Междузвездно пътуване: понятие, технологии и научни предизвикателства

Основното предизвикателство пред междузвездните пътувания са огромните разстояния, които трябва да бъдат преодолени. Това означава, че е необходима много голяма скорост и/или много дълго време за пътуване. Времето за пътуване с най-реалистичните методи за задвижване би било от десетилетия до хилядолетия.

Следователно един междузвезден кораб ще бъде много по-изложен на опасностите, които се срещат при междупланетно пътуване, включително вакуум, радиация, безтегловност и микрометеорити. При високи скорости в превозното средство ще проникват много микроскопични частици материя, освен ако то не е силно защитено. Носенето на щита би увеличило значително проблемите със задвижването.

Космически лъчи

Космическите лъчи представляват голям интерес, тъй като няма защита извън атмосферата и магнитното поле. Наблюдавани са енергии на най-енергийните свръхвисокоенергийни космически лъчи (UHECR), които достигат 3 × 10 ²⁰eV, което е около 40 милиона пъти повече от енергията на частиците, ускорени от Големия адронен колайдер. При 50 J най-високоенергийните свръхвисокоенергийни космически лъчи имат енергия, сравнима с кинетичната енергия на бейзболен кош със скорост 90 км/ч (56 мили в час). В резултат на тези открития се наблюдава интерес към изследването на космически лъчи с още по-високи енергии. Повечето космически лъчи обаче нямат такива екстремни енергии. Разпределението на енергията на космическите лъчи достига своя връх при 0,3 гигаелектронволта (4,8×10⁻¹¹ J).

Необходима енергия

Съществен фактор е енергията, необходима за разумно време за пътуване. Долната граница на необходимата енергия е кинетичната енергия K = ½ mv, ²където m е крайната маса. Ако се желае намаляване на скоростта при пристигане и това не може да се постигне по друг начин, освен чрез двигателите на кораба, тогава необходимата енергия се удвоява поне два пъти, тъй като енергията, необходима за спиране на кораба, е равна на енергията, необходима за ускоряването му до скоростта на движение.

Скоростта за околосветско пътешествие с екипаж за няколко десетилетия дори до най-близката звезда е хиляди пъти по-голяма от тази на сегашните космически превозни средства. Това означава, че поради ²члена v във формулата за кинетичната енергия е необходима милиони пъти повече енергия. За ускоряването на един тон до една десета от скоростта на светлината са необходими поне 450 PJ или 4,5 ×10¹⁷ J, или 125 милиарда kWh, без да се отчитат загубите.

Източникът на енергия трябва да се пренася, тъй като слънчевите панели не работят далеч от Слънцето и други звезди. Големината на тази енергия може да направи невъзможно междузвездното пътуване. Един от инженерите заявява: "За пътуването (до Алфа Кентавър) ще е необходимо поне 100 пъти повече енергия от общото производство на целия свят [за дадена година]".

Междузвездна среда

Междузвездният прах и газ могат да причинят значителни щети на кораба поради високите относителни скорости и големите кинетични енергии. По-големи обекти (като например по-големи прахови зърна) се срещат много по-рядко, но биха били много по-разрушителни. .

Време за пътуване

Дългото време за пътуване затруднява проектирането на пилотирани мисии. Друго предизвикателство са фундаменталните граници на пространство-времето. Освен това междузвездните пътувания биха били трудни за оправдаване по икономически причини.

Може да се твърди, че междузвездна мисия, която не може да бъде завършена в рамките на 50 години, изобщо не трябва да се започва. Вместо това ресурсите трябва да се инвестират в разработването на по-добра система за задвижване. Това е така, защото един бавен космически кораб вероятно ще бъде задминат от друга мисия, изпратена по-късно с по-усъвършенствано задвижване.

От друга страна, може да се обоснове необходимостта от незабавен старт на мисията, тъй като проблемите, свързани с незадвижването, могат да се окажат по-трудни от инженерните проблеми, свързани със задвижването.

Междугалактическото пътуване включва разстояния, които са около милион пъти по-големи от междузвездните, което го прави радикално по-трудно дори от междузвездното пътуване.

Изчисленията на Кенеди

Андрю Кенеди е показал, че пътуванията, предприети преди минималното време за изчакване, ще бъдат изпреварени от тези, които тръгват при минималното време, докато тези, които тръгват след минималното време, никога няма да изпреварят тези, които са тръгнали при минималното време.

