Es posible el vuelo tripulado a otras estrellas. Viaje interestelar: ¿una quimera o una perspectiva real? Y aún más rápido
Cualquier cosa llamada "driver warp" suena más a Star Trek que a la NASA. La idea detrás del motor warp de Alcubierre es que podría ser una posible solución (o al menos el comienzo de una búsqueda) para superar las limitaciones del universo en cuanto a viajes más rápidos que la luz.
Los conceptos básicos de esta idea son bastante simples y la NASA utiliza el ejemplo de una cinta de correr para explicarla. Aunque una persona puede moverse a una velocidad finita en una cinta de correr, la velocidad combinada de la persona y la cinta de correr significa que el final estará más cerca de lo que estaría en una cinta de correr normal. Una cinta de correr es precisamente aquella que se mueve a través del espacio-tiempo en una especie de burbuja de expansión. Frente al motor warp, el espacio-tiempo está comprimido. Detrás de él se expande. En teoría, esto permite que el motor impulse a los pasajeros a más velocidad que la velocidad de la luz. Se cree que uno de los principios clave asociados con la expansión del espacio-tiempo permitió que el Universo se expandiera rápidamente momentos después del Big Bang. En teoría, la idea debería ser bastante factible.
Es terrible cuando no hay Internet en la Tierra y no puedes descargar Google Maps en tu teléfono inteligente. Durante los vuelos interestelares sin él será aún peor. Ir al espacio es sólo el primer paso; los científicos ya están empezando a preguntarse qué hacer cuando nuestras sondas tripuladas y no tripuladas necesiten transmitir mensajes a la Tierra.
En 2008, la NASA realizó las primeras pruebas exitosas de una versión interestelar de Internet. El proyecto comenzó en 1998 como parte de una asociación entre el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA y Google. Diez años más tarde, los socios dispusieron de un sistema de redes tolerantes a las disrupciones (DTN), que les permite enviar imágenes a una nave espacial a 30 millones de kilómetros de distancia.
La tecnología debe ser capaz de hacer frente a grandes retrasos e interrupciones en las transmisiones, de modo que pueda continuar transmitiendo incluso si la señal se interrumpe durante 20 minutos. Puede atravesar, entre o atravesar todo, desde erupciones solares y tormentas solares hasta molestos planetas que podrían estar en el camino de los datos, sin perder ninguna información.
Según Vint Cerf, uno de los fundadores de nuestra Internet terrestre y pionero de la interestelar, el sistema DTN supera todos los problemas que afectan al protocolo tradicional TCIP/IP cuando necesita operar a largas distancias a escala cósmica. Con TCIP/IP, una búsqueda en Google en Marte llevará tanto tiempo que los resultados cambiarán mientras se procesa la consulta y parte de la información se perderá en el resultado. Con DTN, los ingenieros agregaron algo completamente nuevo: la capacidad de asignar diferentes nombres de dominio a diferentes planetas y elegir en qué planeta desea buscar en Internet.
¿Qué pasa si viajamos a planetas que aún no conocemos? Scientific American sugiere que puede haber una manera, aunque muy costosa y que requiere mucho tiempo, de llevar Internet a Alpha Centauri. Lanzando una serie de sondas von Neumann autorreplicantes, es posible crear una larga serie de estaciones repetidoras que puedan enviar información a lo largo del circuito interestelar. Una señal nacida en nuestro sistema viajará a través de las sondas y llegará a Alfa Centauri, y viceversa. Es cierto que se necesitarán muchas sondas, cuya construcción y lanzamiento costarán miles de millones. Y en general, dado que la sonda más lejana tendrá que recorrer su camino durante miles de años, se puede suponer que durante este tiempo cambiarán no solo las tecnologías, sino también el costo total del evento. No nos apresuremos.
Colonización embrionaria del espacio.
Uno de los mayores problemas de los viajes interestelares (y de la colonización en general) es la cantidad de tiempo que lleva llegar a cualquier parte, incluso con algunos motores warp bajo la manga. La tarea misma de llevar a un grupo de colonos a su destino genera muchos problemas, por lo que nacen propuestas para enviar no un grupo de colonos con una tripulación completa, sino un barco lleno de embriones, las semillas del futuro. De la humanidad. Una vez que el barco alcanza la distancia requerida hasta su destino, los embriones congelados comienzan a crecer. Luego salen con niños que crecen en el barco, y cuando finalmente llegan a su destino, tienen todas las habilidades para concebir una nueva civilización.
Evidentemente, todo esto, a su vez, plantea un montón de preguntas, como quién se encargará del cultivo de embriones y cómo. Los robots podrían criar personas, pero ¿cómo serán las personas criadas por robots? ¿Podrán los robots comprender lo que un niño necesita para crecer y prosperar? ¿Podrán comprender los castigos y las recompensas, las emociones humanas? Y, en general, queda por ver cómo mantener intactos los embriones congelados durante cientos de años y cómo cultivarlos en un entorno artificial.
Una solución propuesta que podría solucionar los problemas de una niñera robot sería crear una combinación de una nave con embriones y una nave con animación suspendida en la que los adultos duerman, listos para despertarse cuando tengan que criar a los niños. Una sucesión de años de crianza infantil junto con un regreso a la hibernación podría, en teoría, conducir a una población estable. Un lote de embriones cuidadosamente creado puede proporcionar la diversidad genética que permitirá mantener a la población en un estado más o menos estable una vez que se establezca la colonia. También se puede incluir un lote adicional en un barco con embriones, lo que diversificará aún más el acervo genético.
Sondas von Neumann
Todo lo que construimos y enviamos al espacio inevitablemente conlleva sus propios desafíos, y hacer algo que pueda viajar millones de millas sin quemarse, desmoronarse o desvanecerse parece una tarea completamente imposible. Sin embargo, es posible que la solución a este problema se haya encontrado hace décadas. En la década de 1940, el físico John von Neumann propuso una tecnología mecánica que se reproduciría a sí misma y, aunque su idea no tenía nada que ver con los viajes interestelares, inevitablemente condujo a ellos. Como resultado, las sondas von Neumann podrían, en teoría, utilizarse para explorar vastas regiones interestelares. Según algunos investigadores, la idea de que todo esto nos llegó primero no sólo es pomposa, sino también improbable.
Científicos de la Universidad de Edimburgo publicaron un artículo en el International Journal of Astrobiology, en el que exploraban no sólo la posibilidad de crear dicha tecnología para sus propias necesidades, sino también la probabilidad de que alguien ya lo haya hecho. Basándose en cálculos previos que mostraban hasta dónde podría viajar una nave utilizando diferentes modos de propulsión, los científicos estudiaron cómo cambiaría esta ecuación cuando se aplicara a naves y sondas autorreplicantes.
Los cálculos de los científicos se centraron en sondas autorreplicantes que podrían utilizar desechos y otros materiales espaciales para construir sondas jóvenes. Las sondas madre e hija se multiplicarían tan rápidamente que cubrirían toda la galaxia en sólo 10 millones de años, y eso si viajaran al 10% de la velocidad de la luz. Sin embargo, esto significaría que en algún momento deberíamos haber sido visitados por algunas sondas similares. Como no los hemos visto, se puede encontrar una explicación conveniente: o no estamos lo suficientemente avanzados tecnológicamente para saber dónde buscar, o .
Tirachinas con agujero negro
La idea de utilizar la gravedad de un planeta o luna para disparar, como si fuera una honda, fue adoptada en nuestro sistema solar más de una o dos veces, sobre todo por la Voyager 2, que recibió un empujón adicional primero de Saturno y luego de Urano en su salida del sistema. La idea consiste en maniobrar la nave, permitiéndole aumentar (o disminuir) su velocidad a medida que avanza a través del campo gravitacional del planeta. A los escritores de ciencia ficción les encanta especialmente esta idea.
El escritor Kip Thorne propuso una idea: tal maniobra podría ayudar al dispositivo a resolver uno de los mayores problemas de los viajes interestelares: el consumo de combustible. Y propuso una maniobra más arriesgada: la aceleración utilizando agujeros negros binarios. Se necesitará un minuto de quema de combustible para pasar la órbita crítica de un agujero negro a otro. Después de dar varias vueltas alrededor de los agujeros negros, el dispositivo ganará una velocidad cercana a la de la luz. Sólo queda apuntar bien y activar el propulsor del cohete para poner rumbo a las estrellas.
¿Improbable? Sí. ¿Maravilloso? Definitivamente. Thorne señala que esta idea plantea muchos problemas, como los cálculos precisos de trayectorias y tiempos, que impedirían que el dispositivo fuera enviado directamente al planeta, estrella u otro cuerpo más cercano. También surgen preguntas sobre el regreso a casa, pero si decide realizar tal maniobra, definitivamente no planea regresar.
