Können Wir Einen Interstellaren Flug Nur Mit Der Uns Bekannten Physik Erreichen? - Alternative Ansicht

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Video: ECHTE Möglichkeiten für interstellares Reisen! 2024, March
Anonim

Der Autor des Artikels berichtet ausführlich über vier vielversprechende Technologien, die Menschen die Möglichkeit geben, während eines menschlichen Lebens jeden Ort im Universum zu erreichen. Zum Vergleich: Mit dem Einsatz moderner Technologie wird der Weg zu einem anderen Sternensystem etwa 100.000 Jahre dauern.

Seit der Mensch zum ersten Mal in den Nachthimmel geschaut hat, träumen wir davon, andere Welten zu besuchen und das Universum zu sehen. Und obwohl unsere mit Chemikalien betriebenen Raketen bereits viele Planeten, Monde und andere Körper im Sonnensystem erreicht haben, legte das von der Erde am weitesten entfernte Raumschiff Voyager 1 nur 22,3 Milliarden Kilometer zurück. Dies sind nur 0,056% der Entfernung zum nächsten bekannten Sternensystem. Mit moderner Technologie wird der Weg zu einem anderen Sternensystem etwa 100.000 Jahre dauern.

Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, so zu handeln, wie wir es immer getan haben. Die Effizienz des Sendens von Fahrzeugen mit einer großen Nutzlastmasse, selbst mit Menschen an Bord, über beispiellose Entfernungen im Universum kann erheblich verbessert werden, wenn die richtige Technologie verwendet wird. Insbesondere gibt es vier vielversprechende Technologien, mit denen wir in viel kürzerer Zeit zu den Sternen gelangen können. Hier sind sie.

1). Nukleartechnik. Bisher haben alle in den Weltraum gestarteten Raumschiffe eines gemeinsam: einen chemisch betriebenen Motor. Ja, Raketentreibstoff ist eine spezielle Mischung von Chemikalien, die für maximalen Schub ausgelegt sind. Der Ausdruck "Chemikalien" ist hier wichtig. Die Reaktionen, die dem Motor Energie geben, basieren auf der Umverteilung von Bindungen zwischen Atomen.

Dies schränkt unser Handeln grundlegend ein! Die überwiegende Mehrheit der Masse eines Atoms fällt auf seinen Kern - 99,95%. Wenn eine chemische Reaktion beginnt, werden die Elektronen, die sich um die Atome drehen, neu verteilt und setzen normalerweise etwa 0,0001% der Gesamtmasse der an der Reaktion beteiligten Atome als Energie frei, gemäß Einsteins berühmter Gleichung: E = mc2. Dies bedeutet, dass Sie für jedes Kilogramm Kraftstoff, das während der Reaktion in die Rakete geladen wird, Energie erhalten, die etwa 1 Milligramm entspricht.

Wenn jedoch nuklear betriebene Raketen eingesetzt werden, wird sich die Situation dramatisch ändern. Anstatt sich auf Änderungen in der Konfiguration der Elektronen und der Bindung der Atome zu verlassen, können Sie eine relativ große Energiemenge freisetzen, indem Sie beeinflussen, wie die Atomkerne miteinander verbunden sind. Wenn Sie ein Uranatom spalten, indem Sie es mit Neutronen beschießen, gibt es viel mehr Energie ab als jede chemische Reaktion. 1 Kilogramm Uran-235 kann eine Energiemenge freisetzen, die 911 Milligramm Masse entspricht und fast tausendmal effizienter ist als chemischer Kraftstoff.

Wir könnten Motoren noch effizienter machen, wenn wir die Kernfusion beherrschen würden. Beispielsweise tritt bei einem System der trägheitsgesteuerten thermonuklearen Fusion, mit dessen Hilfe Wasserstoff zu Helium synthetisiert werden könnte, eine solche Kettenreaktion an der Sonne auf. Die Synthese von 1 Kilogramm Wasserstoffbrennstoff zu Helium wandelt 7,5 Kilogramm Masse in reine Energie um, die fast zehntausendmal effizienter ist als chemischer Brennstoff.

