• Hälsa
• Graviditet
• Barn
• Relation
• Förlossning

Bemannad flygning till andra stjärnor är möjlig. Interstellära resor: en dröm eller en riktig utsikt? Och ännu snabbare

Allt som kallas "warp drive" låter mer som Star Trek än NASA. Tanken bakom Alcubierre warp-drevet är att det kan vara en möjlig lösning (eller åtminstone början på ett sökande) för att övervinna universums begränsningar när det gäller att resa snabbare än ljuset.

Grunderna i denna idé är ganska enkla, och NASA använder exemplet med ett löpband för att förklara det. Även om en person kan röra sig med en begränsad hastighet på ett löpband, betyder den kombinerade hastigheten för personen och löpbandet att slutet kommer att vara närmare än det skulle vara på ett vanligt löpband. Ett löpband är just ett löpband som rör sig genom rumtiden i en sorts expansionsbubbla. Framför warp-drevet komprimeras rymdtiden. Bakom honom expanderar det. I teorin tillåter detta motorn att driva passagerare snabbare än ljusets hastighet. En av nyckelprinciperna förknippade med utvidgningen av rum-tid tros ha gjort det möjligt för universum att snabbt expandera ögonblick efter Big Bang. I teorin borde idén vara ganska genomförbar.

Det är hemskt när det inte finns något internet på jorden och du inte kan ladda ner Google Maps på din smartphone. Under interstellära flygningar utan det blir det ännu värre. Att ta sig ut i rymden är bara det första steget; forskare börjar redan undra vad de ska göra när våra bemannade och obemannade sonder behöver skicka meddelanden tillbaka till jorden.

2008 genomförde NASA de första framgångsrika testerna av en interstellär version av Internet. Projektet började redan 1998 som en del av ett partnerskap mellan NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) och Google. Tio år senare hade partnerna ett Disruption-Tolerant Networking-system (DTN) som gör att de kan skicka bilder till en rymdfarkost 30 miljoner kilometer bort.

Tekniken måste klara av långa förseningar och avbrott i sändningar, så den kan fortsätta sända även om signalen avbryts i 20 minuter. Den kan passera genom, mellan eller genom allt från solflammor och solstormar till irriterande planeter som kan vara i datavägen, utan att förlora någon information.

Enligt Vint Cerf, en av grundarna av vårt markbundna Internet och en pionjär inom det interstellära, övervinner DTN-systemet alla problem som plågar det traditionella TCIP/IP-protokollet när det behöver fungera över långa avstånd i kosmisk skala. Med TCIP/IP kommer en Google-sökning på Mars att ta så lång tid att resultaten ändras medan frågan bearbetas, och en del av informationen kommer att gå förlorad i utdata. Med DTN tillförde ingenjörerna något helt nytt – möjligheten att tilldela olika domännamn till olika planeter och välja vilken planet du vill söka på Internet på.

Vad sägs om att resa till planeter vi ännu inte är bekanta med? Scientific American föreslår att det kan finnas ett sätt, om än ett mycket dyrt och tidskrävande sätt, att föra internet till Alpha Centauri. Genom att lansera en serie självreplikerande von Neumann-sonder är det möjligt att skapa en lång rad relästationer som kan skicka information längs den interstellära kretsen. En signal som föds i vårt system kommer att färdas genom sonderna och nå Alpha Centauri, och vice versa. Det är sant att många sonder kommer att krävas, vars konstruktion och lansering kommer att kosta miljarder. Och i allmänhet, med tanke på att den längsta sonden kommer att behöva resa sin väg i tusentals år, kan det antas att under denna tid kommer inte bara tekniken att förändras, utan också den totala kostnaden för evenemanget. Låt oss inte skynda oss.

Embryonal kolonisering av rymden

Ett av de största problemen med interstellära resor - och kolonisering i allmänhet - är hur lång tid det tar att ta sig någonstans, även med några varpdrifter i ärmen. Själva uppgiften att leverera en grupp nybyggare till sin destination ger upphov till många problem, så förslag föds om att inte skicka en grupp kolonister med en fullt bemannad besättning, utan snarare ett skepp fyllt med embryon - framtidens frön av mänskligheten. När fartyget når det nödvändiga avståndet till sin destination börjar de frusna embryona att växa. Sedan kommer de ut med barn som växer upp på skeppet, och när de äntligen når sin destination har de alla förmågor att föreställa sig en ny civilisation.