Ya se ha sentado un precedente para tal idea. En el año 2000, los astrónomos descubrieron 13 supernovas volando a través de la galaxia a una increíble velocidad de 9 millones de kilómetros por hora. Científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne han descubierto que estas estrellas descarriadas fueron expulsadas de la galaxia por un par de agujeros negros que quedaron atrapados en un par durante el proceso de destrucción y fusión de dos galaxias separadas.
Lanzador de semillas estelares
Cuando se trata de lanzar incluso sondas autorreplicantes, el consumo de combustible se convierte en un problema. Esto no ha impedido que la gente busque nuevas ideas sobre cómo lanzar sondas a distancias interestelares. Este proceso requeriría megatones de energía si usáramos la tecnología que tenemos hoy.
Forrest Bishop del Instituto de Ingeniería Atómica dijo que ha creado un método para lanzar sondas interestelares que requeriría una cantidad de energía aproximadamente equivalente a la de la batería de un automóvil. El Starseed Launcher teórico tendría aproximadamente 1.000 kilómetros de largo y estaría compuesto principalmente por cables y alambres. A pesar de su longitud, todo podría caber en un buque de carga y funcionar con una batería de 10 voltios.
Parte del plan implica lanzar sondas que tienen poco más de un microgramo de masa y contienen sólo la información básica necesaria para seguir construyendo sondas en el espacio. A lo largo de una serie de lanzamientos, se pueden lanzar miles de millones de sondas de este tipo. La esencia principal del plan es que las sondas autorreplicantes podrán combinarse entre sí después del lanzamiento. El propio lanzador estará equipado con bobinas de levitación magnética superconductoras que crean una fuerza inversa que proporciona empuje. Bishop dice que es necesario resolver algunos detalles del plan, como cómo las sondas contrarrestarán la radiación interestelar y los escombros, pero que la construcción general puede comenzar.
Plantas especiales para la vida espacial.
Una vez que lleguemos a alguna parte, necesitaremos formas de cultivar alimentos y regenerar oxígeno. El físico Freeman Dyson ha propuesto algunas ideas interesantes sobre cómo se podría hacer esto.
En 1972, Dyson pronunció su famosa conferencia en el Birkbeck College de Londres. Luego sugirió que con la ayuda de algunas manipulaciones genéticas sería posible crear árboles que no sólo pudieran crecer, sino también prosperar en una superficie inhóspita, como un cometa, por ejemplo. Reprograme un árbol para que refleje la luz ultravioleta y conserve el agua de manera más eficiente, y el árbol no sólo echará raíces y crecerá, sino que también alcanzará tamaños inimaginables según los estándares terrestres. En una entrevista, Dyson sugirió que en el futuro podría haber árboles negros, tanto en el espacio como en la Tierra. Los árboles basados en silicio serían más eficientes, y la eficiencia es la clave de la longevidad. Dyson enfatiza que este proceso no será cuestión de minutos; tal vez dentro de doscientos años finalmente descubramos cómo hacer que los árboles crezcan en el espacio.
La idea de Dyson no es tan descabellada. El Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA es un departamento completo dedicado a resolver los problemas del futuro, y entre ellos se encuentra la tarea de cultivar plantas sostenibles en la superficie de Marte. Incluso las plantas de invernadero en Marte crecerán en condiciones extremas, y los científicos están probando diferentes opciones para intentar combinar plantas con extremófilos, pequeños organismos microscópicos que sobreviven en algunas de las condiciones más duras de la Tierra. Desde tomates de gran altitud que tienen una resistencia incorporada a la luz ultravioleta, hasta bacterias que sobreviven en los rincones más fríos, cálidos y profundos del mundo, algún día podremos reconstruir un jardín marciano. Todo lo que queda es descubrir cómo juntar todos estos ladrillos.
Reciclaje de recursos locales
Vivir fuera de la Tierra puede ser una nueva tendencia en la Tierra, pero cuando se trata de misiones espaciales de un mes de duración, se vuelve necesario. Actualmente, la NASA se dedica, entre otras cosas, al estudio de la cuestión de la utilización de recursos locales (ISRU). Hay una cantidad limitada de espacio en una nave espacial, y la creación de sistemas para utilizar materiales que se encuentran en el espacio y en otros planetas será necesaria para cualquier colonización o viaje a largo plazo, especialmente cuando el destino es un lugar donde será muy difícil entregarlo. carga de suministros, combustible, alimentos, etc. Los primeros intentos de demostrar las posibilidades de utilizar los recursos locales se realizaron en las laderas de los volcanes hawaianos y durante las misiones polares. La lista de tareas incluye elementos tales como extraer componentes del combustible de las cenizas y otros terrenos naturalmente accesibles.
En agosto de 2014, la NASA hizo un poderoso anuncio al revelar nuevos juguetes que irían a Marte con el próximo rover, que se lanzaría en 2020. Entre las herramientas del arsenal del nuevo rover se encuentra MOXIE, un experimento para la utilización de recursos locales en forma de oxígeno marciano. MOXIE tomará la irrespirable atmósfera de Marte (96% de dióxido de carbono) y la dividirá en oxígeno y monóxido de carbono. El dispositivo podrá producir 22 gramos de oxígeno por cada hora de funcionamiento. La NASA también espera que MOXIE pueda demostrar algo más: un funcionamiento continuo sin pérdida de productividad ni eficiencia. MOXIE no sólo podría ser un paso importante hacia misiones extraterrestres a largo plazo, sino que también podría allanar el camino para muchos convertidores potenciales de gases nocivos en gases útiles.
2traje
La reproducción en el espacio puede volverse problemática en diversos niveles, especialmente en microgravedad. En 2009, experimentos japoneses con embriones de ratón demostraron que incluso si la fertilización ocurre en condiciones de gravedad distintas de cero, los embriones que se desarrollan fuera de la gravedad normal de la Tierra (o su equivalente) no se desarrollan normalmente. Cuando las células deben dividirse y realizar actividades especializadas, surgen problemas. Esto no significa que no se produzca la fertilización: los embriones de ratón concebidos en el espacio e implantados en ratones hembra en la Tierra crecieron con éxito y nacieron sin problemas.
Esto también plantea otra pregunta: ¿Cómo funciona exactamente la producción de bebés en microgravedad? Las leyes de la física, especialmente el hecho de que cada acción tiene una reacción igual y opuesta, hacen que su mecánica sea un poco ridícula. Vanna Bonta, escritora, actriz e inventora, decidió tomarse este tema en serio.
Y creó 2suit: un traje en el que dos personas pueden esconderse y empezar a tener bebés. Incluso lo revisaron. En 2008, se probó 2suit en el llamado Vomit Comet (un avión que realiza giros bruscos y crea condiciones de ingravidez de un minuto de duración). Si bien Bonta sugiere que las lunas de miel en el espacio podrían hacerse realidad gracias a su invento, el traje también tiene usos más prácticos, como conservar el calor corporal en caso de emergencia.
Proyecto arriesgado
El Proyecto Longshot fue compilado por un equipo de la Academia Naval de Estados Unidos y la NASA como parte de un esfuerzo conjunto a finales de los años 1980. El objetivo final del plan era lanzar algo a principios del siglo XXI, concretamente una sonda no tripulada que viajaría a Alfa Centauri. Le llevaría 100 años lograr su objetivo. Pero antes de que pueda lanzarse, necesitará algunos componentes clave que también deberán desarrollarse.
Además de los láseres de comunicaciones, los reactores de fisión de larga duración y la propulsión de cohetes de fusión por láser inercial, había otros elementos. A la sonda se le debía dar pensamiento y funciones independientes, ya que sería prácticamente imposible comunicarse a través de distancias interestelares lo suficientemente rápido como para que la información siguiera siendo relevante una vez que llegara al punto de recepción. Además, todo tenía que ser increíblemente duradero, ya que la sonda tardaría 100 años en llegar a su destino.
Longshot iba a ser enviado a Alpha Centauri con varias tareas. Básicamente, tenía que recopilar datos astronómicos que permitieran cálculos precisos de distancias a miles de millones, si no billones, de otras estrellas. Pero si el reactor nuclear que alimenta la nave se agota, la misión también se detendrá. Longshot fue un plan muy ambicioso que nunca despegó.
Pero esto no significa que la idea haya muerto en su infancia. En 2013, el proyecto Longshot II literalmente despegó con el proyecto estudiantil Icarus Interstellar. Ha habido décadas de avances tecnológicos desde el programa Longshot original que se pueden aplicar a la nueva versión, y el programa en su conjunto ha recibido una revisión. Se revisaron los costos de combustible, la duración de la misión se redujo a la mitad y se revisó todo el diseño del Longshot de pies a cabeza.
