- Deel 2 -
Op een bepaald moment in ons leven hebben we allemaal deze vraag gesteld: hoe lang moeten we naar de sterren vliegen? Is het mogelijk om zo'n vlucht in één mensenleven uit te voeren, kunnen dergelijke vluchten de norm van het dagelijks leven worden? Er zijn veel antwoorden op deze moeilijke vraag, afhankelijk van wie het vraagt. Sommige zijn eenvoudig, andere zijn moeilijker. Om een definitief antwoord te vinden, zijn er te veel dingen om te overwegen.
Helaas bestaan er geen echte schattingen die zouden helpen bij het vinden van een dergelijk antwoord, en dit frustreert futuristen en interstellaire reisliefhebbers. Of we het nu leuk vinden of niet, de ruimte is erg groot (en complex) en onze technologie is nog steeds beperkt. Maar als we ooit besluiten ons "thuisnest" te verlaten, zullen we verschillende manieren hebben om bij het dichtstbijzijnde sterrenstelsel in onze melkweg te komen.
De ster die het dichtst bij onze aarde staat is de zon, een nogal "gemiddelde" ster volgens het Hertzsprung-Russell "hoofdreeks" -schema. Dit betekent dat de ster erg stabiel is en voldoende zonlicht geeft om leven op onze planeet te ontwikkelen. We weten dat andere planeten rond de sterren in de buurt van ons zonnestelsel draaien, en veel van deze sterren lijken op de onze.
Mogelijke bewoonbare werelden in het heelal
Als de mensheid in de toekomst het zonnestelsel wil verlaten, zullen we een enorme selectie van sterren hebben waar we naartoe kunnen gaan, en veel van hen zullen wellicht gunstige levensomstandigheden hebben. Maar waar gaan we heen en hoe lang duurt het voordat we daar zijn? Houd in gedachten dat dit allemaal speculatie is en dat er op dit moment geen oriëntatiepunten zijn voor interstellaire reizen. Nou, zoals Gagarin zei, laten we gaan! Promotievideo:
Reik naar de ster
Zoals eerder opgemerkt, is Proxima Centauri de dichtstbijzijnde ster bij ons zonnestelsel, en daarom is het logisch om ermee een interstellaire missie te plannen. Proxima maakt deel uit van het drievoudige sterrensysteem Alpha Centauri en is 4,24 lichtjaar (1,3 parsec) van de aarde verwijderd. Alpha Centauri is in feite de helderste ster van de drie in het systeem, onderdeel van een dicht binair systeem op 4,37 lichtjaar van de aarde - terwijl Proxima Centauri (de zwakste van de drie) een geïsoleerde rode dwerg is op 0,13 lichtjaar afstand. van een duaal systeem.
En hoewel gesprekken over interstellaire reizen allerlei soorten sneller-dan-licht (FAS) -reizen suggereren, van warpsnelheden tot wormgaten tot subruimtemotoren, zijn dergelijke theorieën ofwel zeer fictief (zoals de Alcubierre-motor) of bestaan ze alleen in science fiction. … Elke missie naar de verre ruimte zal zich over generaties mensen uitstrekken.
Dus, te beginnen met een van de langzaamste vormen van ruimtevaart, hoe lang duurt het om bij Proxima Centauri te komen?
Moderne methoden
De kwestie van het schatten van de duur van reizen in de ruimte is veel gemakkelijker als er bestaande technologieën en lichamen in ons zonnestelsel bij betrokken zijn. Met behulp van de technologie die wordt gebruikt door de New Horizons-missie, 16 hydrazine monofuelmotoren, kun je de maan bereiken in slechts 8 uur en 35 minuten.
Er is ook de SMART-1-missie van de European Space Agency, die met ionenstuwkracht naar de maan werd voortgestuwd. Met deze revolutionaire technologie, een variant waarvan de Dawn ruimtesonde ook gebruik maakte om Vesta te bereiken, duurde de SMART-1-missie een jaar, een maand en twee weken om de maan te bereiken.