Uppenbarligen väcker allt detta i sin tur en enorm hög med frågor, som vem som ska utföra odlingen av embryon och hur. Robotar skulle kunna uppfostra människor, men hur kommer människorna som uppfostras av robotar att vara? Kommer robotar att kunna förstå vad ett barn behöver för att växa och frodas? Kommer de att kunna förstå straff och belöningar, mänskliga känslor? Och generellt återstår det att se hur man håller frusna embryon intakta i hundratals år och hur man odlar dem i en konstgjord miljö.

En föreslagen lösning som skulle kunna lösa problemen med en robotbarnflicka skulle vara att skapa en kombination av ett skepp med embryon och ett skepp med svävande animation där vuxna sover, redo att vakna när de ska uppfostra barn. En rad år av barnuppfostran i kombination med en återgång till viloläge skulle i teorin kunna leda till en stabil befolkning. En noggrant skapad sats av embryon kan ge den genetiska mångfalden som gör att populationen kan bibehållas i ett mer eller mindre stabilt tillstånd när en koloni väl är etablerad. En extra sats kan också inkluderas i ett fartyg med embryon, vilket kommer att ytterligare diversifiera den genetiska poolen.

Von Neumann sonderar

Allt vi bygger och skickar ut i rymden kommer oundvikligen med sina egna utmaningar, och att göra något som kommer att resa miljontals mil utan att brinna upp, falla sönder eller blekna bort verkar vara en helt omöjlig uppgift. Men lösningen på detta problem kan ha hittats för decennier sedan. På 1940-talet föreslog fysikern John von Neumann mekanisk teknik som skulle reproducera sig själv, och även om hans idé inte hade något att göra med interstellära resor, ledde det oundvikligen till det. Som ett resultat kan von Neumann-sonder i teorin användas för att utforska stora interstellära områden. Enligt vissa forskare är tanken att allt detta kom till oss först inte bara pompös, utan också osannolik.

Forskare från University of Edinburgh publicerade en artikel i International Journal of Astrobiology, som undersökte inte bara möjligheten att skapa sådan teknik för sina egna behov, utan också sannolikheten att någon redan har gjort det. Baserat på tidigare beräkningar som visade hur långt en farkost kunde resa med olika framdrivningssätt, studerade forskarna hur denna ekvation skulle förändras när den tillämpades på självreplikerande farkoster och sonder.

Forskarnas beräkningar centrerades kring självreplikerande sonder som kunde använda skräp och andra rymdmaterial för att bygga juniorsonder. Förälder- och dottersonderna skulle föröka sig så snabbt att de skulle täcka hela galaxen på bara 10 miljoner år – och det är om de färdades med 10 % av ljusets hastighet. Det skulle dock innebära att vi någon gång borde ha fått besök av några liknande sonder. Eftersom vi inte har sett dem kan en bekväm förklaring hittas: antingen är vi inte tekniskt avancerade nog att veta var vi ska leta, eller .

Slingshot med svart hål

Idén att använda en planets eller månes gravitation för att skjuta, som från en slangbella, antogs i vårt solsystem mer än en eller två gånger, framför allt av Voyager 2, som fick en extra push först från Saturnus och sedan från Uranus på väg ut ur systemet. Idén går ut på att manövrera skeppet, så att det kan öka (eller minska) sin hastighet när det rör sig genom planetens gravitationsfält. Science fiction-författare älskar särskilt denna idé.

Författaren Kip Thorne lade fram en idé: en sådan manöver kan hjälpa enheten att lösa ett av de största problemen med interstellära resor - bränsleförbrukning. Och han föreslog en mer riskabel manöver: acceleration med binära svarta hål. Det kommer att ta en minuts förbränning av bränsle för att passera den kritiska omloppsbanan från ett svart hål till ett annat. Efter att ha gjort flera varv runt svarta hål kommer enheten att få fart nära ljuset. Allt som återstår är att sikta väl och aktivera raketkraften för att sätta dig själv en kurs mot stjärnorna.

