- Deel 1 -
Als je bestaande technologie gebruikt, zal het heel, heel lang duren om wetenschappers en astronauten op een interstellaire missie te sturen. De reis zal pijnlijk lang zijn (zelfs naar kosmische maatstaven). Als we zo'n reis in minstens één leven, nou ja, of een generatie willen maken, hebben we radicalere (lees: puur theoretische) maatregelen nodig. En als wormgaten en subspace-engines op dit moment absoluut fantastisch zijn, zijn er al jaren andere ideeën waar we in geloven.
Kerncentrale
Een kerncentrale is een theoretisch mogelijke "motor" voor snelle ruimtevaart. Het concept werd oorspronkelijk voorgesteld door Stanislav Ulam in 1946, een Pools-Amerikaanse wiskundige die deelnam aan het Manhattan Project, en in 1947 werden voorlopige berekeningen gemaakt door F. Reines en Ulam. Het Orion-project werd gelanceerd in 1958 en bestond tot 1963.
Onder leiding van Ted Taylor van General Atomics en natuurkundige Freeman Dyson van het Institute for Advanced Study in Princeton, zou Orion de kracht van gepulseerde nucleaire explosies benutten om een enorme stuwkracht te leveren met een zeer hoge specifieke impuls.
Promotie video:
In een notendop, Project Orion omvat een groot ruimtevaartuig dat snelheid oppikt door thermonucleaire kernkoppen te ondersteunen, bommen achter hem te gooien en te versnellen door een explosiegolf die in een aan de achterkant gemonteerde duwer, een propellerpaneel, reist. Na elke duw wordt de kracht van de explosie door dit paneel opgevangen en omgezet in voorwaartse beweging.
Hoewel dit ontwerp naar moderne maatstaven nauwelijks elegant is, is het voordeel van het concept dat het een hoge specifieke stuwkracht biedt - dat wil zeggen dat het de maximale hoeveelheid energie onttrekt aan een brandstofbron (in dit geval atoombommen) tegen de laagste kosten. Bovendien kan dit concept theoretisch zeer hoge snelheden versnellen, volgens sommige schattingen, tot 5% van de lichtsnelheid (5,4 x 107 km / u).
Dit project heeft natuurlijk onvermijdelijke nadelen. Enerzijds zou een schip van deze omvang extreem duur zijn om te bouwen. In 1968 schatte Dyson dat het ruimtevaartuig Orion, aangedreven door waterstofbommen, tussen de 400.000 en 4.000.000 ton zou wegen. En minstens driekwart van dat gewicht zal afkomstig zijn van atoombommen, die elk ongeveer een ton wegen.
De conservatieve schatting van Dyson toonde aan dat de totale bouwkosten van Orion $ 367 miljard zouden hebben bedragen. Gecorrigeerd voor inflatie is dit bedrag $ 2,5 biljoen, wat best veel is. Zelfs met de meest conservatieve schattingen zal het apparaat extreem duur zijn om te vervaardigen.
Er is ook een klein probleem van straling die het zal uitzenden, om nog maar te zwijgen van nucleair afval. Aangenomen wordt dat het om deze reden was dat het project werd geannuleerd onder het gedeeltelijke testverbodsverdrag van 1963, toen wereldregeringen probeerden kernproeven te beperken en overmatige afgifte van radioactieve neerslag in de atmosfeer van de planeet te stoppen.
Kernfusie-raketten
Een andere mogelijkheid om kernenergie te gebruiken zijn thermonucleaire reacties om stuwkracht te genereren. Volgens dit concept moet energie worden gecreëerd door inertiële opsluiting, waarbij pellets van een mengsel van deuterium en helium-3 in een reactiekamer worden ontstoken met behulp van elektronenbundels (vergelijkbaar met wat wordt gedaan in het National Ignition Complex in Californië). Zo'n fusiereactor zou 250 pellets per seconde tot ontploffing brengen, waardoor een hoogenergetisch plasma ontstaat, dat vervolgens in een mondstuk wordt omgeleid, waardoor stuwkracht ontstaat.