Van een snel raketruimtevaartuig tot een zuinige ionenaandrijving, we hebben een aantal opties om door de lokale ruimte te reizen - plus je zou Jupiter of Saturnus kunnen gebruiken als een gigantische zwaartekrachtkatapult. Als we echter van plan zijn iets verder te komen, zullen we de kracht van technologie moeten opbouwen en nieuwe mogelijkheden moeten verkennen.
Als we het hebben over mogelijke methoden, hebben we het over methoden waarbij bestaande technologieën worden gebruikt, of methoden die nog niet bestaan, maar die technisch haalbaar zijn. Sommige ervan zijn, zoals u zult zien, beproefd en bevestigd, terwijl andere nog steeds in twijfel zijn. Kortom, ze vertegenwoordigen een mogelijk, maar zeer tijdrovend en kostbaar scenario van reizen, zelfs naar de dichtstbijzijnde ster.
Ionische beweging
Momenteel is de ionenmotor de langzaamste en meest economische vorm van motor. Enkele decennia geleden werd ionische voortstuwing beschouwd als het onderwerp van sciencefiction. Maar in de afgelopen jaren zijn de technologie voor het ondersteunen van ionenaandrijving van theorie naar praktijk overgegaan, en met groot succes. De SMART-1-missie van de European Space Agency is een voorbeeld van een succesvolle missie naar de maan in 13 maanden spiraalbeweging vanaf de aarde.
SMART-1 gebruikte zonne-ion thrusters, waarbij elektriciteit werd opgevangen door zonnepanelen en gebruikt om Hall-effect thrusters van stroom te voorzien. Er was slechts 82 kilogram xenonbrandstof nodig om de SMART-1 naar de maan te brengen. 1 kilogram xenonbrandstof levert een delta-V van 45 m / s. Dit is een uiterst effectieve bewegingsvorm, maar verre van de snelste.
Een van de eerste missies waarbij ionenaandrijvingstechnologie werd gebruikt, was de Deep Space 1-missie naar komeet Borrelli in 1998. De DS1 gebruikte ook een xenon-ionenmotor en verbruikte 81,5 kg brandstof. Voor 20 maanden stuwkracht ontwikkelde de DS1 snelheden van 56.000 km / u op het moment dat de komeet passeerde.
Ionenmotoren zijn zuiniger dan rakettechnologieën omdat hun stuwkracht per massa-eenheid raketbrandstof (specifieke impuls) veel hoger is. Maar ionenstuwraketten hebben veel tijd nodig om een ruimtevaartuig tot aanzienlijke snelheden te versnellen, en de topsnelheid hangt af van brandstofondersteuning en stroomopwekking.
Daarom, als ionenaandrijving wordt gebruikt in een missie naar Proxima Centauri, moeten de motoren een krachtige energiebron (kernenergie) en grote reserves aan brandstof hebben (hoewel minder dan conventionele raketten). Maar als je uitgaat van de aanname dat 81,5 kg xenonbrandstof zich vertaalt in 56.000 km / u (en er zullen geen andere vormen van beweging zijn), dan kun je berekeningen maken.
Met een topsnelheid van 56.000 km / u zou Deep Space 1 er 81.000 jaar over doen om 4,24 lichtjaar te reizen tussen de aarde en Proxima Centauri. Na verloop van tijd zijn dit ongeveer 2700 generaties mensen. Het is veilig om te zeggen dat de interplanetaire ionenaandrijving te traag zal zijn voor een bemande interstellaire missie.
Maar als de ionenstuwraketten groter en krachtiger zijn (dat wil zeggen, de uittredingssnelheid van de ionen is veel hoger), als er voldoende raketbrandstof is, wat genoeg is voor de hele 4,24 lichtjaar, zal de reistijd aanzienlijk worden verkort. Maar toch zal er veel langer zijn dan de periode van het menselijk leven.