Osannolik? Ja. Underbar? Definitivt. Thorne påpekar att det finns många problem med en sådan idé, till exempel exakta beräkningar av banor och timing, som skulle förhindra att enheten skickas direkt till närmaste planet, stjärna eller annan kropp. Frågor uppstår också om att återvända hem, men om du bestämmer dig för en sådan manöver planerar du definitivt inte att återvända.

Ett prejudikat för en sådan idé har redan skapats. År 2000 upptäckte astronomer 13 supernovor som flög genom galaxen med en otrolig hastighet på 9 miljoner kilometer i timmen. Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champagne har upptäckt att dessa egensinniga stjärnor kastades ut från galaxen av ett par svarta hål som låstes in i ett par under processen med förstörelse och sammanslagning av två separata galaxer.

Starseed Launcher

När det kommer till att lansera även självreplikerande sonder blir bränsleförbrukningen ett problem. Detta har inte hindrat människor från att leta efter nya idéer om hur man kan lansera sonder till interstellära avstånd. Denna process skulle kräva megaton energi om vi använde den teknik vi har idag.

Forrest Bishop vid Institute of Atomic Engineering sa att han har skapat en metod för att skjuta upp interstellära sonder som skulle kräva en mängd energi som ungefär motsvarar den för ett bilbatteri. Den teoretiska Starseed Launcher skulle vara cirka 1 000 kilometer lång och huvudsakligen bestå av ledningar och ledningar. Trots sin längd kunde det hela passa i ett lastfartyg och drivas av ett 10-volts batteri.

En del av planen innebär att skjuta upp sonder som är lite mer än ett mikrogram i massa och som bara innehåller den grundläggande information som behövs för att ytterligare bygga sonder i rymden. Under en serie uppskjutningar kan miljarder av sådana sönder skjutas upp. Huvudsyftet med planen är att självreplikerande sonder kommer att kunna kombineras med varandra efter lanseringen. Själva bärraketen kommer att vara utrustad med supraledande magnetiska levitationsspolar som skapar en omvänd kraft som ger dragkraft. Bishop säger att vissa detaljer i planen måste utarbetas, som hur sonderna kommer att motverka interstellär strålning och skräp, men den övergripande konstruktionen kan börja.

Speciella växter för rymdlivet

När vi väl kommer någonstans behöver vi sätt att odla mat och regenerera syre. Fysikern Freeman Dyson har föreslagit några intressanta idéer om hur detta skulle kunna göras.

1972 höll Dyson sin berömda föreläsning på Birkbeck College, London. Sedan föreslog han att det med hjälp av några genetiska manipulationer skulle vara möjligt att skapa träd som inte bara kunde växa, utan också trivas på en ogästvänlig yta, som en komet, till exempel. Omprogrammera ett träd för att reflektera ultraviolett ljus och spara vatten mer effektivt, och trädet kommer inte bara att slå rot och växa, utan också nå storlekar som är otänkbara med jordiska standarder. I en intervju föreslog Dyson att det i framtiden kan finnas svarta träd, både i rymden och på jorden. Kiselbaserade träd skulle vara effektivare, och effektivitet är nyckeln till livslängd. Dyson betonar att denna process inte kommer att vara en fråga om minuter – kanske om tvåhundra år kommer vi äntligen att komma på hur vi får träd att växa i rymden.

Dysons idé är inte så besynnerlig. NASAs Institute for Advanced Concepts är en hel avdelning dedikerad till att lösa framtidens problem, och bland dem finns uppgiften att odla hållbara växter på Mars yta. Även växthusväxter på Mars kommer att växa under extrema förhållanden, och forskare prövar olika alternativ för att försöka kombinera växter med extremofiler, små mikroskopiska organismer som överlever under några av de svåraste förhållandena på jorden. Från tomater på hög höjd som har en inbyggd motståndskraft mot ultraviolett ljus, till bakterier som överlever i de kallaste, hetaste och djupaste hörnen av jordklotet, kanske vi en dag får ihop en Marsträdgård. Allt som återstår är att ta reda på hur man sätter ihop alla dessa klossar.