El proyecto final será un indicador interesante de cómo cambia un problema irresoluble con la incorporación de nueva tecnología e información. Las leyes de la física siguen siendo las mismas, pero 25 años después, Longshot tiene la oportunidad de encontrar un segundo aire y mostrarnos cómo debería ser el futuro de los viajes interestelares.
Basado en materiales de listverse.com
Y abandonó el sistema solar; Ahora se utilizan para estudiar el espacio interestelar. A principios del siglo XXI no existen estaciones cuya misión directa sería volar a las estrellas más cercanas.
La distancia a la estrella más cercana (Próxima Centauri) es de unos 4.243 años luz, es decir, unas 268 mil veces la distancia de la Tierra al Sol.
Proyectos de expedición interestelar
Proyecto "Orión"
Proyectos de naves espaciales impulsados por la presión de ondas electromagnéticas
En 1971, en un informe de G. Marx en un simposio en Byurakan, se propuso utilizar láseres de rayos X para viajes interestelares. Posteriormente la NASA investigó la posibilidad de utilizar este tipo de propulsión. Como resultado, se llegó a la siguiente conclusión: “Si existe la posibilidad de crear un láser que funcione en el rango de longitud de onda de los rayos X, entonces podemos hablar del desarrollo real de un avión (acelerado por el haz de dicho láser). que podrá cubrir distancias a las estrellas más cercanas mucho más rápido que todos los sistemas conocidos actualmente propulsados por cohetes. Los cálculos muestran que utilizando el sistema espacial considerado en este trabajo, es posible llegar a la estrella Alfa Centauri... en unos 10 años."
En 1985, R. Forward propuso el diseño de una sonda interestelar acelerada por energía de microondas. El proyecto preveía que la sonda alcanzaría las estrellas más cercanas en 21 años.
En el 36º Congreso Astronómico Internacional se propuso un proyecto para una nave espacial láser, cuyo movimiento es proporcionado por la energía de láseres ópticos ubicados en órbita alrededor de Mercurio. Según los cálculos, el camino de ida y vuelta de una nave estelar de este diseño hasta la estrella Epsilon Eridani (10,8 años luz) tardaría 51 años.
motores de aniquilación
Los principales problemas identificados por los científicos e ingenieros que analizaron los diseños de los cohetes de aniquilación son obtener la cantidad necesaria de antimateria, almacenarla y centrar el flujo de partículas en la dirección deseada. Se indica que el estado actual de la ciencia y la tecnología ni siquiera permite teóricamente la creación de tales estructuras.
Motores ramjet propulsados por hidrógeno interestelar
El componente principal de la masa de los cohetes modernos es la masa de combustible que necesita el cohete para acelerar. Si de alguna manera podemos utilizar el entorno que rodea al cohete como fluido de trabajo y combustible, podemos reducir significativamente la masa del cohete y así alcanzar altas velocidades.
Barcos de generación
Los viajes interestelares también son posibles utilizando naves espaciales que implementan el concepto de "naves de generación" (por ejemplo, como las colonias de O'Neil), en las que se crea y mantiene una biosfera cerrada, capaz de mantenerse y reproducirse durante varios miles de años. El vuelo se realiza a baja velocidad y dura mucho tiempo, durante el cual muchas generaciones de astronautas logran cambiar.
Propulsión FTL
Notas
ver también
Fuentes
- Kolesnikov Yu. V. Deberías construir naves espaciales. Moscú, 1990. 207 p. ISBN 5-08-000617-X.
- http://www.gazeta.ru/science/2008/01/30_a_2613225.shtml?4 Conferencia sobre vuelos interestelares, sobre aceleración de 100 km/seg cerca de las estrellas
Durante el proceso de diseño, se corrigieron registros numéricos y errores tipográficos en fórmulas. Presentado en formato de tabla legible. La gente ha soñado durante mucho tiempo con volar a través del espacio exterior hacia otras estrellas, viajar a otros mundos y encontrarse con inteligencia sobrenatural. Los escritores de ciencia ficción escribieron montañas de papel, tratando de imaginar cómo sucedería esto; idearon una variedad de técnicas que podrían hacer que estos sueños se hicieran realidad. Pero por ahora son sólo fantasías. Intentemos imaginar cómo sería en realidad un vuelo así. De lo anterior se deduce que no será posible desviar las partículas entrantes del medio interestelar y la nave tendrá que aceptarlas con su cuerpo. Esto lleva a algunos requisitos para el diseño de la nave espacial: delante de ella debe haber una pantalla (por ejemplo, en forma de cubierta cónica), que protegerá el cuerpo principal de la influencia de las partículas cósmicas y la radiación. Y detrás de la pantalla debería haber un radiador que elimine el calor de la pantalla (y al mismo tiempo sirva como pantalla secundaria), unido al cuerpo principal de la nave con vigas aislantes térmicas. La necesidad de tal diseño se explica por el hecho de que los átomos incidentes tienen una alta energía cinética; penetrarán profundamente en la pantalla y, desacelerando en ella, disiparán esta energía en forma de calor. Por ejemplo, a velocidad de vuelo. 0,75
c la energía de un protón de hidrógeno será aproximadamente 500
MeV - en unidades de física nuclear, que corresponde a 8·10-11 J. Penetrará en la pantalla a una profundidad de varios milímetros y transferirá esta energía a las vibraciones de los átomos de la pantalla. Y tales partículas volarán 2 10 10átomos y el mismo número de moléculas de hidrógeno por segundo por 1
cm 2, es decir, cada segundo durante 1
Se suministrará una superficie de pantalla de 2 cm. 4.8
J de energía convertida en calor. Pero el problema es que en el espacio este calor sólo se puede eliminar emitiendo ondas electromagnéticas al espacio circundante (allí no hay aire ni agua). Esto significa que la pantalla se calentará hasta que su radiación electromagnética térmica sea igual a la potencia proveniente de las partículas incidentes. La radiación térmica de la energía electromagnética de un cuerpo está determinada por la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual la energía emitida por segundo con 1
cm 2 de superficie es igual q=sТ 4
Dónde s=5.67·10 -12 J/cm 2 K 4 es la constante de Stefan, y t
- temperatura de la superficie corporal. La condición para establecer el equilibrio será sТ 4 =Q
Dónde q
- energía entrante, es decir, la temperatura de la pantalla será T=(Q/s) 1/4
. Sustituyendo los valores correspondientes en esta fórmula, encontramos que la pantalla se calentará a una temperatura 959
k = 686
o C. Está claro que a altas velocidades esta temperatura será aún mayor. Esto significa, por ejemplo, que la pantalla no puede ser de aluminio (su punto de fusión es sólo 660
o C), y debe estar aislado térmicamente del cuerpo principal de la nave espacial; de lo contrario, los compartimentos habitables se calentarán inaceptablemente. Y para facilitar el régimen térmico de la pantalla, es necesario colocar un radiador con una gran superficie de radiación (puede ser de aluminio), por ejemplo, en forma de un sistema celular de nervaduras longitudinales y transversales, mientras que las nervaduras transversales servirán simultáneamente como pantallas secundarias, protegiendo los compartimentos habitables de fragmentos y partículas de radiación bremsstrahlung que caen en la pantalla, etc. Pero la protección frente a átomos y moléculas no es el principal problema del vuelo interestelar. Los astrónomos, al observar la absorción de luz de las estrellas, han determinado que hay una cantidad significativa de polvo en el espacio interestelar. Estas partículas, que dispersan y absorben fuertemente la luz, tienen dimensiones 0.1-1
micrón y masa del orden 10 -13
g, y su concentración es mucho menor que la concentración de átomos y es aproximadamente igual a r=10 -12
1/cm 3 A juzgar por su densidad ( 1
g/cm 3) y el índice de refracción ( norte=1.3
) se trata principalmente de bolas de nieve formadas por gases cósmicos congelados (hidrógeno, agua, metano, amoníaco) con una mezcla de carbono sólido y partículas metálicas. Al parecer, es a partir de ellos que se forman los núcleos de los cometas con la misma composición. Y aunque deberían ser formaciones bastante sueltas, a velocidades cercanas a la luz pueden causar grandes daños. Como puede verse, la energía de un cuerpo aumenta bruscamente a medida que v se acerca a la velocidad de la luz c: Entonces, a una velocidad 0.7
con una mota de polvo metro=10-13 g tiene energía cinética 3.59
J (ver Tabla 1) y golpearlo en la pantalla equivale a una explosión en la misma de aproximadamente 1
mg de TNT. A velocidad 0.99
esta mota de polvo tendrá energía 54.7
J, que es comparable a la energía de una bala disparada con una pistola Makarov ( 80