Die Idee ist, die gleiche Beschleunigung für eine Rakete über einen viel längeren Zeitraum zu erhalten: hunderte oder sogar tausende Male länger als jetzt, wodurch sie sich hunderte oder tausende Male schneller entwickeln könnten als herkömmliche Raketen heute. Ein solches Verfahren würde die Zeit des interstellaren Fluges auf Hunderte oder sogar Dutzende von Jahren reduzieren. Dies ist eine vielversprechende Technologie, die wir je nach Tempo und Richtung der wissenschaftlichen Entwicklung bis 2100 einsetzen können.

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2). Ein Strahl kosmischer Laser. Diese Idee steht im Mittelpunkt des Breakthrough Starshot-Projekts, das vor einigen Jahren an Bedeutung gewonnen hat. Im Laufe der Jahre hat das Konzept nicht an Attraktivität verloren. Während eine konventionelle Rakete Treibstoff mit sich führt und zum Beschleunigen verwendet, ist die Schlüsselidee dieser Technologie ein Strahl leistungsstarker Laser, die dem Raumschiff den notwendigen Impuls geben. Mit anderen Worten, die Beschleunigungsquelle wird vom Schiff selbst entkoppelt.

Dieses Konzept ist in vielerlei Hinsicht aufregend und revolutionär. Lasertechnologien entwickeln sich erfolgreich und werden nicht nur leistungsfähiger, sondern auch stark kollimiert. Wenn wir also ein segelartiges Material erzeugen, das einen ausreichend hohen Prozentsatz an Laserlicht reflektiert, können wir einen Laserschuss verwenden, um das Raumschiff kolossale Geschwindigkeiten entwickeln zu lassen. Ein "Raumschiff" mit einem Gewicht von ~ 1 Gramm wird voraussichtlich eine Geschwindigkeit von ~ 20% der Lichtgeschwindigkeit erreichen, wodurch es in nur 22 Jahren zum nächsten Stern, Proxima Centauri, fliegen kann.

Dazu müssen wir natürlich einen riesigen Laserstrahl (ca. 100 km2) erzeugen, und dies muss im Weltraum erfolgen, obwohl dies eher ein Kostenproblem als Technologie oder Wissenschaft ist. Es gibt jedoch eine Reihe von Problemen, die überwunden werden müssen, um ein solches Projekt durchführen zu können. Unter ihnen:

  • Wenn sich ein nicht unterstütztes Segel dreht, ist eine Art (noch nicht entwickelter) Stabilisierungsmechanismus erforderlich.
  • die Unfähigkeit zu bremsen, wenn der Zielpunkt erreicht ist, da kein Kraftstoff an Bord ist;
  • Selbst wenn sich herausstellt, dass das Gerät für den Transport von Personen skaliert werden kann, kann eine Person mit einer enormen Beschleunigung nicht überleben - ein signifikanter Geschwindigkeitsunterschied in kurzer Zeit.

Vielleicht kann uns die Technologie eines Tages zu den Sternen bringen, aber es gibt keine erfolgreiche Methode für eine Person, um eine Geschwindigkeit zu erreichen, die ~ 20% der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

3). Antimaterie-Kraftstoff. Wenn wir immer noch Kraftstoff mitnehmen wollen, können wir ihn so effizient wie möglich gestalten: Er basiert auf der Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen. Im Gegensatz zu chemischen oder nuklearen Brennstoffen, bei denen nur ein Bruchteil der Masse an Bord in Energie umgewandelt wird, verbraucht die Partikel-Antiteilchen-Vernichtung 100% der Masse sowohl von Partikeln als auch von Antiteilchen. Die Fähigkeit, den gesamten Kraftstoff in gepulste Energie umzuwandeln, ist das höchste Maß an Kraftstoffeffizienz.

Bei der praktischen Anwendung dieser Methode treten in drei Hauptbereichen Schwierigkeiten auf. Speziell:

  • Schaffung einer stabilen neutralen Antimaterie;
  • die Fähigkeit, es von gewöhnlicher Materie zu isolieren und genau zu kontrollieren;
  • produzieren Antimaterie in ausreichenden Mengen für den interstellaren Flug.

Glücklicherweise wird an den ersten beiden Themen bereits gearbeitet.

Die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN), in der sich der Large Hadron Collider befindet, verfügt über einen riesigen Komplex, der als "Antimateriefabrik" bekannt ist. Dort untersuchen sechs unabhängige Wissenschaftlerteams die Eigenschaften von Antimaterie. Sie nehmen Antiprotonen und verlangsamen sie, wodurch das Positron gezwungen wird, sich an sie zu binden. So entstehen Antiatome oder neutrale Antimaterie.