Lokal resursåtervinning

Att leva från marken kan vara en ny trend på jorden, men när det kommer till månadslånga uppdrag i rymden blir det nödvändigt. För närvarande sysslar NASA bland annat med att studera frågan om lokalt resursutnyttjande (ISRU). Det finns bara så mycket utrymme på ett rymdskepp, och att skapa system för att använda material som finns i rymden och på andra planeter kommer att vara nödvändigt för all långvarig kolonisering eller resor, särskilt när destinationen är en plats där det kommer att vara mycket svårt att leverera last av förnödenheter, bränsle, mat och så vidare. De första försöken att demonstrera möjligheterna att använda lokala resurser gjordes på sluttningarna av Hawaii-vulkaner och under polaruppdrag. Listan över uppgifter inkluderar bland annat att utvinna bränslekomponenter från aska och annan naturligt tillgänglig terräng.

I augusti 2014 gjorde NASA ett kraftfullt tillkännagivande genom att avslöja nya leksaker som skulle gå till Mars med nästa rover, som lanseras 2020. Bland verktygen i den nya roverns arsenal finns MOXIE, ett experiment för lokalt resursutnyttjande i form av Mars-syre. MOXIE kommer att ta Mars andningsbara atmosfär (96 % koldioxid) och dela upp den i syre och kolmonoxid. Enheten kommer att kunna producera 22 gram syre för varje drifttimme. NASA hoppas också att MOXIE ska kunna demonstrera något annat - kontinuerlig drift utan förlust av produktivitet eller effektivitet. MOXIE kan inte bara vara ett viktigt steg mot långsiktiga utomjordiska uppdrag, utan det kan också bana väg för många potentiella omvandlare av skadliga gaser till användbara.

2 kostym

Reproduktion i rymden kan bli problematisk på en mängd olika nivåer, särskilt i mikrogravitation. 2009 visade japanska experiment på musembryon att även om befruktning sker under förhållanden som inte är noll, utvecklas inte embryon som utvecklas utanför jordens normala gravitation (eller dess motsvarighet) normalt. När celler måste dela sig och utföra specialiserade aktiviteter uppstår problem. Detta betyder inte att befruktning inte sker: mössembryon som skapats i rymden och implanterats i honmöss på jorden växte framgångsrikt och föddes utan problem.

Detta väcker också en annan fråga: Hur exakt fungerar babyproduktion i mikrogravitation? Fysikens lagar, särskilt det faktum att varje handling har en lika och motsatt reaktion, gör dess mekanik lite löjlig. Vanna Bonta, författare, skådespelerska och uppfinnare, bestämde sig för att ta denna fråga på allvar.

Och hon skapade 2suit: en kostym där två personer kan gömma sig och börja göra bebisar. De kollade till och med honom. 2008 testades 2suit på den så kallade Vomit Comet (ett flygplan som gör skarpa svängar och skapar minutlånga förhållanden av viktlöshet). Även om Bonta antyder att smekmånad i rymden kan bli verklighet tack vare hennes uppfinning, har dräkten också mer praktiska användningsområden, som att spara kroppsvärme i en nödsituation.

Projekt Långskott

Project Longshot sammanställdes av ett team från US Naval Academy och NASA som en del av ett gemensamt arbete i slutet av 1980-talet. Det slutliga målet med planen var att lansera något vid 2000-talets början, nämligen en obemannad sond som skulle resa till Alpha Centauri. Det skulle ta honom 100 år att nå sitt mål. Men innan den kan lanseras kommer den att behöva några nyckelkomponenter som också behöver utvecklas.

Förutom kommunikationslasrar, långlivade fissionsreaktorer och tröghfanns det andra element. Sonden var tvungen att ges oberoende tänkande och funktioner, eftersom det skulle vara praktiskt taget omöjligt att kommunicera över interstellära avstånd tillräckligt snabbt för att informationen skulle förbli relevant när den nådde mottagningspunkten. Allt måste också vara otroligt hållbart, eftersom sonden skulle ta 100 år att nå sin destination.

Longshot skulle skickas till Alpha Centauri med olika uppgifter. I grund och botten var han tvungen att samla in astronomiska data som skulle möjliggöra korrekta beräkningar av avstånd till miljarder, om inte biljoner, andra stjärnor. Men om kärnreaktorn som driver farkosten tar slut kommer uppdraget också att sluta. Longshot var en mycket ambitiös plan som aldrig kom igång.

