedyjev izračun je odvisen od r, povprečnega letnega povečanja svetovne proizvodnje električne energije. Od katere koli točke v času do določenega cilja je najmanjši skupni čas do cilja. Potniki bi verjetno prispeli, ne da bi jih prehiteli poznejši potniki, če bi pred odhodom počakali določen čas t. Razmerje med časom, ki je potreben, da pridemo do cilja (zdaj, T_now, ali po čakanju, T_t, in rastjo potovalne hitrosti je

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

Kennedy na primeru potovanja do Barnardove zvezde, oddaljene šest svetlobnih let, pokaže, da bi ob povprečni svetovni letni gospodarski rasti 1,4 % in ustrezni rasti potovalne hitrosti človeška civilizacija do zvezde najhitreje prispela v 1 110 letih od leta 2007.

Medzvezdne razdalje

Astronomske razdalje se pogosto merijo v času, ki ga potrebuje svetlobni snop za pot med dvema točkama (glej svetlobno leto). Svetloba v vakuumu prepotuje približno 300 000 kilometrov na sekundo ali 186 000 milj na sekundo.

Razdalja od Zemlje do Lune je 1,3 svetlobne sekunde. S sedanjimi tehnologijami pogona vesoljskih plovil lahko plovilo razdaljo od Zemlje do Lune premaga v približno osmih urah (New Horizons). To pomeni, da svetloba potuje približno tridesettisočkrat hitreje od sedanjih tehnologij pogona vesoljskih plovil. Razdalja od Zemlje do drugih planetov v Osončju znaša od treh svetlobnih minut do približno štirih svetlobnih ur. Odvisno od planeta in njegove poravnave z Zemljo bodo za tipično vesoljsko plovilo brez posadke ta potovanja trajala od nekaj mesecev do nekaj več kot desetletja. Razdalja do drugih zvezd je veliko večja. Če razdaljo od Zemlje do Sonca zmanjšamo na en meter, bi bila razdalja do Alfa Centavrija A 271 kilometrov ali približno 169 milj.

Soncu najbližja znana zvezda je Proksima Centauri, ki je od nas oddaljena 4,23 svetlobnega leta. Najhitrejše doslej poslano vesoljsko plovilo Voyager 1 je v 30 letih premagalo 1/600 svetlobnega leta in se trenutno giblje s hitrostjo 1/18000 svetlobne hitrosti. S to hitrostjo bi potovanje do Proksime Centauri trajalo 72.000 let. Seveda ta misija ni bila izrecno namenjena hitremu potovanju do zvezd in sedanja tehnologija bi bila lahko veliko boljša. Čas potovanja bi lahko skrajšali na nekaj tisočletij s sončnimi jadri ali na stoletje ali manj z jedrskim impulznim pogonom.

Posebna teorija relativnosti ponuja možnost skrajšanja časa potovanja: če bi vesoljska ladja z dovolj naprednimi motorji lahko dosegla hitrosti, ki so blizu svetlobni hitrosti, bi relativistična časovna dilatacija potnikom precej skrajšala potovanje. Vendar bi še vedno trajalo več let časa, ki bi ga videli ljudje na Zemlji. Ob vrnitvi na Zemljo bi potniki ugotovili, da je na Zemlji minilo veliko več časa kot pri njih (paradoks dvojčkov).

Če bi obstajale črvine, bi se rešilo veliko težav. Splošna teorija relativnosti jih ne izključuje, vendar, kolikor vemo, trenutno ne obstajajo.

Komunikacije

Čas povratne zakasnitve je najkrajši čas, ki preteče od trenutka, ko signal sonde doseže Zemljo, do trenutka, ko sonda dobi navodila z Zemlje. Glede na to, da informacije ne morejo potovati hitreje od svetlobne hitrosti, je ta čas za Voyager 1 približno 32 ur, pri Proksimi Centauri pa 8 let. Hitrejše reakcije bi bilo treba programirati tako, da bi se izvajale samodejno. Seveda se lahko v primeru poleta s človeško posadko posadka takoj odzove na svoja opažanja. Vendar zaradi povratnega časa zamude niso le izjemno oddaljeni, temveč so z vidika komunikacije tudi izjemno izolirani od Zemlje. Drugi dejavnik je energija, ki je potrebna za zanesljivo medzvezdno komunikacijo. Plin in delci bi seveda poslabšali signale (medzvezdna ekstinkcija), poleg tega pa bi bila energija, ki je na voljo za pošiljanje signala, omejena.

Misije s človeško posadko

Masa plovila, ki bi lahko prevažalo ljudi, bi bila neizogibno bistveno večja od mase, potrebne za medzvezdno sondo brez posadke. Zaradi bistveno daljšega časa potovanja bi bil potreben sistem za vzdrževanje življenja. Prve medzvezdne misije verjetno ne bodo nosile življenjskih oblik.

V razdalji 20 svetlobnih let od Sonca je znanih 59 zvezdnih sistemov z 81 vidnimi zvezdami. Naslednji bi lahko veljali za glavne cilje medzvezdnih misij: Nevarnost sevanja bi izključila vsa organska bitja za ekspedicijo na Sirij. V vsakem primeru si je glede na verjetne čase potovanja težko predstavljati kakršne koli odprave s človeško posadko.

Morda je najverjetnejši čas za medzvezdno potovanje, ko bo zvezda priletela skozi naš Oortov oblak. Na to bi morali biti opozorjeni dobrih 10.000 let vnaprej, tako da bi lahko dogodek podrobno načrtovali. Zadnji primer, ko je skozi oblak priletela Scholzova zvezda, si oglejte v članku Scholzova zvezda.

Z obstoječo in bližnjo astronomsko tehnologijo je mogoče najti planetarne sisteme okoli teh teles, kar povečuje možnosti za njihovo raziskovanje.