Zwaartekrachtmanoeuvre
De snelste manier om in de ruimte te reizen, is met behulp van zwaartekrachtassistentie. Bij deze methode gebruikt het ruimtevaartuig de relatieve beweging (d.w.z. baan) en de zwaartekracht van de planeet om zijn pad en snelheid te veranderen. Zwaartekrachtmanoeuvres zijn een uiterst nuttige techniek voor ruimtevluchten, vooral wanneer de aarde of een andere enorme planeet (zoals een gasreus) wordt gebruikt voor versnelling.
Het ruimtevaartuig Mariner 10 was de eerste die deze methode gebruikte en gebruikte de zwaartekracht van Venus om in februari 1974 naar Mercurius te versnellen. In de jaren tachtig gebruikte de Voyager 1-sonde Saturnus en Jupiter voor zwaartekrachtmanoeuvres en versnelling tot 60.000 km / u, gevolgd door een uitgang naar de interstellaire ruimte.
De Helios 2-missie, die begon in 1976 en bedoeld was om de interplanetaire omgeving tussen 0,3 AU te verkennen. e. en 1 a. Dat wil zeggen, van de zon is het record voor de hoogste snelheid ontwikkeld met behulp van een zwaartekrachtmanoeuvre geldig. Op dat moment hadden Helios 1 (gelanceerd in 1974) en Helios 2 het record voor de dichtstbijzijnde nadering van de zon. Helios 2 werd gelanceerd door een conventionele raket en in een zeer langwerpige baan gebracht.
Vanwege de grote excentriciteit (0,54) van de 190-daagse baan om de zon, slaagde Helios 2 er in perihelium in om een maximumsnelheid van meer dan 240.000 km / u te bereiken. Deze baansnelheid is alleen ontwikkeld door de aantrekkingskracht van de zon. Technisch gezien was de perihelionsnelheid van Helios 2 niet het resultaat van een zwaartekrachtmanoeuvre, maar de maximale baansnelheid, maar het apparaat heeft nog steeds het record voor het snelste kunstmatige object.
Als Voyager 1 met een constante snelheid van 60.000 km / u naar de rode dwerg Proxima Centauri zou bewegen, zou het 76.000 jaar (of meer dan 2.500 generaties) duren om die afstand af te leggen. Maar als de sonde de recordsnelheid van Helios 2 zou bereiken - een constante snelheid van 240.000 km / u - zou het 19.000 jaar (of meer dan 600 generaties) kosten om 4.243 lichtjaar af te leggen. Veel beter, maar lang niet praktisch.
Elektromagnetische motor EM Drive
Een andere voorgestelde methode voor interstellaire reizen is een radiofrequente motor met resonantieholte, ook bekend als EM Drive. Voorgesteld in 2001 door Roger Scheuer, een Britse wetenschapper die Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) heeft opgericht om het project uit te voeren, is de motor gebaseerd op het idee dat elektromagnetische microgolfholtes elektriciteit direct in stuwkracht kunnen omzetten.
Terwijl traditionele elektromagnetische motoren zijn ontworpen om een specifieke massa voort te stuwen (zoals geïoniseerde deeltjes), is dit specifieke voortstuwingssysteem niet afhankelijk van de reactie van de massa en zendt het geen gerichte straling uit. Over het algemeen werd deze motor met een behoorlijke hoeveelheid scepsis begroet, grotendeels omdat hij de wet van behoud van momentum schendt, volgens welke het momentum van het systeem constant blijft en niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen met geweld kan worden veranderd.
Desalniettemin hebben recente experimenten met deze technologie duidelijk tot positieve resultaten geleid. In juli 2014, op de 50e AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference in Cleveland, Ohio, kondigden NASA's geavanceerde jet-wetenschappers aan dat ze met succes een nieuw elektromagnetisch motorontwerp hadden getest.