J). A tales velocidades, resulta que cada centímetro cuadrado de la superficie de la pantalla es disparado continuamente por balas (y explosivas) con una frecuencia 12
disparos por minuto. Está claro que ninguna pantalla resistirá tal exposición durante varios años de vuelo. Tabla 1 Ratios de energía Designaciones: E r
- energía cinética de un protón en MeV A
- energía cinética de 1 kg de sustancia en J t
- TNT equivalente a un kilogramo en toneladas de TNT. Para evaluar las consecuencias de que una partícula golpee una superficie, se puede utilizar la fórmula propuesta por F. Whipple, experto en estos temas (p. 134), según la cual las dimensiones del cráter resultante son iguales a Dónde d
- densidad de la sustancia de la pantalla, q
- su calor específico de fusión. Pero aquí debemos tener en cuenta que en realidad no sabemos cómo afectarán las partículas de polvo al material de la pantalla a tales velocidades. Esta fórmula es válida para velocidades de impacto bajas (del orden 50
km/s o menos), y a velocidades de impacto cercanas a la luz, los procesos físicos de impacto y explosión deberían proceder de manera completamente diferente y mucho más intensa. Sólo se puede suponer que, debido a los efectos relativistas y a la gran inercia del material en grano de polvo, la explosión se dirigirá profundamente hacia la pantalla, como una explosión acumulativa, y conducirá a la formación de un cráter mucho más profundo. La fórmula dada refleja relaciones energéticas generales y suponemos que es adecuada para evaluar los resultados de un impacto y para velocidades cercanas a la luz. d=0.00126· mi 1/3
metros En v=0.1
c obtenemos mi=0.045
j y d=0,00126·0,356=0,000448 m= 0.45
mm. Es fácil descubrir que después de pasar por el 1
año luz, la pantalla de la nave estelar se encontrará n=rs=10 -12 ·9.46·10 17 =10 6 motas de polvo por cada cm 2, y cada 500
las partículas de polvo eliminarán una capa 0.448
pantalla de mm. Así que después 1
años luz de viaje la pantalla se borrará por el espesor 90
cm De ello se deduce que para volar a tales velocidades, digamos, a Proxima Centauri (solo allí), la pantalla debe tener un espesor de aproximadamente 5
metros y masa sobre 2.25
mil toneladas. A altas velocidades la situación será aún peor: Tabla 2 Espesor X
titanio, borrable 1
viaje de año luz Como se puede observar, cuando v/c
>0.1
la pantalla deberá tener un espesor (decenas y cientos de metros) y una masa (cientos de miles de toneladas) inaceptables. En realidad, la nave espacial se componerá principalmente de esta pantalla y de combustible, para lo que se necesitarán varios millones de toneladas. Debido a estas circunstancias, los vuelos a tales velocidades son imposibles. El considerado efecto abrasivo del polvo cósmico en realidad no agota toda la gama de impactos que sufrirá una nave estelar durante un vuelo interestelar. Es obvio que en el espacio interestelar no solo hay granos de polvo, sino también cuerpos de otros tamaños y masas, pero los astrónomos no pueden observarlos directamente debido a que, aunque sus tamaños son mayores, ellos mismos son más pequeños, por lo que no hacen una contribución notable a la absorción de la luz de las estrellas (los granos de polvo discutidos anteriormente tienen un tamaño del orden de la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, la absorben y dispersan fuertemente, y hay bastantes, razón por la cual los astrónomos los observan principalmente) . F( METRO)=Ф(1)/ METRO 1.1
Los resultados más fiables sobre este tema se obtuvieron de las mediciones de los microcráteres formados en las superficies de las naves espaciales (p. 195), también dan k=1.1
en el rango de masas de 10 -6
antes 10 5
d) Para masas más pequeñas, queda por suponer que esta distribución también se aplica a ellas. Porque la magnitud del flujo de partículas es más masiva. 1
d diferentes medidas dan valores 10 -15
1) 2·10 -14 1/m 2 s, y dado que la magnitud del flujo está relacionada con la densidad espacial de los cuerpos por la relación Ф=rv
, entonces desde aquí podemos encontrar que la concentración en el espacio de cuerpos con una masa de más de METRO
viene dada por la fórmula r( METRO)=r 1 /M 1.1
donde esta el parametro r 1
se puede encontrar tomando la velocidad promedio de las partículas de meteoritos esporádicas como v=15
km/s (como se puede ver en las mediciones de P. Millman), entonces r 1 =Ф(1)/v resulta ser igual en promedio 5·10-25 1/cm3. Bibliografía 1. Novikov I.D. Teoría de la relatividad y vuelos interestelares - M.: Conocimiento, 1960
Iván Alexandrovich Kórznikov
Las realidades de los vuelos interestelares.
Las distancias entre las estrellas son tan grandes que la luz de una estrella a otra viaja durante años y se mueve a una velocidad muy alta. Con
=299 793 458
EM. Para medir estas distancias, los astrónomos utilizan una unidad especial: el año luz, que es igual a la distancia que recorre la luz. 1
año: 1
Calle. año = 9.46 10 15 metros (esto es aproximadamente 600
veces el tamaño del sistema solar). Los astrónomos han calculado que en una esfera con un radio 21.2
hay años luz alrededor del sol 100
estrellas incluidas en 72
sistemas estelares (sistemas dobles, triples, etc. de estrellas cercanas). A partir de aquí es fácil encontrar que, en promedio, hay un volumen de espacio por sistema estelar. 539
años luz cúbicos, y la distancia promedio entre sistemas estelares es de aproximadamente 8.13
años luz. La distancia real puede ser menor, por ejemplo, a la estrella más cercana al Sol, Próxima Centauri. 4.35
Calle. l, pero en cualquier caso, el vuelo interestelar implica cubrir una distancia de al menos varios años luz. Esto significa que la velocidad de la nave espacial no debe ser menor que 0.1
c - entonces el vuelo durará varias décadas y podrá ser realizado por una generación de astronautas.
Por tanto, la velocidad de la nave espacial debería ser mayor. 30 000
km/s Para la tecnología terrestre, este es todavía un valor inalcanzable: apenas hemos alcanzado velocidades mil veces más bajas. Pero supongamos que todos los problemas técnicos se han resuelto y que nuestra nave espacial tiene un motor (de fotón o cualquier otro) capaz de acelerar la nave espacial a tales velocidades. No nos interesan los detalles de su estructura y funcionamiento, aquí sólo una circunstancia es importante para nosotros: la ciencia moderna sólo conoce una forma de aceleración en el espacio exterior: la propulsión a chorro, que se basa en el cumplimiento de la ley de conservación del impulso. de un sistema de cuerpos. Y lo importante aquí es que con tal movimiento la nave estelar (y cualquier otro cuerpo) se mueve en el espacio, interactuando físicamente con todo lo que hay en ella.
En sus fantasías, los escritores de ciencia ficción han ideado varios "saltos hiperespaciales" y "transiciones subespaciales" de un punto del espacio a otro, sin pasar por regiones intermedias del espacio, pero todo esto, según las ideas de la ciencia moderna, no tiene ninguna posibilidad. de realizarse en la realidad. La ciencia moderna ha establecido firmemente que en la naturaleza se cumplen ciertas leyes de conservación: la ley de conservación del momento, la energía, la carga, etc. Y con un "salto hiperespacial" resulta que en una determinada región del espacio la energía, el momento y Las cargas del cuerpo físico simplemente desaparecen, es decir, estas leyes no se cumplen. Desde el punto de vista de la ciencia moderna, esto significa que tal proceso no se puede llevar a cabo. Y lo principal es que no está del todo claro qué es, si es "hiperespacio" o "subespacio", cuando el cuerpo físico deja de interactuar con los cuerpos en el espacio real. En el mundo real, sólo existe lo que se manifiesta en interacción con otros cuerpos (de hecho, el espacio es la relación de cuerpos existentes), y esto significa que tal cuerpo en realidad dejará de existir, con todas las consecuencias consiguientes. Así que todas estas son fantasías infructuosas que no pueden ser objeto de una discusión seria.
Entonces, supongamos que el motor a reacción existente acelera la nave espacial a la velocidad subluz que necesitamos, y a esta velocidad se mueve en el espacio exterior de una estrella a otra. Algunos aspectos de tal vuelo han sido discutidos durante mucho tiempo por los científicos (, ), pero consideran principalmente los diversos efectos relativistas de tal movimiento, sin prestar atención a otros aspectos importantes del vuelo interestelar. Pero la realidad es que el espacio exterior no es un vacío absoluto, es un medio físico, al que comúnmente se le llama medio interestelar. Contiene átomos, moléculas, partículas de polvo y otros cuerpos físicos. Y la nave espacial tendrá que interactuar físicamente con todos estos cuerpos, lo que se convierte en un problema cuando se mueve a tales velocidades. Veamos este problema con más detalle.
