- Parte 1 -
Se utilizzi la tecnologia esistente, ci vorrà molto, molto tempo per inviare scienziati e astronauti in una missione interstellare. Il viaggio sarà dolorosamente lungo (anche per gli standard cosmici). Se vogliamo fare un viaggio del genere in almeno una vita, beh, o una generazione, abbiamo bisogno di misure più radicali (leggi: puramente teoriche). E se i wormhole ei motori subspaziali sono assolutamente fantastici al momento, ci sono altre idee da molti anni in cui crediamo.
Centrale nucleare
Una centrale nucleare è un "motore" teoricamente possibile per viaggi spaziali veloci. Il concetto fu originariamente proposto da Stanislav Ulam nel 1946, un matematico polacco-americano che prese parte al Progetto Manhattan, e nel 1947 F. Reines e Ulam fecero calcoli preliminari. Il progetto Orion è stato lanciato nel 1958 ed è esistito fino al 1963.
Guidato da Ted Taylor della General Atomics e dal fisico Freeman Dyson dell'Institute for Advanced Study di Princeton, Orion avrebbe sfruttato la potenza delle esplosioni nucleari pulsate per fornire un'enorme spinta con un impulso specifico molto elevato.
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In poche parole, il progetto Orion include un grande veicolo spaziale che prende velocità supportando testate termonucleari, espellendo bombe dietro e accelerando con un'esplosione che viaggia in uno spintore montato sul retro, un pannello propulsore. Dopo ogni spinta, la forza dell'esplosione viene assorbita da questo pannello e convertita in movimento in avanti.
Sebbene questo design sia difficilmente elegante per gli standard moderni, il vantaggio del concetto è che fornisce un'elevata spinta specifica, ovvero estrae la massima quantità di energia da una fonte di combustibile (in questo caso, bombe nucleari) a un costo minimo. Inoltre, questo concetto può teoricamente accelerare velocità molto elevate, secondo alcune stime, fino al 5% della velocità della luce (5,4 x 107 km / h).
Naturalmente, questo progetto ha inevitabili svantaggi. Da un lato, una nave di queste dimensioni sarebbe estremamente costosa da costruire. Nel 1968, Dyson ha stimato che la navicella spaziale Orion, alimentata da bombe all'idrogeno, peserebbe tra 400.000 e 4.000.000 di tonnellate. E almeno tre quarti di quel peso proverrà dalle bombe nucleari, ciascuna del peso di circa una tonnellata.
La stima prudente di Dyson ha mostrato che il costo totale della costruzione di Orion sarebbe stato di $ 367 miliardi. Adeguato all'inflazione, questo importo è di $ 2,5 trilioni, che è un bel po '. Anche con le stime più prudenti, il dispositivo sarà estremamente costoso da produrre.
C'è anche un piccolo problema di radiazioni che emetterà, per non parlare delle scorie nucleari. Si ritiene che questo sia il motivo per cui il progetto è stato annullato in base al trattato di divieto parziale dei test del 1963, quando i governi mondiali cercarono di limitare i test nucleari e fermare l'eccessivo rilascio di ricadute radioattive nell'atmosfera del pianeta.
Razzi a fusione nucleare
Un'altra possibilità di utilizzare l'energia nucleare sono le reazioni termonucleari per generare spinta. In questo concetto, l'energia deve essere creata mediante confinamento inerziale accendendo palline di una miscela di deuterio ed elio-3 in una camera di reazione utilizzando fasci di elettroni (simile a quanto viene fatto al National Ignition Complex in California). Un tale reattore a fusione farebbe esplodere 250 pellet al secondo, creando un plasma ad alta energia, che verrebbe quindi reindirizzato in un ugello, creando una spinta.
Come un razzo che si basa su un reattore nucleare, questo concetto presenta vantaggi in termini di efficienza del carburante e impulso specifico. La velocità stimata dovrebbe raggiungere i 10.600 km / h, ben al di sopra dei limiti di velocità dei razzi convenzionali. Inoltre, questa tecnologia è stata ampiamente studiata negli ultimi decenni e sono state avanzate molte proposte.
Ad esempio, tra il 1973 e il 1978, la British Interplanetary Society ha intrapreso uno studio di fattibilità per il progetto Daedalus. Attingendo alla moderna conoscenza e tecnologia della fusione termonucleare, gli scienziati hanno chiesto la costruzione di una sonda scientifica senza equipaggio a due stadi che potrebbe raggiungere la stella di Barnard (5,9 anni luce dalla Terra) nel corso della vita umana.