Net als een raket die steunt op een kernreactor, heeft dit concept voordelen in termen van brandstofefficiëntie en specifieke impuls. De geschatte snelheid zou 10.600 km / u moeten bedragen, ruim boven de snelheidslimieten van conventionele raketten. Bovendien is deze technologie de afgelopen decennia uitvoerig bestudeerd en zijn er veel voorstellen gedaan.
Zo voerde de British Interplanetary Society tussen 1973 en 1978 een haalbaarheidsstudie uit voor Project Daedalus. Op basis van de moderne kennis en technologie van thermonucleaire kernfusie, riepen wetenschappers op tot de bouw van een onbemande wetenschappelijke sonde in twee fasen die Barnard's ster (5,9 lichtjaar van de aarde) zou kunnen bereiken over een tijdspanne van een mensenleven.
De eerste trap, de grootste van de twee, zou 2,05 jaar duren en het vaartuig versnellen tot 7,1% van de lichtsnelheid. Vervolgens wordt deze fase weggegooid, wordt de tweede ontstoken en versnelt het apparaat tot 12% van de lichtsnelheid in 1,8 jaar. Vervolgens wordt de motor van de tweede trap uitgeschakeld en vliegt het schip al 46 jaar.
Project Daedalus schat dat het de missie 50 jaar zou kosten om Barnard's Star te bereiken. Als het naar Proxima Centauri gaat, zal hetzelfde schip over 36 jaar aankomen. Maar het project omvat natuurlijk veel onopgeloste problemen, in het bijzonder onoplosbaar met het gebruik van moderne technologieën - en de meeste zijn nog niet opgelost.
Er is bijvoorbeeld praktisch geen helium-3 op aarde, wat betekent dat het elders (hoogstwaarschijnlijk op de maan) zal moeten worden gedolven. Ten tweede vereist de reactie die het vaartuig aandrijft, dat de uitgestraalde energie veel groter is dan de energie die wordt verbruikt om de reactie op gang te brengen. En hoewel experimenten op aarde het "break-even point" al hebben overschreden, zijn we nog ver verwijderd van de hoeveelheid energie die een interstellair voertuig kan aandrijven.
Ten derde blijft er de vraag naar de kosten van een dergelijk schip. Zelfs volgens de bescheiden maatstaven van een onbemand voertuig van Project Daedalus zou een volledig uitgerust voertuig 60.000 ton wegen. Ter informatie: het brutogewicht van de NASA SLS is iets meer dan 30 ton, en de lancering alleen al kost $ 5 miljard (schattingen van 2013).
Kortom, een fusieraket zal niet alleen te duur zijn om te bouwen, maar er is ook een fusiereactor voor nodig die ver boven onze mogelijkheden ligt. Icarus Interstellar, een internationale organisatie van civiele wetenschappers (van wie sommigen voor NASA of ESA hebben gewerkt), probeert het concept nieuw leven in te blazen met Project Icarus. De groep die in 2009 bijeenkwam, hoopt de fusiebeweging (en andere) in de nabije toekomst mogelijk te maken.
Thermonucleaire straalmotor
Ook bekend als de Bussard-ramjet, werd de motor voor het eerst voorgesteld door natuurkundige Robert Bussard in 1960. In wezen is het een verbetering ten opzichte van de standaard thermonucleaire raket, die magnetische velden gebruikt om waterstofbrandstof samen te persen tot het punt van fusie. Maar in het geval van een straalmotor zuigt een enorme elektromagnetische trechter waterstof aan uit het interstellaire medium en giet het als brandstof in de reactor.
Naarmate het voertuig sneller rijdt, komt de reactieve massa in het beperkende magnetische veld, dat het comprimeert voordat de fusie begint. Het magnetische veld stuurt vervolgens energie naar de raket, waardoor het schip wordt versneld. Omdat geen enkele brandstoftank het vertraagt, kan een thermonucleaire straalmotor snelheden bereiken in de orde van grootte van 4% licht en overal in de melkweg gaan.