Los astrónomos, al observar las emisiones de radio del entorno cósmico y el paso de la luz a través de él, descubrieron que en el espacio exterior hay átomos y moléculas de gases: se trata principalmente de átomos de hidrógeno. norte
, moléculas de hidrógeno H2
(hay aproximadamente el mismo número de ellos que átomos norte
), átomos de helio No
(ellos en 6
veces menos que los átomos norte
), y átomos de otros elementos (principalmente carbono C, oxígeno ACERCA DE
y nitrógeno norte
), que en total ascienden a aproximadamente 1
% de todos los átomos. Incluso moléculas tan complejas como CO 2, CH 4, HCN, H 2 O, NH 3, HCOOH
y otros, pero en pequeñas cantidades (hay miles de millones de veces menos que átomos) norte
). La concentración de gas interestelar es muy pequeña y (lejos de las nubes de gas y polvo) es promedio 0,5-0,7
átomos por 1
centímetros 3.
Está claro que cuando una nave espacial se mueve en un entorno así, este gas interestelar ejercerá resistencia, ralentizando la nave y destruyendo sus caparazones. Por lo tanto, se propuso convertir el daño en beneficio y crear un motor estatorreactor que, al recolectar gas interestelar (y está en 94
% se compone de hidrógeno) y aniquilarlo con las reservas de antimateria a bordo, recibiría así energía para el movimiento de la nave estelar. Según el proyecto de los autores, delante de la nave espacial debería haber una fuente ionizante (que crea un haz de electrones o fotones que ioniza los átomos entrantes) y una bobina magnética que enfoca los protones resultantes hacia el eje de la nave espacial, donde se encuentran. Se utiliza para crear una corriente en chorro fotónica.
Desafortunadamente, tras un examen más detenido, resulta que este proyecto no es viable. En primer lugar, un haz ionizante no puede ser un electrón (como insisten los autores) por la sencilla razón de que una nave espacial que emita electrones estará cargada con una carga positiva, y tarde o temprano los campos creados por esta carga interrumpirán el funcionamiento del Los sistemas de la nave estelar. Si se utiliza un haz de fotones (sin embargo, como ocurre con un haz de electrones), la cuestión se reduce a una pequeña sección transversal para la fotoionización de los átomos. El problema es que la probabilidad de que un átomo sea ionizado por un fotón es muy pequeña (por lo que el aire no es ionizado por potentes rayos láser). Se expresa cuantitativamente mediante la sección transversal de ionización, que es numéricamente igual a la relación entre el número de átomos ionizados y la densidad del flujo de fotones (el número de fotones incidentes por 1
cm 2 por segundo). La fotoionización de los átomos de hidrógeno comienza con la energía del fotón. 13.6
electronvoltio = 2.18·10 -18 J (longitud de onda 91.2
nm), y a esta energía la sección transversal de fotoionización es máxima e igual a 6.3·10 -18 cm 2 (pág. 410). Esto significa que para ionizar un átomo de hidrógeno se necesita en promedio 1.6 10 17 fotones por cm 2 por segundo. Por lo tanto, el poder de tal rayo ionizante debe ser gigantesco: si la nave espacial se mueve a una velocidad v
entonces para 1
por un segundo 1
cm 2 de su superficie vuela caravana
átomos en colisión, donde r
- concentración de átomos, que en nuestro caso de movimiento cercano a la luz será del orden de magnitud caravana=0,7·3·10 10 =2·10 10átomos por segundo 1
cm2. Esto significa que el flujo de fotones ionizantes no debe ser menor. norte= 2·10 10 / 6,3·10 -18 =3·10 27 1/cm 2 s. La energía transportada por tal corriente de fotones será igual a mi=2,18·10 -18 ·3·10 27 =6,5·10 9 J/cm2 s.
Además, además de los átomos de hidrógeno, la misma cantidad de moléculas volarán a la nave espacial. H2
, y su ionización se produce a la energía del fotón. 15.4
eV (longitud de onda 80.4
Nuevo Méjico). Esto requerirá aproximadamente duplicar la potencia del flujo, y la potencia del flujo total debe ser mi=1.3·10 10 J/cm2. A modo de comparación, podemos señalar que el flujo de energía fotónica en la superficie del Sol es igual a 6.2 10 3 J/cm 2 s, es decir, la nave espacial debería brillar dos millones de veces más que el Sol.
Dado que la energía y el momento de un fotón están relacionados por la relación E=rs
, entonces esta corriente de fotones tendrá impulso р=еS/с
Dónde S
- área de ingesta masiva (aproximadamente 1000
m 2), que será 1,3 10 10 10 7 / 3 10 8 = 4,3 10 8 Kg·m/s, y este impulso se dirige contra la velocidad y ralentiza la nave espacial. De hecho, resulta que un motor de fotones está parado frente a la nave estelar y la empuja en la dirección opuesta; está claro que tal tira y afloja no volará muy lejos.
Por tanto, la ionización de partículas incidentes es demasiado cara y la ciencia moderna no conoce otra forma de concentrar los gases interestelares. Pero incluso si se encontrara tal método, el motor estatorreactor todavía no se justificaría: Zenger también demostró (p. 112) que la cantidad de empuje de un motor a reacción fotónico estatorreactor es insignificante y no puede usarse para acelerar un cohete con alta aceleración. De hecho, la entrada total de masa de partículas incidentes (principalmente átomos y moléculas de hidrógeno) será dm=3m p Srv=3 1,67 10 -27 10 7 2 10 10 =10 -9 kg/s. Tras la aniquilación, esta masa liberará un máximo W=mc 2 = 9 10 7 J/s, y si toda esta energía se gasta en la formación de una corriente en chorro de fotones, entonces el aumento en el impulso de la nave estelar por segundo será dð=W/c=9·10 7 /3·10 8 =0,3 Kg m/s, que corresponde a un empuje de 0.3
Newton. Aproximadamente con la misma fuerza, un pequeño ratón presiona el suelo y resulta que de la montaña nació un ratón. Por tanto, diseñar motores ramjet para vuelos interestelares no tiene sentido.
A tales velocidades, los efectos relativistas comienzan a manifestarse fuertemente y la energía cinética del cuerpo en la región relativista está determinada por la expresión
v/c
1/(1-v 2 /c 2) 1/2
mi p
k
t
0.1
1.005
4,73 4,53 10 14 1.09 10 5
0.2
1.020
19,35 1,85 10 15 4.45 10 5
0.3
1.048
45,31 4,34 10 15 1.04 10 6
0.4
1.091
85,47 8,19 10 15 1,97 10 6
0.5
1.155
145,2 1,39 10 16 3.34 10 6
0.6
1.25
234,6 2,25 10 16 5.40 10 6
0.7
1.40
375,6 3,59 10 16 8,65 10 6
0.8
1.667
625,6 5,99 10 16 1.44 10 7
0.9
2.294
1214 1,16 10 17 2,79 10 7
0.99
7.089
5713 5,47 10 17 1.31 10 8
0.999
22.37
20049 1,92 10 18 4.62 10 8
Al parecer, el mejor material para la pantalla es el titanio (por su baja densidad y características físicas), por lo que d=4.5
g/cm 3 y q=315
KJ/Kg, lo que da
. . .
v/c
mi
d milímetros
X metro
0.1
0.045
0.448
0.9
0.2
0.185
0.718
3.66
0.3
0.434
0.955
9.01
0.4
0.818
1.178
16.4
0.5
1.39
1.41
27.6
Pero podemos hacernos una idea de los cuerpos en el espacio profundo a partir de los cuerpos que observamos en el sistema solar, incluso cerca de la Tierra. De hecho, como muestran las mediciones, el sistema solar se mueve con respecto a las estrellas vecinas aproximadamente en dirección a Vega a una velocidad 15.5
km/s, lo que significa que cada segundo barre más y más volúmenes nuevos del espacio exterior junto con su contenido. Por supuesto, no todo lo que está cerca del Sol viene del exterior; muchos cuerpos eran originalmente elementos del sistema solar (planetas, asteroides, muchas lluvias de meteoritos). Pero los astrónomos han observado más de una vez, por ejemplo, el vuelo de algunos cometas que llegaron del espacio interestelar y regresaron allí. Esto significa que allí hay cuerpos muy grandes (que pesan millones y miles de millones de toneladas), pero son muy raros. Está claro que allí pueden encontrarse cuerpos de casi cualquier masa, pero con diferentes probabilidades. Y para estimar la probabilidad de encontrar varios cuerpos en el espacio interestelar, necesitamos encontrar la distribución de masas de dichos cuerpos.