In april 2015 zeiden wetenschappers van NASA Eagleworks (onderdeel van het Johnson Space Center) dat ze de motor met succes in een vacuüm hadden getest, wat zou kunnen duiden op een mogelijke toepassing in de ruimte. In juli van dat jaar ontwikkelde een groep wetenschappers van de Space Systems Division van de Technische Universiteit van Dresden hun eigen versie van de motor en observeerde tastbare stuwkracht.
In 2010 begon professor Zhuang Yang van de Northwestern Polytechnic University in Xi'an, China, met het publiceren van een reeks artikelen over haar onderzoek naar EM Drive-technologie. In 2012 rapporteerde het een hoog ingangsvermogen (2,5 kW) en een vaste stuwkracht van 720 mn. In 2014 voerde ze ook uitgebreide tests uit, waaronder interne temperatuurmetingen met ingebouwde thermokoppels, waaruit bleek dat het systeem werkte.
Volgens berekeningen op basis van het NASA-prototype (dat een vermogen kreeg van 0,4 N / kilowatt), kan een elektromagnetisch aangedreven ruimtevaartuig in minder dan 18 maanden een reis naar Pluto maken. Dit is zes keer minder dan nodig was voor de New Horizons-sonde, die met een snelheid van 58.000 km / u bewoog.
Klinkt indrukwekkend. Maar zelfs in dit geval zal het schip op elektromagnetische motoren 13.000 jaar naar Proxima Centauri vliegen. Dichtbij, maar nog steeds niet genoeg. Bovendien is het te vroeg om over het gebruik ervan te praten, totdat alle puntjes in deze technologie zijn gestippeld.
Nucleaire thermische en nucleaire elektrische voortstuwing
Een andere mogelijkheid om een interstellaire vlucht uit te voeren, is om een ruimtevaartuig te gebruiken dat is uitgerust met nucleaire motoren. NASA heeft dergelijke opties al decennia bestudeerd. Een nucleaire thermische voortstuwingsraket zou uranium- of deuteriumreactoren kunnen gebruiken om waterstof in de reactor te verwarmen en het om te zetten in geïoniseerd gas (waterstofplasma), dat vervolgens in het mondstuk van de raket zou worden gericht en stuwkracht zou genereren.
Een nucleair aangedreven raket bevat dezelfde reactor, die warmte en energie omzet in elektriciteit, die vervolgens de elektromotor aandrijft. In beide gevallen zal de raket vertrouwen op kernfusie of kernsplijting om stuwkracht te creëren, in plaats van op de chemische brandstof waarop alle moderne ruimtevaartagentschappen werken.
Vergeleken met chemische motoren hebben nucleaire motoren onmiskenbare voordelen. Ten eerste is het praktisch onbeperkte energiedichtheid in vergelijking met raketbrandstof. Bovendien zal de nucleaire motor ook meer stuwkracht genereren dan de hoeveelheid gebruikte brandstof. Dit vermindert de hoeveelheid brandstof die nodig is, en tegelijkertijd het gewicht en de kosten van een bepaald apparaat.
Hoewel thermische kernenergie-motoren nog niet de ruimte zijn binnengekomen, zijn hun prototypes gemaakt en getest, en er zijn er nog meer voorgesteld.
Ondanks de voordelen op het gebied van brandstofbesparing en specifieke impulsen, heeft het best voorgestelde concept van nucleaire thermische motoren een maximale specifieke impuls van 5000 seconden (50 kNs / kg). Met behulp van nucleaire motoren die worden aangedreven door splijting of fusie, kunnen NASA-wetenschappers een ruimtevaartuig naar Mars brengen in slechts 90 dagen als de Rode Planeet zich 55.000.000 kilometer van de aarde bevindt.
Maar als het gaat om reizen naar Proxima Centauri, zal het eeuwen duren voordat een nucleaire raket versnelt tot een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid. Dan duurt het nog tientallen jaren, en daarna nog vele eeuwen van remming op weg naar het doel. We zijn nog 1000 jaar verwijderd van onze bestemming. Wat is goed voor interplanetaire missies, niet zo goed voor interstellaire missies.
- Deel 2 -