Men det betyder inte att idén dog i sin linda. 2013 kom Longshot II-projektet bokstavligen igång i form av studentprojektet Icarus Interstellar. Det har skett årtionden av tekniska framsteg sedan det ursprungliga Longshot-programmet som kan appliceras på den nya versionen, och programmet som helhet har fått en översyn. Bränslekostnaderna sågs över, uppdragets varaktighet halverades och hela Longshot-designen reviderades från topp till tå.

Slutprojektet kommer att vara en intressant indikator på hur ett olösligt problem förändras med tillskott av ny teknik och information. Fysikens lagar förblir desamma, men 25 år senare har Longshot möjligheten att hitta en andra vind och visa oss hur framtiden för interstellära resor borde se ut.

Baserat på material från listverse.com

Och lämnade solsystemet; Nu används de för att studera det interstellära rymden. I början av 2000-talet finns det inga stationer vars direkta uppdrag skulle vara att flyga till de närmaste stjärnorna.

Avståndet till närmaste stjärna (Proxima Centauri) är cirka 4 243 ljusår, det vill säga cirka 268 tusen gånger avståndet från jorden till solen.

Interstellära expeditionsprojekt

Projekt "Orion"

Rymdskeppsprojekt drivs av trycket från elektromagnetiska vågor

1971, i en rapport av G. Marx vid ett symposium i Byurakan, föreslogs att man skulle använda röntgenlasrar för interstellära resor. Möjligheten att använda denna typ av framdrivning undersöktes senare av NASA. Som ett resultat gjordes följande slutsats: "Om möjligheten att skapa en laser som fungerar i röntgenvåglängdsområdet hittas, kan vi prata om den verkliga utvecklingen av ett flygplan (accelererad av strålen från en sådan laser) som kommer att kunna täcka avstånd till de närmaste stjärnorna mycket snabbare än alla kända raketdrivna system. Beräkningar visar att med det rymdsystem som beaktas i detta arbete är det möjligt att nå stjärnan Alpha Centauri... om cirka 10 år."

1985 föreslog R. Forward designen av en interstellär sond som accelererades av mikrovågsenergi. Projektet förutsåg att sonden skulle nå de närmaste stjärnorna om 21 år.

Vid den 36:e internationella astronomiska kongressen föreslogs ett projekt för ett rymdskepp med laser, vars rörelse tillhandahålls av energin från optiska lasrar som ligger i omloppsbana runt Merkurius. Enligt beräkningar skulle vägen för ett rymdskepp av denna design till stjärnan Epsilon Eridani (10,8 ljusår) och tillbaka ta 51 år.

Förintelsemotorer

De huvudsakliga problemen som identifierats av forskare och ingenjörer som analyserade utformningen av förintelseraketer är att erhålla den erforderliga mängden antimateria, lagra den och fokusera flödet av partiklar i önskad riktning. Det indikeras att det nuvarande tillståndet för vetenskap och teknik inte ens teoretiskt tillåter skapandet av sådana strukturer.

Ramjet-motorer som drivs av interstellärt väte

Huvudkomponenten i massan av moderna raketer är den bränslemassa som krävs av raketen för acceleration. Om vi ​​på något sätt kan använda miljön kring raketen som arbetsvätska och bränsle kan vi avsevärt minska raketens massa och därigenom uppnå höga hastigheter.

Generationsfartyg

Interstellära resor är också möjliga med hjälp av rymdskepp som implementerar konceptet "generationsskepp" (till exempel som O'Neills kolonier) I sådana rymdskepp skapas och underhålls en sluten biosfär, som kan upprätthålla och reproducera sig själv i flera tusen år. Flygningen sker i låg hastighet och tar mycket lång tid, under vilken många generationer av astronauter lyckas förändras.