Toch heeft deze missie veel mogelijke nadelen. Bijvoorbeeld het probleem van wrijving. Het ruimtevaartuig is afhankelijk van hoge brandstofopvangsnelheden, maar het zal ook in botsing komen met grote hoeveelheden interstellaire waterstof en snelheid verliezen - vooral in dichte delen van de melkweg. Ten tweede is er niet veel deuterium en tritium (die worden gebruikt in reactoren op aarde) in de ruimte, en de synthese van gewone waterstof, die overvloedig aanwezig is in de ruimte, valt nog steeds buiten onze controle.
Sciencefiction is echter van dit concept gaan houden. Het bekendste voorbeeld is misschien wel de Star Trek-franchise, die gebruikmaakt van de Bussard Collectors. In werkelijkheid is ons begrip van fusiereactoren lang niet zo perfect als we zouden willen.
Laser zeil
Zonnezeilen worden al lang beschouwd als een effectieve manier om het zonnestelsel te veroveren. Behalve dat ze relatief eenvoudig en goedkoop te maken zijn, hebben ze een groot pluspunt: ze hebben geen brandstof nodig. In plaats van raketten te gebruiken die brandstof nodig hebben, gebruikt het zeil de druk van de straling van de sterren om ultradunne spiegels met hoge snelheden voort te stuwen.
In het geval van een interstellaire vlucht zou een dergelijk zeil echter moeten worden voortgestuwd door gefocusseerde energiebundels (laser of microgolven) om te versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Het concept werd voor het eerst voorgesteld door Robert Forward in 1984, een natuurkundige bij het Hughes Aircraft Laboratory.
Zijn idee behoudt de voordelen van een zonnezeil doordat het geen brandstof aan boord nodig heeft, en ook dat laserenergie niet op dezelfde manier over een afstand wordt verspreid als zonnestraling. Dus hoewel het laserzeil enige tijd nodig heeft om te versnellen tot bijna-lichtsnelheid, wordt het vervolgens alleen beperkt door de lichtsnelheid zelf.
Volgens een studie uit 2000 door Robert Frisbee, directeur van geavanceerd voortstuwingsonderzoek bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA, zou een laserzeil in minder dan tien jaar de helft van de lichtsnelheid raken. Hij berekende ook dat een zeil met een diameter van 320 kilometer Proxima Centauri in 12 jaar zou kunnen bereiken. Ondertussen komt er over slechts 9 jaar een zeil van 965 kilometer doorsnee aan.
Zo'n zeil zal echter moeten worden gebouwd van geavanceerde composietmaterialen om smelten te voorkomen. Wat vooral moeilijk zal zijn gezien de grootte van het zeil. De kosten zijn nog erger. Volgens Frisbee hebben lasers een gestage stroom van 17.000 terawatt aan energie nodig - ongeveer hoeveel de hele wereld op één dag verbruikt.
Antimaterie-engine
Liefhebbers van sciencefiction zijn zich terdege bewust van wat antimaterie is. Maar als je het vergeten bent, antimaterie is een stof die bestaat uit deeltjes die dezelfde massa hebben als gewone deeltjes, maar met de tegenovergestelde lading. Een antimaterie-engine is een hypothetische motor die afhankelijk is van interacties tussen materie en antimaterie om energie te genereren of stuwkracht te creëren.
Kortom, een antimaterie-motor gebruikt deeltjes waterstof en anti-waterstof die met elkaar botsen. De energie die vrijkomt bij het annihilatieproces is qua volume vergelijkbaar met de energie van de explosie van een thermonucleaire bom die gepaard gaat met een stroom subatomaire deeltjes - pionen en muonen. Deze deeltjes, die reizen met een derde van de lichtsnelheid, worden omgeleid naar het magnetische mondstuk en genereren stuwkracht.