Il primo stadio, il più grande dei due, durerà 2,05 anni e accelererà il velivolo al 7,1% della velocità della luce. Quindi questa fase viene scartata, la seconda viene accesa e l'apparato accelera al 12% della velocità della luce in 1,8 anni. Quindi il motore del secondo stadio si spegne e la nave vola da 46 anni.
Il progetto Daedalus stima che la missione impiegherà 50 anni per raggiungere la stella di Barnard. Se a Proxima Centauri, la stessa nave arriverà tra 36 anni. Ma, ovviamente, il progetto include molte questioni irrisolte, in particolare irrisolvibili con l'uso delle moderne tecnologie, e la maggior parte di esse non è stata ancora risolta.
Ad esempio, non c'è praticamente elio-3 sulla Terra, il che significa che dovrà essere estratto altrove (molto probabilmente sulla Luna). In secondo luogo, la reazione che guida il velivolo richiede che l'energia emessa sia molto maggiore dell'energia spesa per innescare la reazione. E sebbene gli esperimenti sulla Terra abbiano già superato il "punto di pareggio", siamo ancora lontani dalla quantità di energia che può alimentare un veicolo interstellare.
Terzo, resta la questione del costo di una nave del genere. Anche per i modesti standard di un veicolo senza pilota Project Daedalus, un veicolo completamente equipaggiato peserebbe 60.000 tonnellate. Solo così sai, il peso lordo dello SLS della NASA è di poco più di 30 tonnellate e il solo lancio costerà 5 miliardi di dollari (stime del 2013).
In breve, un razzo a fusione non solo sarà troppo costoso da costruire, ma richiederà anche un livello di reattore a fusione ben oltre le nostre capacità. Icarus Interstellar, un'organizzazione internazionale di scienziati civili (alcuni dei quali hanno lavorato per la NASA o l'ESA), sta cercando di rivitalizzare il concetto con il progetto Icarus. Il gruppo riunito nel 2009 spera di rendere possibile il movimento fusion (e altri) per il prossimo futuro.
Ramjet termonucleare
Conosciuto anche come Bussard ramjet, il motore è stato proposto per la prima volta dal fisico Robert Bussard nel 1960. In sostanza, è un miglioramento di un razzo termonucleare standard che utilizza campi magnetici per comprimere il combustibile a idrogeno fino al punto di fusione. Ma nel caso di un motore ramjet, un enorme imbuto elettromagnetico aspira l'idrogeno dal mezzo interstellare e lo riversa nel reattore come combustibile.
Quando il veicolo prende velocità, la massa reattiva entra nel campo magnetico confinante, che lo comprime prima che inizi la fusione. Il campo magnetico quindi dirige l'energia nell'ugello del razzo, accelerando la nave. Poiché nessun serbatoio di carburante lo rallenterà, un ramjet termonucleare può raggiungere velocità dell'ordine del 4% della luce e andare ovunque nella galassia.
Tuttavia, questa missione presenta molti possibili svantaggi. Ad esempio, il problema dell'attrito. Il veicolo spaziale fa affidamento su tassi di raccolta del carburante elevati, ma si scontrerà anche con grandi quantità di idrogeno interstellare e perderà velocità, specialmente nelle regioni dense della galassia. In secondo luogo, non c'è molto deuterio e trizio (che sono usati nei reattori sulla Terra) nello spazio e la sintesi dell'idrogeno ordinario, che è abbondante nello spazio, è ancora fuori dal nostro controllo.
Tuttavia, la fantascienza ha imparato ad amare questo concetto. L'esempio più famoso è forse il franchise di Star Trek, che utilizza i Bussard Collectors. In realtà, la nostra comprensione dei reattori a fusione non è neanche lontanamente perfetta come vorremmo.
Vela laser
Le vele solari sono state a lungo considerate un modo efficace per conquistare il sistema solare. Oltre ad essere relativamente semplici ed economici da realizzare, hanno un grande vantaggio: non hanno bisogno di carburante. Invece di usare razzi che hanno bisogno di carburante, la vela usa la pressione della radiazione delle stelle per spingere specchi ultrasottili ad alte velocità.
Tuttavia, nel caso di un volo interstellare, una tale vela dovrebbe essere spinta da fasci di energia focalizzati (laser o microonde) per accelerare quasi alla velocità della luce. Il concetto è stato proposto per la prima volta da Robert Forward nel 1984, un fisico presso l'Hughes Aircraft Laboratory.