En primer lugar, es necesario saber qué les sucede a los cuerpos cuando están en el sistema solar. Esta cuestión ha sido bien estudiada por los astrofísicos y han descubierto que la vida útil de los cuerpos no muy grandes del sistema solar es muy limitada. Así, las partículas pequeñas y las partículas de polvo con masas inferiores a 10 -12
g simplemente son expulsados del sistema solar por corrientes de luz y protones del Sol (como se puede ver en las colas de los cometas). En el caso de las partículas más grandes, el resultado es el contrario: como resultado del llamado efecto Poynting-Robertson, caen hacia el Sol, descendiendo gradualmente hacia él en espiral durante un período de aproximadamente varias decenas de miles de años.
Esto significa que las partículas esporádicas y los micrometeoritos observados en el sistema solar (no relacionados con sus propias lluvias de meteoritos) llegaron desde el espacio circundante, ya que sus propias partículas de este tipo desaparecieron hace mucho tiempo. Por lo tanto, la dependencia deseada se puede encontrar a partir de observaciones de partículas esporádicas en el propio sistema solar. Estas observaciones se han llevado a cabo durante mucho tiempo y los investigadores han llegado a la conclusión (,) de que la ley de distribución de masa de los cuerpos cósmicos tiene la forma N(M)=N 0 /M yo
Las mediciones directas de meteoros esporádicos con masas oscilan entre 10 -3
antes 10 2
g (p. 127) se da para la densidad de flujo de meteoros con una masa de más de METRO
adicción al gramo
De la distribución resultante podemos encontrar que la concentración de partículas cuyas masas son mayores 0.1
g es en promedio igual a r(0.1)=r 1· (10) · 1,1=6,29 · 10-24 1/cm 3, lo que significa que en el camino hacia 1
la nave espacial se encontrará a un año luz en 1
cm 2 superficies n=rs=5.9·10 -6 partículas tales que con un área total S=100
metro 2 = 10 6
cm 2 no será menos 5
las partículas son más masivas 0.1
g sobre toda la sección transversal de la nave estelar. Y cada una de esas partículas v=0.1
c tiene más energía 4.53 10 10 J, que equivale a una explosión acumulativa 11
toneladas de TNT. Incluso si la pantalla puede soportar esto, esto es lo que sucederá a continuación: dado que es poco probable que la partícula golpee exactamente el centro de la pantalla, en el momento de la explosión aparecerá una fuerza que hará girar la nave alrededor de su centro de masa. . En primer lugar, cambiará ligeramente la dirección del vuelo y, en segundo lugar, hará girar la nave espacial, exponiendo su costado al flujo de partículas que se aproxima. Y la nave estelar rápidamente será destrozada por ellos, y si hay reservas de antimateria a bordo, todo terminará en una serie de explosiones de aniquilación (o una gran explosión).
Algunos autores expresan la esperanza de que sea posible evadir un meteorito peligroso. Veamos cómo se verá a velocidad subluz. v=0.1
C. Peso del meteorito 0.1
g tiene un tamaño de aprox. 2
mm y energía equivalente 10.9
toneladas de TNT. Golpear la nave espacial provocará una explosión fatal y tendrás que esquivarla. Supongamos que el radar de la nave espacial es capaz de detectar un meteorito de este tipo a distancia. X=1000
km - aunque no está claro cómo se hará, ya que por un lado el radar debe estar delante de la pantalla para poder realizar su función, y por otro lado, detrás de la pantalla para no ser destruido por el flujo de partículas entrantes.
Pero digamos, entonces con el tiempo. t = x/v = 0.03
segundos la nave debe reaccionar y desviarse una distancia en= 5
m (contando el diámetro de la nave estelar 10
metros). Esto significa que debe adquirir velocidad en la dirección transversal. u=y/t
- nuevamente con el tiempo t
, es decir, su aceleración no debe ser menor a=y/t2
= 150
m/s2. Esta es la aceleración en 15
veces más de lo normal, y ninguno de los miembros de la tripulación, y muchos de los instrumentos de la nave espacial, podrán resistirlo. Y si la masa de la nave espacial es aproximadamente 50 000
toneladas, entonces esto requerirá fuerza F= soy= 7,5 10 9 Newton. Tal fuerza durante un tiempo de milésimas de segundo sólo se puede obtener produciendo una poderosa explosión en una nave estelar: con una explosión química se obtiene una presión del orden de magnitud 10 5
atmósferas= 10 10
Newton/m 2 y podrá girar la nave espacial hacia un lado. Es decir, para evitar la explosión es necesario volar la nave espacial...
Por lo tanto, incluso si es posible acelerar la nave espacial a una velocidad subluz, no alcanzará su objetivo final: habrá demasiados obstáculos en su camino. Por lo tanto, los vuelos interestelares sólo pueden realizarse a velocidades significativamente más bajas, del orden de 0.01
s o menos. Esto significa que la colonización de otros mundos puede ocurrir a un ritmo lento, ya que cada vuelo tomará cientos y miles de años, y para ello será necesario enviar grandes colonias de personas a otras estrellas, capaces de existir y desarrollarse de forma independiente. Un pequeño asteroide hecho de hidrógeno congelado podría ser adecuado para tal propósito: en su interior se podría construir una ciudad de tamaño adecuado, donde vivirían los astronautas, y el material del asteroide en sí se usaría como combustible para una planta de energía termonuclear y un motor. La ciencia moderna no puede ofrecer otras formas de explorar el espacio profundo.
En todo esto sólo hay un aspecto positivo: la invasión de hordas de alienígenas agresivos no amenaza a la Tierra; es un asunto demasiado complicado. Pero la otra cara de la moneda es que no será posible llegar a mundos donde haya “hermanos en mente” dentro de las próximas decenas de miles de años. Por tanto, la forma más rápida de detectar extraterrestres es establecer comunicaciones mediante señales de radio o algunas otras señales.
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[Tabla de contenido]
2. Perelman R.G. Objetivos y formas de exploración espacial - M.: Nauka, 1967
3. Perelman R.G. Motores de naves galácticas - M.: ed. Academia de Ciencias de la URSS, 1962
4. Burdakov V.P., Danilov Yu.I. Recursos externos y astronáutica - M.: Atomizdat, 1976
5. Zenger E., Sobre la mecánica de los cohetes de fotones - M.: ed. Literatura extranjera, 1958
6. Zakirov ONU Mecánica de vuelos espaciales relativistas - M.: Nauka, 1984
7. Allen K.W. Cantidades astrofísicas - M.: Mir, 1977
8. Martynov D.Ya. Curso de astrofísica general - M.: Nauka, 1971
9. Cantidades físicas (Manual) - M.: Energoatomizdat, 1991
10. Burdakov V.P., Siegel F.Yu. Fundamentos físicos de la astronáutica (física espacial) - M.: Atomizdat, 1974
11. Spitzer L. El espacio entre las estrellas - M.: Mir, 1986.
12. Lebedinets V.M. Aerosol en la atmósfera superior y polvo cósmico - L.: Gidrometeoizdat, 1981
13. Babajanov P.B. Meteoros y su observación - M.: Nauka, 1987
14. Akishin A.I., Novikov L.S. Impacto del medio ambiente en los materiales de las naves espaciales - M.: Conocimiento, 1983
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Los científicos afirman que la humanidad está dando pequeños pasos hacia un futuro en el que los vuelos de un sistema planetario a otro finalmente serán una realidad. Según las últimas estimaciones de los expertos, ese futuro podría llegar dentro de uno o dos siglos si el progreso científico no marca el paso del tiempo. Hubo un tiempo en que, sólo con la ayuda del ultrapotente telescopio Kepler, los astrónomos pudieron descubrir 54 exoplanetas potencialmente habitables. Todos estos mundos lejanos a nosotros están situados en la llamada zona habitable, a cierta distancia de la estrella central, lo que permite mantener agua en el planeta en estado líquido.
Al mismo tiempo, es bastante difícil obtener una respuesta a la pregunta más importante: ¿estamos solos en el Universo? Por las altísimas distancias que separan al sistema solar de nuestros vecinos más cercanos. Por ejemplo, uno de los planetas "prometedores", Gliese 581g, se encuentra a una distancia de 20 años luz, lo que está bastante cerca para los estándares espaciales, pero todavía muy lejos para las tecnologías terrestres convencionales. La abundancia de exoplanetas en un radio de 100 años luz o menos desde nuestro planeta de origen y el gran interés científico e incluso civilizacional que representan para toda la humanidad nos obligan a contemplar la hasta ahora fantástica idea de los vuelos interestelares de una manera completamente nueva manera.