Het voordeel van deze klasse raketten is dat het grootste deel van de massa van het mengsel van materie / antimaterie kan worden omgezet in energie, wat zorgt voor een hoge energiedichtheid en een specifieke impuls die superieur is aan elke andere raket. Bovendien kan de annihilatiereactie de raket versnellen tot de helft van de lichtsnelheid.
Deze klasse van raketten zal de snelste en meest energiezuinige mogelijk zijn (of onmogelijk, maar voorgesteld). Als conventionele chemische raketten tonnen brandstof nodig hebben om een ruimtevaartuig naar zijn bestemming te drijven, zal een antimaterie-motor hetzelfde werk doen met een paar milligram brandstof. Onderlinge vernietiging van een halve kilo waterstof en anti-waterstofdeeltjes geeft meer energie vrij dan een waterstofbom van 10 megaton.
Het is om deze reden dat NASA's Advanced Concepts Institute deze technologie mogelijk onderzoekt voor toekomstige missies naar Mars. Helaas, als we naar missies naar nabijgelegen stellaire systemen kijken, groeit de hoeveelheid benodigde brandstof exponentieel en worden de kosten astronomisch (en dit is geen woordspeling).
Volgens een rapport dat is opgesteld voor de 39e AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, zal een tweetraps antimaterie-raket meer dan 815.000 ton brandstof nodig hebben om Proxima Centauri in 40 jaar te bereiken. Het is relatief snel. Maar de prijs …
Hoewel één gram antimaterie een ongelooflijke hoeveelheid energie produceert, zou het produceren van één gram alleen al 25 miljoen miljard kilowattuur energie vereisen en zou neerkomen op een biljoen dollar. Momenteel is de totale hoeveelheid antimaterie die door mensen is aangemaakt minder dan 20 nanogram.
En zelfs als we goedkoop antimaterie zouden kunnen produceren, zouden we een enorm schip nodig hebben dat de vereiste hoeveelheid brandstof zou kunnen bevatten. Volgens een rapport van Dr. Darrell Smith en Jonathan Webby van Embry-Riddle Aviation University in Arizona, zou een antimaterie-aangedreven interstellair schip 0,5 lichtsnelheid kunnen halen en Proxima Centauri bereiken in iets meer dan 8 jaar. Niettemin zou het schip zelf 400 ton wegen en 170 ton antimateriebrandstof nodig hebben.
Een mogelijke manier om dit te omzeilen, is door een vat te maken dat antimaterie aanmaakt en dit vervolgens als brandstof gebruikt. Dit concept, bekend als het Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), werd voorgesteld door Richard Obausi van Icarus Interstellar. Voortbouwend op het idee van herverwerking ter plaatse, zouden de VARIES grote lasers (aangedreven door enorme zonnepanelen) gebruiken om antimaterie deeltjes te creëren wanneer ze in de lege ruimte worden afgeschoten.
Vergelijkbaar met het concept met een thermonucleaire straalmotor, lost dit voorstel het probleem op van het transport van brandstof door het rechtstreeks uit de ruimte te halen. Maar nogmaals, de kosten van zo'n schip zullen extreem hoog zijn als het met onze moderne methoden wordt gebouwd. We kunnen eenvoudigweg niet op grote schaal antimaterie maken. Het stralingsprobleem moet ook worden aangepakt, aangezien de vernietiging van materie en antimaterie uitbarstingen van hoogenergetische gammastralen produceert.
Ze vormen niet alleen een gevaar voor de bemanning, maar ook voor de motor, zodat ze onder invloed van al deze straling niet uit elkaar vallen in subatomaire deeltjes. Kortom, een antimaterie-engine is volkomen onpraktisch met onze huidige technologie.