La sua idea conserva i vantaggi di una vela solare in quanto non richiede carburante a bordo e inoltre che l'energia laser non viene dispersa su una distanza allo stesso modo della radiazione solare. Pertanto, mentre la vela laser impiegherà un po 'di tempo per accelerare fino a raggiungere la velocità prossima alla luce, sarà successivamente limitata solo dalla velocità della luce stessa.
Secondo uno studio del 2000 di Robert Frisbee, direttore della ricerca avanzata sulla propulsione presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, una vela laser raggiungerebbe la metà della velocità della luce in meno di dieci anni. Ha anche calcolato che una vela con un diametro di 320 chilometri potrebbe raggiungere Proxima Centauri in 12 anni. Nel frattempo, una vela di 965 chilometri di diametro arriverà in soli 9 anni.
Tuttavia, una tale vela dovrà essere costruita con materiali compositi avanzati per evitare la fusione. Il che sarà particolarmente difficile date le dimensioni della vela. Il costo è anche peggiore. Secondo Frisbee, i laser avranno bisogno di un flusso costante di 17.000 terawatt di energia, all'incirca quanto il mondo intero consuma in un giorno.
Motore antimateria
Gli amanti della fantascienza sanno bene cos'è l'antimateria. Ma se hai dimenticato, l'antimateria è una sostanza composta da particelle che hanno la stessa massa delle particelle ordinarie, ma con la carica opposta. Un motore antimateria è un motore ipotetico che si basa sulle interazioni tra materia e antimateria per generare energia o creare spinta.
In breve, un motore antimateria utilizza particelle di idrogeno e antiidrogeno che entrano in collisione tra loro. L'energia rilasciata nel processo di annientamento è paragonabile in volume all'energia dell'esplosione di una bomba termonucleare accompagnata da un flusso di particelle subatomiche - pioni e muoni. Queste particelle, che viaggiano a un terzo della velocità della luce, vengono reindirizzate nell'ugello magnetico e generano spinta.
Il vantaggio di questa classe di razzi è che la maggior parte della massa della miscela materia / antimateria può essere convertita in energia, che fornisce un'elevata densità di energia e un impulso specifico superiore a qualsiasi altro razzo. Inoltre, la reazione di annientamento può accelerare il razzo a metà della velocità della luce.
Questa classe di missili sarà la più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico possibile (o impossibile, ma proposta). Se i razzi chimici convenzionali richiedono tonnellate di carburante per spingere un veicolo spaziale fino alla sua destinazione, un motore antimateria farà lo stesso lavoro utilizzando pochi milligrammi di carburante. La distruzione reciproca di mezzo chilogrammo di particelle di idrogeno e antiidrogeno rilascia più energia di una bomba all'idrogeno da 10 megatoni.
È per questo motivo che l'Advanced Concepts Institute della NASA sta studiando questa tecnologia possibile per future missioni su Marte. Sfortunatamente, quando si esaminano le missioni ai sistemi stellari vicini, la quantità di carburante necessaria cresce in modo esponenziale ei costi diventano astronomici (e questo non è un gioco di parole).
Secondo un rapporto preparato per la 39a conferenza e mostra congiunta di propulsione AIAA / ASME / SAE / ASEE, un razzo antimateria a due stadi richiederà più di 815.000 tonnellate di carburante per raggiungere Proxima Centauri in 40 anni. È relativamente veloce. Ma il prezzo …
Sebbene un grammo di antimateria produca una quantità incredibile di energia, produrre un grammo da solo richiederebbe 25 milioni di miliardi di kilowattora di energia e ammonterebbe a un trilione di dollari. Attualmente, la quantità totale di antimateria creata dall'uomo è inferiore a 20 nanogrammi.
E anche se potessimo produrre antimateria a basso costo, avremmo bisogno di una nave enorme che potrebbe contenere la quantità richiesta di carburante. Secondo un rapporto del dottor Darrell Smith e Jonathan Webby della Embry-Riddle Aviation University in Arizona, una nave interstellare alimentata da antimateria potrebbe raggiungere 0,5 velocità della luce e raggiungere Proxima Centauri in poco più di 8 anni. Tuttavia, la nave stessa peserebbe 400 tonnellate e richiederebbe 170 tonnellate di combustibile antimateria.
Un modo possibile per aggirare questo problema è creare una nave che creerà antimateria e quindi utilizzarla come carburante. Questo concetto, noto come Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), è stato proposto da Richard Obausi di Icarus Interstellar. Basandosi sull'idea del ritrattamento in loco, i VARIES utilizzerebbero grandi laser (alimentati da enormi pannelli solari) per creare particelle di antimateria quando sparati nello spazio vuoto.