La principal tarea a la que se enfrentan hoy los cosmólogos e ingenieros es la creación de un motor fundamentalmente nuevo que permitiría a los terrícolas viajar enormes distancias cósmicas en un tiempo relativamente corto. Al mismo tiempo, todavía no se habla de vuelos intergalácticos. Para empezar, la humanidad podría explorar nuestra galaxia natal: la Vía Láctea.
La Vía Láctea está formada por una gran cantidad de estrellas alrededor de las cuales orbitan los planetas. La estrella más cercana al Sol se llama Alfa Centauri. Esta estrella se encuentra a 4,3 años luz o 40 billones de kilómetros de la Tierra. Si asumimos que un cohete con un motor convencional despega hoy de nuestro planeta, ¡sólo podrá recorrer esta distancia en 40 mil años! Por supuesto, una misión espacial así parece completamente absurda. Mark Millis, exdirector del Proyecto de Tecnologías Avanzadas de Motores de la NASA y fundador de la Fundación Tau Zero, cree que la humanidad debe recorrer un camino largo y metódico para crear un nuevo tipo de motor. Hoy en día ya existe una gran cantidad de teorías sobre cómo será este motor, pero no sabemos cuál funcionará. Por tanto, Millis considera inútil centrarse en una sola tecnología.
Hoy en día, los científicos han llegado a la conclusión de que las futuras naves espaciales podrán volar utilizando propulsores de fusión, velas solares, propulsores de antimateria o propulsores warp del espacio-tiempo (o propulsores warp, como bien conocen los fans de la serie de televisión Star Trek). El último motor, en teoría, debería permitir volar más rápido que la velocidad de la luz y, por tanto, realizar viajes en el tiempo a pequeña escala.
Al mismo tiempo, todas las tecnologías enumeradas solo se describen; nadie sabe todavía cómo implementarlas en la práctica. Por la misma razón, no está claro qué tecnología es más prometedora para su implementación. Es cierto que varias velas solares ya han logrado volar al espacio, pero para llevar a cabo una misión tripulada de vuelos interestelares se necesitará una vela enorme del tamaño de la región de Arkhangelsk. El principio de funcionamiento de una vela solar prácticamente no se diferencia del de una vela de viento, solo que en lugar de flujos de aire, capta rayos de luz hiperconcentrados emitidos por una potente instalación láser que gira alrededor de la Tierra.
Mark Millis, en un comunicado de prensa de su fundación Tau Zero, dice que la verdad está en algún punto intermedio entre las velas solares que nos resultan casi familiares y desarrollos completamente fantásticos, como un motor warp. “Es necesario hacer descubrimientos científicos y avanzar lenta pero seguramente hacia el objetivo previsto. Cuanta más gente podamos interesar, mayor será el volumen de financiación que atraeremos; es una financiación que actualmente hace mucha falta”, afirma Millis. Mark Millis cree que la financiación para grandes proyectos debe recaudarse poco a poco, sin esperar que de repente alguien invierta una fortuna en la realización de los ambiciosos planes de los científicos.
Hoy en día, en todo el mundo, hay muchos entusiastas que creen y confían en que el futuro debe construirse ahora. Richard Obusie, presidente y cofundador de Icarus Interstellar, señala: “Los viajes interestelares son un esfuerzo internacional y multigeneracional que requiere una enorme inversión intelectual y financiera. Ya hoy debemos iniciar los programas necesarios para que dentro de cien años la humanidad pueda escapar más allá de los límites de nuestro sistema solar”.
En agosto de este año, la compañía Icarus Interstellar celebrará una conferencia científica, Starship Congress, en la que los principales expertos mundiales en este campo discutirán no sólo las posibilidades, sino también las consecuencias de los vuelos interestelares. Los organizadores señalan que la conferencia también incluirá una parte práctica, en la que se examinarán las perspectivas tanto a corto como a largo plazo de la exploración humana del espacio profundo.
Vale la pena señalar que este tipo de viajes espaciales requieren el gasto de cantidades colosales de energía, en las que la humanidad ni siquiera piensa hoy en día. Al mismo tiempo, el uso inadecuado de la energía puede causar daños irreparables tanto a la Tierra como a los planetas en cuya superficie una persona quiere aterrizar. A pesar de todos los problemas y obstáculos no resueltos, tanto Obuzi como Millis creen que la civilización humana tiene todas las posibilidades de salir de los confines de su “cuna”. Los datos invaluables sobre exoplanetas, sistemas estelares y mundos alienígenas recopilados por los observatorios espaciales Herschel y Kepler ayudarán a los científicos a planificar cuidadosamente sus misiones.
Hasta la fecha se ha descubierto y confirmado la existencia de unos 850 exoplanetas, muchos de los cuales son supertierras, es decir, planetas con una masa comparable a la de la Tierra. Los expertos creen que no está lejano el día en que los astrónomos puedan confirmar la presencia de un exoplaneta que sería como dos gotas de agua como el nuestro. En este caso, la financiación para proyectos de creación de nuevos motores de cohetes aumentaría significativamente. La minería de asteroides también debería desempeñar un papel en la exploración espacial, que ahora no parece tan inusual como los vuelos interestelares. Los expertos creen que la humanidad debe aprender a utilizar los recursos no sólo de la Tierra, sino de todo el sistema solar.
Al problema de los vuelos interestelares se han sumado científicos e ingenieros de la agencia espacial estadounidense NASA, así como de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA). Están listos para unir fuerzas en el marco del proyecto "Starship de 100 años", y esto ni siquiera es un proyecto, sino un proyecto de proyecto. La Starship de 100 años es una nave espacial que podría realizar vuelos interestelares. La tarea de la actual etapa de investigación es crear la “suma de tecnologías” necesarias para que los viajes interestelares se hagan realidad. Además, se está creando un modelo de negocio que atraería inversiones al proyecto.
Según Pavel Eremenko, portavoz de DARPA, este proyecto requerirá “inversiones estables en capital financiero e intelectual” de diversas fuentes. Eremenko también enfatizó que el objetivo del proyecto “100 años Starship” no es solo el desarrollo y posterior construcción de una nave estelar. "Trabajamos duro para inspirar el interés multigeneracional en la innovación y las tecnologías innovadoras en múltiples disciplinas".
Los expertos de DARPA esperan que los resultados que se obtengan del trabajo en este proyecto puedan ser utilizados por el Departamento de Defensa de Estados Unidos en diversos campos, como sistemas de soporte vital, energía y tecnología informática.
Fuentes de información:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1100469
-http://rnd.cnews.ru/reviews/index_science.shtml?2011/10/11/459501
-http://www.nkj.ru/news/18905
Nuestro lector Nikita Ageev pregunta: ¿cuál es el principal problema de los viajes interestelares? La respuesta, como , requerirá un artículo largo, aunque la pregunta se puede responder con un solo símbolo: C .
La velocidad de la luz en el vacío, c, es de aproximadamente trescientos mil kilómetros por segundo y es imposible superarla. Por tanto, es imposible llegar a las estrellas más rápido que en unos pocos años (la luz viaja 4.243 años hasta Próxima Centauri, por lo que la nave espacial no puede llegar aún más rápido). Si sumamos el tiempo de aceleración y desaceleración con una aceleración más o menos aceptable para los humanos, obtenemos unos diez años hasta la estrella más cercana.
¿Cuáles son las condiciones para volar?
Y este período ya es un obstáculo importante en sí mismo, incluso si ignoramos la pregunta "cómo acelerar a una velocidad cercana a la velocidad de la luz". Ahora no existen naves espaciales que permitan a la tripulación vivir de forma autónoma en el espacio durante tanto tiempo: los astronautas reciben constantemente suministros frescos de la Tierra. Normalmente, las conversaciones sobre los problemas de los viajes interestelares comienzan con preguntas más fundamentales, pero comenzaremos con problemas puramente aplicados.
Incluso medio siglo después del vuelo de Gagarin, los ingenieros no pudieron crear una lavadora y una ducha suficientemente práctica para las naves espaciales, y los baños diseñados para la ingravidez se estropean en la ISS con envidiable regularidad. Un vuelo al menos a Marte (22 minutos luz en lugar de 4 años luz) ya plantea una tarea no trivial para los diseñadores de fontanería: por lo tanto, para un viaje a las estrellas será necesario al menos inventar un inodoro espacial con una capacidad de veinte años. Garantía y la misma lavadora.