Изчислението на Кенеди зависи от r - средното годишно увеличение на световното производство на електроенергия. От всяка точка на времето до дадена дестинация има минимум на общото време до дестинацията. Пътешествениците вероятно биха пристигнали, без да бъдат изпреварени от по-късни пътешественици, като изчакат известно време t, преди да тръгнат. Връзката между времето, необходимо за достигане до дадена дестинация (сега, T_now, или след изчакване, T_t, и нарастването на скоростта на пътуване е

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

Като пример за пътуване до Звездата на Барнард, отдалечена на шест светлинни години, Кенеди показва, че при среден годишен икономически растеж в света от 1,4 % и съответно нарастване на скоростта на пътуване, най-бързо човешката цивилизация може да стигне до звездата за 1110 години, считано от 2007 г.

Междузвездни разстояния

Астрономическите разстояния често се измерват с времето, за което един светлинен лъч ще измине разстоянието между две точки (вж. светлинна година). Светлината във вакуум изминава приблизително 300 000 километра в секунда или 186 000 мили в секунда.

Разстоянието от Земята до Луната е 1,3 светлинни секунди. Със сегашните технологии за задвижване на космически апарати един кораб може да измине разстоянието от Земята до Луната за около осем часа (New Horizons). Това означава, че светлината се движи приблизително тридесет хиляди пъти по-бързо от сегашните технологии за задвижване на космически кораби. Разстоянието от Земята до други планети в Слънчевата система варира от три светлинни минути до около четири светлинни часа. В зависимост от планетата и нейното разположение спрямо Земята, за типичен безпилотен космически кораб тези пътувания ще отнемат от няколко месеца до малко повече от десетилетие. Разстоянието до други звезди е много по-голямо. Ако разстоянието от Земята до Слънцето се намали до един метър, разстоянието до Алфа Кентавър А ще бъде 271 километра или около 169 мили.

Най-близката известна звезда до Слънцето е Проксима Кентавър, която се намира на 4,23 светлинни години. Най-бързият космически апарат, изпращан досега, Вояджър 1, е изминал 1/600 светлинна година за 30 години и в момента се движи с 1/18 000 от скоростта на светлината. С тази скорост пътуването до Проксима Кентавър ще отнеме 72 000 години. Разбира се, тази мисия не е била специално предназначена за бързо пътуване до звездите, а сегашните технологии могат да се справят много по-добре. Времето за пътуване може да се намали до няколко хилядолетия с помощта на слънчеви платна или до век или по-малко с помощта на ядрени импулси.

Специалната теория на относителността предлага възможност за съкращаване на времето за пътуване: ако звездолет с достатъчно усъвършенствани двигатели може да достигне скорости, близки до скоростта на светлината, релативисткото разширение на времето ще направи пътуването много по-кратко за пътника. Въпреки това то все още би отнело много години от изминалото време, гледано от хората, останали на Земята. При завръщането си на Земята пътниците биха открили, че на Земята е изминало много повече време, отколкото за тях (парадокс на близнаците).

Много проблеми биха били решени, ако съществуваха червееви дупки. Общата теория на относителността не ги изключва, но доколкото ни е известно в момента, те не съществуват.

Комуникации

Времето за закъснение при обиколка е минималното време между достигането на сигнала от сондата до Земята и получаването на инструкции от Земята. Като се има предвид, че информацията не може да се разпространява по-бързо от скоростта на светлината, за "Вояджър 1" това са около 32 часа, а близо до Проксима Кентавър - 8 години. По-бързите реакции ще трябва да бъдат програмирани да се извършват автоматично. Разбира се, в случай на пилотиран полет екипажът може да реагира незабавно на наблюденията си. Въпреки това, времето на закъснението в двете посоки ги прави не само изключително отдалечени, но и по отношение на комуникацията - изключително изолирани от Земята. Друг фактор е енергията, необходима за надеждното достигане на междузвездните комуникации. Очевидно е, че газовете и частиците ще влошат сигнала (междузвездно затихване), а наличната енергия за изпращане на сигнала ще бъде ограничена.

Пилотирани мисии

Масата на всеки кораб, способен да превозва хора, неизбежно ще бъде значително по-голяма от тази, необходима за безпилотна междузвездна сонда. Значително по-дългото време за пътуване би изисквало система за поддържане на живота. Малко вероятно е първите междузвездни мисии да носят форми на живот.

В радиус от 20 светлинни години от Слънцето са известни 59 звездни системи, съдържащи 81 видими звезди. Следните могат да се считат за основни цели за междузвездни мисии: Опасността от радиация би изключила всякакви органични същества за експедиция до Сириус. Във всеки случай е трудно да си представим каквито и да било експедиции с екипаж, като се има предвид вероятното време за пътуване.

Може би най-вероятният момент за междузвездно пътуване е, когато звезда премине през нашия облак на Оорт. Би трябвало да сме предупредени за това с 10 000 години напред, така че бихме могли да планираме събитието с известни подробности. Вижте звездата на Шолц за последния път, когато такава звезда е преминала през него.

Съществуващите и близките астрономически технологии са в състояние да открият планетни системи около тези обекти, което увеличава потенциала им за изследване.