Alcubierre Warp Drive
Liefhebbers van sciencefiction zijn ongetwijfeld bekend met het concept van de warpaandrijving (of Alcubierre-aandrijving). Dit idee, voorgesteld door de Mexicaanse natuurkundige Miguel Alcubierre in 1994, was een poging om zich onmiddellijke beweging in de ruimte voor te stellen zonder Einsteins speciale relativiteitstheorie te schenden. Kort gezegd houdt dit concept in dat het weefsel van de ruimtetijd wordt uitgerekt tot een golf, waardoor in theorie de ruimte voor het object samentrekt en erachter uitzet.
Een object in deze golf (ons schip) zal in staat zijn om op deze golf te rijden, in een "warp bubble", met een snelheid die veel hoger is dan de relativistische. Omdat het schip niet in de luchtbel zelf beweegt, maar erdoor wordt gedragen, zullen de wetten van relativiteit en ruimte-tijd niet worden overtreden. In feite houdt deze methode geen beweging in die sneller is dan de lichtsnelheid in lokale zin.
Het is alleen "sneller dan het licht" in die zin dat het schip zijn bestemming sneller kan bereiken dan een lichtstraal die buiten de warpbel reist. Ervan uitgaande dat het ruimtevaartuig zal worden uitgerust met het Alcubierre-systeem, zal het Proxima Centauri in minder dan 4 jaar bereiken. Als we het dus hebben over theoretische interstellaire ruimtereizen, is dit verreweg de meest veelbelovende technologie in termen van snelheid.
Dit hele concept is natuurlijk buitengewoon controversieel. Argumenten hiertegen zijn bijvoorbeeld dat het geen rekening houdt met de kwantummechanica en kan worden weerlegd door een theorie van alles (zoals luskwantumzwaartekracht). Berekeningen van de benodigde hoeveelheid energie toonden ook aan dat de warp-aandrijving onbetaalbaar zou zijn. Andere onzekerheden zijn onder meer de veiligheid van een dergelijk systeem, ruimte-tijdeffecten op de bestemming en causaliteitsschendingen.
In 2012 zei NASA-wetenschapper Harold White echter dat hij en zijn collega's de mogelijkheid begonnen te onderzoeken om de Alcubierre-motor te maken. White verklaarde dat ze een interferometer hebben gebouwd die de ruimtelijke vervormingen zal opvangen die worden veroorzaakt door de uitzetting en inkrimping van de ruimtetijd van de Alcubierre-metriek.
In 2013 publiceerde het Jet Propulsion Laboratory de resultaten van warp-veldtesten, die onder vacuümcondities werden uitgevoerd. Helaas werden de resultaten als "niet doorslaggevend" beschouwd. Op de lange termijn kunnen we ontdekken dat de metriek Alcubierre een of meer fundamentele natuurwetten schendt. En zelfs als de fysica correct blijkt te zijn, is er geen garantie dat het Alcubierre-systeem kan worden gebruikt voor vluchten.
Over het algemeen is alles zoals gewoonlijk: je bent te vroeg geboren om naar de dichtstbijzijnde ster te reizen. Niettemin, als de mensheid de behoefte voelt om een "interstellaire ark" te bouwen die een zichzelf in stand houdende menselijke samenleving zal huisvesten, zal het honderd jaar duren om Proxima Centauri te bereiken. Als we natuurlijk in zo'n evenement willen investeren.
In termen van tijd lijken alle beschikbare methoden extreem beperkt. En als we honderdduizenden jaren doorbrengen met het reizen naar de dichtstbijzijnde ster, zijn we misschien van weinig belang, als onze eigen overleving op het spel staat, zullen de methoden naarmate de ruimtetechnologie vordert buitengewoon onpraktisch blijven. Tegen de tijd dat onze ark de dichtstbijzijnde ster bereikt, zullen zijn technologieën verouderd raken en bestaat de mensheid zelf misschien niet meer.
Dus tenzij we een grote doorbraak maken in fusie-, antimaterie- of lasertechnologie, zullen we tevreden zijn met het verkennen van ons eigen zonnestelsel.
Gebaseerd op materialen van Universe Today
- Deel 1 -