FTL framdrivning

Anteckningar

se även

Källor

• Kolesnikov Yu. V. Du borde bygga rymdskepp. M., 1990. 207 sid. ISBN 5-08-000617-X.
• http://www.gazeta.ru/science/2008/01/30_a_2613225.shtml?4 Föreläsning om interstellära flygningar, om acceleration på 100 km/sek nära stjärnor

Under layoutprocessen korrigerades nummerregister och stavfel i formler. Presenteras i läsbar tabellform.
Ivan Alexandrovich Korznikov
Verkligheten med interstellära flygningar

Människor har länge drömt om att flyga genom yttre rymden till andra stjärnor, resa till andra världar och möta överjordisk intelligens. Science fiction-författare skrev upp berg av papper och försökte föreställa sig hur detta skulle hända; de kom på en mängd olika tekniker som kunde förverkliga dessa drömmar. Men för tillfället är det bara fantasier. Låt oss försöka föreställa oss hur en sådan flygning kan se ut i verkligheten.
Avstånden mellan stjärnorna är så stora att ljuset från en stjärna till en annan färdas i flera år och det rör sig med mycket hög hastighet Med =299 793 458 Fröken. För att mäta dessa avstånd använder astronomer en speciell enhet - ljusåret, som är lika med avståndet som ljuset färdas i 1 år: 1 St. år = 9,46 10 15 meter (detta är ungefär 600 gånger storleken på solsystemet). Astronomer har beräknat det i en sfär med en radie 21.2 det finns ljusår runt solen 100 stjärnor som ingår i 72 stjärnsystem (dubbla, trippel, etc. system av närliggande stjärnor). Härifrån är det lätt att se att det i genomsnitt finns en volym av rymd per stjärnsystem 539 kubiska ljusår, och det genomsnittliga avståndet mellan stjärnsystem är ungefär 8.13 ljusår. Det faktiska avståndet kan vara mindre - till exempel till stjärnan närmast solen, Proxima Centauri 4.35 St. l, men i vilket fall som helst innebär interstellär flygning att täcka ett avstånd på åtminstone flera ljusår. Detta innebär att rymdskeppets hastighet inte får vara mindre än 0.1 c - då kommer flygningen att ta flera decennier och kan utföras av en generation astronauter.
Alltså borde rymdskeppets hastighet vara högre 30 000 km/s För jordisk teknik är detta fortfarande ett ouppnåeligt värde - vi har knappt bemästrat hastigheter tusen gånger lägre. Men låt oss anta att alla tekniska problem har lösts, och vårt rymdskepp har en motor (foton eller någon annan) som kan accelerera rymdfarkosten till sådana hastigheter. Vi är inte intresserade av detaljerna i dess struktur och funktion; bara en omständighet är viktig för oss här: modern vetenskap känner bara till ett sätt att accelerera i yttre rymden - jetframdrivning, som är baserad på uppfyllandet av lagen om bevarande av momentum av ett system av kroppar. Och det viktiga här är att med en sådan rörelse rör sig rymdskeppet (och vilken annan kropp som helst) i rymden och interagerar fysiskt med allt som finns i den.
I sina fantasier har science fiction-författare kommit på olika "hyperrymdhopp" och "subrymdövergångar" från en punkt i rymden till en annan, förbi mellanliggande regioner i rymden, men allt detta har, enligt den moderna vetenskapens idéer, ingen chans att förverkligas i verkligheten. Modern vetenskap har bestämt fastställt att i naturen är vissa bevarandelagar uppfyllda: lagen om bevarande av rörelsemängd, energi, laddning, etc. Och med ett "hyperrymdhopp" visar det sig att i en viss region av rymden energin, rörelsemängden och anklagelser om en fysisk kropp försvinner helt enkelt, det vill säga dessa lagar upprätthålls inte. Ur modern vetenskaps synvinkel innebär detta att en sådan process inte kan genomföras. Och huvudsaken är att det inte alls är klart vad det är, det är "hyperrymden" eller "subrymden", när den fysiska kroppen slutar interagera med kroppar i det verkliga rummet. I den verkliga världen finns det bara det som manifesterar sig i samspel med andra kroppar (i själva verket är rymden relationen mellan existerande kroppar), och det betyder att en sådan kropp faktiskt kommer att upphöra att existera – med alla de konsekvenser som följer. Så alla dessa är fruktlösa fantasier som inte kan bli föremål för seriös diskussion.
Så låt oss anta att den befintliga jetmotorn accelererade rymdskeppet till den underljushastighet vi behöver, och med denna hastighet rör sig den i yttre rymden från en stjärna till en annan. Vissa aspekter av en sådan flygning har länge diskuterats av forskare (, ), men de överväger främst de olika relativistiska effekterna av en sådan rörelse, utan att uppmärksamma andra betydande aspekter av interstellär flygning. Men verkligheten är att yttre rymden inte är ett absolut tomrum, det är ett fysiskt medium, som vanligtvis kallas det interstellära mediet. Den innehåller atomer, molekyler, dammpartiklar och andra fysiska kroppar. Och rymdskeppet kommer att behöva fysiskt interagera med alla dessa kroppar, vilket blir ett problem när man rör sig i sådana hastigheter. Låt oss titta på detta problem mer detaljerat.