El agua para lavarse, lavarse y beber también deberá llevarse consigo o reutilizarse. Además del aire, también es necesario almacenar o cultivar alimentos a bordo. Ya se han llevado a cabo experimentos para crear un ecosistema cerrado en la Tierra, pero sus condiciones aún eran muy diferentes a las espaciales, al menos en presencia de la gravedad. La humanidad sabe cómo convertir el contenido de un orinal en agua potable, pero en este caso es necesario poder hacerlo en gravedad cero, con absoluta fiabilidad y sin un camión cargado de consumibles: llevar un camión cargado de cartuchos filtrantes a Las estrellas son demasiado caras.
Lavar calcetines y protegerse contra infecciones intestinales pueden parecer restricciones demasiado banales y "no físicas" en los vuelos interestelares; sin embargo, cualquier viajero experimentado confirmará que "pequeñas cosas", como zapatos incómodos o malestar estomacal por comida desconocida en una expedición autónoma, pueden convertirse en en una amenaza a la vida.
Resolver incluso los problemas cotidianos más básicos requiere una base tecnológica tan seria como el desarrollo de motores espaciales fundamentalmente nuevos. Si en la Tierra se puede comprar una junta desgastada en una cisterna de inodoro en la tienda más cercana por dos rublos, en un barco marciano es necesario proporcionar una reserva todos piezas similares, o una impresora tridimensional para la producción de piezas de repuesto a partir de materias primas plásticas universales.
En la Marina de los EE. UU. en 2013 en serio comenzó la impresión 3D después de evaluar el tiempo y el dinero gastados en la reparación de equipos militares utilizando métodos tradicionales en el campo. Los militares razonaron que imprimir una junta rara para un componente de helicóptero que había sido descontinuado hace diez años era más fácil que pedir una pieza en un almacén en otro continente.
Uno de los colaboradores más cercanos de Korolev, Boris Chertok, escribió en sus memorias "Rockets and People" que en cierto momento el programa espacial soviético se enfrentó a una escasez de contactos para enchufes. Fue necesario desarrollar por separado conectores fiables para cables multipolares.
Además de repuestos para equipos, alimentos, agua y aire, los astronautas necesitarán energía. El motor y el equipo de a bordo necesitarán energía, por lo que el problema de una fuente potente y fiable deberá resolverse por separado. Las baterías solares no son adecuadas, aunque sólo sea por la distancia a las estrellas en vuelo, los generadores de radioisótopos (que alimentan a las Voyager y New Horizons) no proporcionan la energía necesaria para una gran nave espacial tripulada y aún no han aprendido a fabricarlas por completo. Reactores nucleares de última generación para el espacio.
El programa de satélites soviéticos de propulsión nuclear se vio empañado por un escándalo internacional tras el accidente del Cosmos 954 en Canadá, así como por una serie de fracasos menos dramáticos; Un trabajo similar en los Estados Unidos se detuvo incluso antes. Ahora Rosatom y Roscosmos tienen la intención de crear una central nuclear espacial, pero siguen siendo instalaciones para vuelos de corto alcance y no un viaje de varios años a otro sistema estelar.
Quizás en lugar de un reactor nuclear, las futuras naves espaciales interestelares utilicen tokamaks. Sobre lo difícil que es determinar al menos correctamente los parámetros del plasma termonuclear, en el MIPT de este verano. Por cierto, el proyecto ITER en la Tierra avanza con éxito: incluso aquellos que han entrado hoy en el primer año tienen todas las posibilidades de unirse al trabajo en el primer reactor termonuclear experimental con un balance energético positivo.
¿Qué volar?
Los motores de cohetes convencionales no son adecuados para acelerar y desacelerar una nave interestelar. Quienes estén familiarizados con el curso de mecánica impartido en el MIPT durante el primer semestre pueden calcular de forma independiente cuánto combustible necesitará un cohete para alcanzar al menos cien mil kilómetros por segundo. Para aquellos que aún no están familiarizados con la ecuación de Tsiolkovsky, inmediatamente anunciaremos el resultado: la masa de los tanques de combustible resulta ser significativamente mayor que la masa del sistema solar.
El suministro de combustible se puede reducir aumentando la velocidad a la que el motor emite el fluido de trabajo, gas, plasma u otra cosa, hasta un haz de partículas elementales. Actualmente, los motores de plasma e iones se utilizan activamente para vuelos de estaciones interplanetarias automáticas dentro del Sistema Solar o para corregir la órbita de satélites geoestacionarios, pero tienen otras desventajas. En particular, todos estos motores proporcionan muy poco empuje y todavía no pueden dar al barco una aceleración de varios metros por segundo al cuadrado.
El vicerrector del MIPT, Oleg Gorshkov, es uno de los expertos reconocidos en el campo de los motores de plasma. Los motores de la serie SPD se fabrican en Fakel Design Bureau y son productos en serie para la corrección orbital de satélites de comunicaciones.
En la década de 1950, se desarrolló un proyecto de motor que aprovecharía el impulso de una explosión nuclear (el proyecto Orión), pero estaba lejos de convertirse en una solución preparada para vuelos interestelares. Aún menos desarrollado está el diseño de un motor que utiliza el efecto magnetohidrodinámico, es decir, acelera debido a la interacción con el plasma interestelar. En teoría, una nave espacial podría “aspirar” plasma hacia el interior y expulsarlo para crear un propulsor en chorro, pero esto plantea otro problema.
¿Como sobrevivir?
El plasma interestelar está formado principalmente por protones y núcleos de helio, si consideramos las partículas pesadas. Cuando se mueven a velocidades del orden de cientos de miles de kilómetros por segundo, todas estas partículas adquieren energía de megaelectronvoltios o incluso decenas de megaelectronvoltios, la misma cantidad que los productos de reacciones nucleares. La densidad del medio interestelar es de unos cien mil iones por metro cúbico, lo que significa que por segundo un metro cuadrado del casco de la nave recibirá unos 10 13 protones con energías de decenas de MeV.
Un electronvoltio, eV,― Esta es la energía que adquiere un electrón al volar de un electrodo a otro con una diferencia de potencial de un voltio. Los cuantos de luz tienen esta energía, y los cuantos ultravioleta con mayor energía ya son capaces de dañar las moléculas de ADN. La radiación o partículas con energías de megaelectronvoltios acompañan a las reacciones nucleares y, además, son ellas mismas capaces de provocarlas.
Esta irradiación corresponde a una energía absorbida (suponiendo que toda la energía sea absorbida por la piel) de decenas de julios. Además, esta energía no sólo vendrá en forma de calor, sino que podrá utilizarse parcialmente para iniciar reacciones nucleares en el material del barco con la formación de isótopos de vida corta: en otras palabras, el revestimiento se volverá radiactivo.
Una parte de los protones incidentes y los núcleos de helio pueden ser desviados mediante un campo magnético; la radiación inducida y la radiación secundaria pueden protegerse mediante una capa compleja de muchas capas, pero estos problemas tampoco tienen solución todavía. Además, las dificultades fundamentales del tipo "qué material será menos destruido por la irradiación" en la etapa de mantenimiento del barco en vuelo se convertirán en problemas especiales: "cómo desenroscar cuatro pernos 25 en un compartimento con un fondo de cincuenta milisieverts por hora."
Recordemos que durante la última reparación del telescopio Hubble, los astronautas inicialmente no lograron desatornillar los cuatro tornillos que sujetaban una de las cámaras. Después de consultar con la Tierra, reemplazaron la llave limitadora de torque por una normal y aplicaron fuerza bruta. Los pernos se salieron de su lugar y la cámara se reemplazó con éxito. Si se hubiera quitado el perno atascado, la segunda expedición habría costado 500 millones de dólares. O no habría sucedido en absoluto.
¿Hay alguna solución?
En la ciencia ficción (a menudo más fantasía que ciencia), los viajes interestelares se logran a través de "túneles subespaciales". Formalmente, las ecuaciones de Einstein, que describen la geometría del espacio-tiempo en función de la masa y la energía distribuidas en este espacio-tiempo, permiten algo similar: sólo que los costes energéticos estimados son aún más deprimentes que las estimaciones de la cantidad de combustible para cohetes para un Vuelo a Próxima Centauri. No sólo se necesita mucha energía, sino que además la densidad energética debe ser negativa.
La cuestión de si es posible crear un “agujero de gusano” estable, grande y energéticamente posible está ligada a cuestiones fundamentales sobre la estructura del Universo en su conjunto. Uno de los problemas no resueltos de la física es la ausencia de gravedad en el llamado Modelo Estándar, teoría que describe el comportamiento de las partículas elementales y tres de las cuatro interacciones físicas fundamentales. La gran mayoría de los físicos se muestran bastante escépticos de que en la teoría cuántica de la gravedad haya lugar para los "saltos a través del hiperespacio" interestelares, pero, estrictamente hablando, nadie prohíbe intentar buscar una solución alternativa para los vuelos a las estrellas.