Simile al concetto con un motore ramjet termonucleare, questa proposta risolve il problema del trasporto del carburante estraendolo direttamente dallo spazio. Ma ancora una volta, il costo di una nave del genere sarà estremamente alto se costruita con i nostri metodi moderni. Semplicemente non possiamo creare antimateria su vasta scala. Anche il problema delle radiazioni deve essere affrontato, poiché l'annientamento della materia e dell'antimateria produce esplosioni di raggi gamma ad alta energia.
Non solo rappresentano un pericolo per l'equipaggio, ma anche per il motore, in modo che non cadano a pezzi in particelle subatomiche sotto l'influenza di tutte queste radiazioni. In breve, un motore antimateria è completamente poco pratico con la nostra tecnologia attuale.
Alcubierre Warp Drive
Gli amanti della fantascienza hanno senza dubbio familiarità con il concetto di motore a curvatura (o unità di Alcubierre). Proposta dal fisico messicano Miguel Alcubierre nel 1994, questa idea era un tentativo di immaginare il movimento istantaneo nello spazio senza violare la teoria della relatività speciale di Einstein. In breve, questo concetto implica l'allungamento del tessuto dello spaziotempo in un'onda, che teoricamente causerebbe la contrazione dello spazio davanti all'oggetto e l'espansione dietro di esso.
Un oggetto all'interno di questa onda (la nostra nave) potrà cavalcare su quest'onda, trovandosi in una "bolla di curvatura", ad una velocità molto superiore a quella relativistica. Poiché la nave non si muove nella bolla stessa, ma è trasportata da essa, le leggi della relatività e dello spazio-tempo non saranno violate. In realtà, questo metodo non prevede movimenti più veloci della velocità della luce in senso locale.
È "più veloce della luce" solo nel senso che la nave può raggiungere la sua destinazione più velocemente di un raggio di luce che viaggia fuori dalla bolla di curvatura. Supponendo che il veicolo spaziale sarà equipaggiato con il sistema Alcubierre, raggiungerà Proxima Centauri in meno di 4 anni. Pertanto, se parliamo di viaggi spaziali interstellari teorici, questa è di gran lunga la tecnologia più promettente in termini di velocità.
Naturalmente, l'intero concetto è estremamente controverso. Gli argomenti contro, ad esempio, includono che non prende in considerazione la meccanica quantistica e può essere confutato da una teoria del tutto (come la gravità quantistica a loop). I calcoli della quantità di energia richiesta hanno anche mostrato che il motore a curvatura sarebbe proibitivamente vorace. Altre incertezze includono la sicurezza di un tale sistema, effetti spazio-temporali nella destinazione e violazioni di causalità.
Tuttavia, nel 2012, lo scienziato della NASA Harold White ha affermato che lui ei suoi colleghi hanno iniziato a esplorare la possibilità di creare il motore Alcubierre. White ha dichiarato di aver costruito un interferometro che catturerà le distorsioni spaziali prodotte dall'espansione e dalla contrazione dello spaziotempo della metrica di Alcubierre.
Nel 2013, il Jet Propulsion Laboratory ha pubblicato i risultati dei test sul campo di curvatura, condotti in condizioni di vuoto. Sfortunatamente, i risultati sono stati considerati "inconcludenti". A lungo andare, potremmo scoprire che la metrica di Alcubierre viola una o più leggi fondamentali della natura. E anche se la sua fisica risulta corretta, non vi è alcuna garanzia che il sistema Alcubierre possa essere utilizzato per il volo.
In generale, tutto è come al solito: sei nato troppo presto per viaggiare verso la stella più vicina. Tuttavia, se l'umanità sente il bisogno di costruire una "arca interstellare" che ospiterà una società umana autosufficiente, ci vorranno cento anni per arrivare a Proxima Centauri. Se, ovviamente, vogliamo investire in un evento del genere.
In termini di tempo, tutti i metodi disponibili sembrano estremamente limitati. E se trascorriamo centinaia di migliaia di anni viaggiando verso la stella più vicina, potremmo essere di scarso interesse quando è in gioco la nostra stessa sopravvivenza, poiché con l'avanzare della tecnologia spaziale i metodi rimarranno estremamente poco pratici. Quando la nostra arca raggiungerà la stella più vicina, le sue tecnologie diventeranno obsolete e l'umanità stessa potrebbe non esistere più.
Quindi, a meno che non facciamo un importante passo avanti nella fusione, nell'antimateria o nella tecnologia laser, ci accontenteremo di esplorare il nostro sistema solare.
Basato su materiali di Universe Today
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