Astronomer, som observerat radioemission från den kosmiska miljön och ljusets passage genom den, har funnit att det finns atomer och molekyler av gaser i yttre rymden: dessa är huvudsakligen väteatomer N vätemolekyler H 2 (det finns ungefär samma antal av dem som det finns atomer N ), heliumatomer Inte (dem in 6 gånger mindre än atomer N ), och atomer av andra grundämnen (främst kol C, syre HANDLA OM och kväve N ), vilket sammanlagt uppgår till ca 1 % av alla atomer. Även sådana komplexa molekyler som CO2, CH4, HCN, H2O, NH3, HCOOH och andra, men i små mängder (det finns miljarder gånger mindre av dem än atomer N ). Koncentrationen av interstellär gas är mycket liten och (långt ifrån gas- och dammmoln) medelvärde 0,5-0,7 atomer per 1 cm 3.
Det är tydligt att när ett rymdskepp rör sig i en sådan miljö kommer denna interstellära gas att utöva motstånd, sakta ner rymdskeppet och förstöra dess skal. Därför föreslogs det att vända skadan till nytta och skapa en ramjetmotor, som genom att samla in interstellär gas (och den är på 94 % består av väte) och att förinta det med antimateriareserverna ombord, skulle alltså få energi för rymdskeppets rörelse. Enligt författarnas projekt ska det framför rymdskeppet finnas en joniserande källa (som skapar en elektron- eller fotonstråle som joniserar de inkommande atomerna) och en magnetisk spole som fokuserar de resulterande protonerna mot rymdskeppets axel, där de befinner sig. används för att skapa en fotonisk jetström.
Tyvärr visar det sig vid närmare granskning att detta projekt inte är genomförbart. För det första kan en joniserande stråle inte vara elektron (som författarna insisterar på) av den enkla anledningen att ett rymdskepp som sänder ut elektroner i sig kommer att laddas med en positiv laddning, och förr eller senare kommer fälten som skapas av denna laddning att störa driften av rymdskepps system. Om du använder en fotonstråle, så (dock som för en elektronstråle), kommer saken ner till det lilla tvärsnittet för fotojonisering av atomer. Problemet är att sannolikheten för att en atom joniseras av en foton är mycket liten (så att luften inte joniseras av kraftfulla laserstrålar). Det uttrycks kvantitativt av joniseringstvärsnittet, vilket är numeriskt lika med förhållandet mellan antalet joniserade atomer och fotonflödestätheten (antalet infallande fotoner pr. 1 cm 2 per sekund). Fotojonisering av väteatomer börjar vid fotonenergi 13.6 elektronvolt= 2.18·10 -18 J (våglängd 91.2 nm), och vid denna energi är fotojoniseringstvärsnittet maximalt och lika med 6,3·10 -18 cm2 (sid. 410). Det betyder att det krävs i genomsnitt för att jonisera en väteatom 1,6 10 17 fotoner per cm 2 per sekund. Därför måste kraften hos en sådan joniserande stråle vara gigantisk: om rymdskeppet rör sig med en hastighet v sedan för 1 för en sekund 1 cm 2 av dess yta flyger rv kolliderande atomer, där r - koncentration av atomer, som i vårt fall av nära-ljusrörelse kommer att vara av storleksordningen rv=0,7·3·10 10 =2·10 10 atomer per sekund 1 cm 2. Det betyder att flödet av joniserande fotoner inte får vara mindre n= 2·10 10 / 6,3·10 -18 =3·10 27 1/cm s. Energin som bärs av en sådan ström av fotoner kommer att vara lika med e=2,18·10 -18 ·3·10 27 =6,5·10 9 J/cm s.
Dessutom kommer, förutom väteatomer, samma antal molekyler att flyga in i rymdskeppet H 2 , och deras jonisering sker vid fotonenergi 15.4 eV (våglängd 80.4 nm). Detta kommer att kräva ungefär en fördubbling av flödeseffekten, och den totala flödeseffekten bör vara e=1,3·10 10 J/cm2. Som jämförelse kan vi påpeka att flödet av fotonenergi på solens yta är lika med 6,2 10 3 J/cm 2 s, det vill säga rymdfarkosten ska lysa två miljoner gånger starkare än solen.
Eftersom energin och rörelsemängden hos en foton hänger samman med relationen E=rs , då kommer denna ström av fotoner att få fart р=еS/с Var S - massintagsområde (ca 1000 m 2), vilket blir 1,3 10 10 10 7 / 3 10 8 =4,3 10 8 Kg·m/s, och denna impuls riktas mot hastigheten och saktar ner rymdskeppet. Faktum är att det visar sig att en fotonmotor står framför rymdskeppet och trycker det i motsatt riktning - det är klart att en sådan push-pull inte kommer att flyga långt.
Således är joniseringen av infallande partiklar för dyr, och modern vetenskap känner inte till något annat sätt att koncentrera interstellära gaser. Men även om en sådan metod hittas, kommer ramjetmotorn fortfarande inte att rättfärdiga sig själv: Zenger visade också (s. 112) att mängden dragkraft för en ramjet fotonisk jetmotor är försumbar och den kan inte användas för att accelerera en raket med hög acceleration. Faktum är att det totala inflödet av massa av infallande partiklar (främst väteatomer och molekyler) kommer att vara dm=3m p Srv=3 1,67 10 -27 10 7 2 10 10 =10 -9 Kg/s. Vid förintelse kommer denna massa att släppa ett maximum W=mc 2 = 9 10 7 J/s, och om all denna energi spenderas på bildandet av en fotonjetström, kommer ökningen av rymdskeppets rörelsemängd per sekund att vara dр=W/c=9·107/3·108 =0,3 Kg m/s, vilket motsvarar en dragkraft på 0.3 Newton. Med ungefär samma kraft trycker en liten mus på marken, och det visar sig att berget födde en mus. Därför är det inte meningsfullt att designa ramjetmotorer för interstellära flygningar.