Sie isolieren diese Antiatome in einem Behälter mit unterschiedlichen elektrischen und magnetischen Feldern, die sie an Ort und Stelle halten, weg von den Wänden eines Behälters aus Materie. Bis Mitte 2020 haben sie mehrere Antiatome erfolgreich für jeweils eine Stunde isoliert und stabilisiert. In den nächsten Jahren werden Wissenschaftler in der Lage sein, die Bewegung von Antimaterie im Gravitationsfeld zu steuern.

Diese Technologie wird uns in naher Zukunft nicht zur Verfügung stehen, aber es kann sich herausstellen, dass unsere schnellste Art des interstellaren Reisens eine Antimaterie-Rakete ist.

4). Raumschiff auf dunkler Materie. Diese Option beruht sicherlich auf der Annahme, dass sich jedes für dunkle Materie verantwortliche Teilchen wie ein Boson verhält und ein eigenes Antiteilchen ist. Theoretisch hat dunkle Materie, die ihr eigenes Antiteilchen ist, eine kleine, aber nicht null Chance, sich mit jedem anderen Teilchen dunkler Materie zu vernichten, das mit ihr kollidiert. Wir können möglicherweise die Energie nutzen, die durch die Kollision freigesetzt wird.

Dafür gibt es mögliche Beweise. Als Ergebnis von Beobachtungen wurde festgestellt, dass die Milchstraße und andere Galaxien einen unerklärlichen Überschuss an Gammastrahlung aufweisen, der von ihren Zentren kommt, in denen die Konzentration der dunklen Energie am höchsten sein sollte. Es besteht immer die Möglichkeit, dass es dafür eine einfache astrophysikalische Erklärung gibt, zum Beispiel Pulsare. Es ist jedoch möglich, dass dies immer noch dunkle Materie ist, die sich im Zentrum der Galaxie mit sich selbst vernichtet und uns so eine unglaubliche Idee gibt - ein Raumschiff auf dunkler Materie.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass dunkle Materie buchstäblich überall in der Galaxie existiert. Dies bedeutet, dass wir auf der Reise keinen Kraftstoff mitnehmen müssen. Stattdessen kann der "Reaktor" der dunklen Energie einfach Folgendes tun:

  • nimm jede dunkle Materie, die in der Nähe ist;
  • beschleunigen ihre Vernichtung oder lassen es auf natürliche Weise vernichten;
  • Leiten Sie die empfangene Energie um, um Impuls in eine beliebige Richtung zu gewinnen.

Ein Mensch könnte die Größe und Leistung des Reaktors steuern, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Ohne die Notwendigkeit von Kraftstoff an Bord werden viele der Probleme der antriebsgetriebenen Raumfahrt verschwinden. Stattdessen können wir den geschätzten Traum jeder Reise verwirklichen - unbegrenzte konstante Beschleunigung. Dies gibt uns die undenkbarste Fähigkeit - die Fähigkeit, während eines menschlichen Lebens jeden Ort im Universum zu erreichen.

Wenn wir uns auf bestehende Raketentechnologien beschränken, brauchen wir mindestens Zehntausende von Jahren, um von der Erde zum nächsten Sternensystem zu gelangen. Wesentliche Fortschritte in der Motorentechnologie sind jedoch in greifbarer Nähe und verkürzen die Fahrzeiten auf ein menschliches Leben. Wenn wir mit der Verwendung von Kernbrennstoff, kosmischen Laserstrahlen, Antimaterie oder sogar dunkler Materie umgehen können, werden wir unseren eigenen Traum erfüllen und eine Weltraumzivilisation werden, ohne disruptive Technologien wie Warp-Antriebe einzusetzen.

Es gibt viele Möglichkeiten, wissenschaftlich fundierte Ideen in realisierbare Motorentechnologien der nächsten Generation umzusetzen. Es ist durchaus möglich, dass bis zum Ende des Jahrhunderts ein Raumschiff, das noch nicht erfunden wurde, den Platz von New Horizons, Pioneer und Voyager als die am weitesten entfernten künstlichen Objekte von der Erde einnehmen wird. Die Wissenschaft ist bereits bereit. Es bleibt uns überlassen, über unsere derzeitige Technologie hinauszuschauen und diesen Traum zu verwirklichen.

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