Av ovanstående följer att det inte kommer att vara möjligt att avleda de inkommande partiklarna från det interstellära mediet, och rymdskeppet måste acceptera dem med sin kropp. Detta leder till vissa krav för utformningen av rymdskeppet: framför det måste det finnas en skärm (till exempel i form av ett koniskt hölje), som kommer att skydda huvudkroppen från effekterna av kosmiska partiklar och strålning. Och bakom skärmen bör det finnas en radiator som tar bort värme från skärmen (och samtidigt fungerar som en sekundär skärm), fäst vid rymdskeppets huvudkropp med värmeisolerande balkar. Behovet av en sådan design förklaras av det faktum att de infallande atomerna har hög kinetisk energi, de kommer att tränga djupt in i skärmen och, sakta ner i den, skingra denna energi i form av värme. Till exempel i flyghastighet 0,75 c energin för en väteproton kommer att vara ungefär 500 MeV - i kärnfysikenheter, vilket motsvarar 8·10 -11 J. Den kommer att penetrera skärmen till ett djup av flera millimeter och överföra denna energi till vibrationer av skärmens atomer. Och sådana partiklar kommer att flyga omkring 2 10 10 atomer och samma antal vätemolekyler per sekund per 1 cm 2, det vill säga varje sekund för 1 2 cm skärmyta kommer att levereras 4.8 J av energi omvandlas till värme. Men problemet är att i rymden kan denna värme bara avlägsnas genom att sända ut elektromagnetiska vågor i det omgivande rymden (det finns ingen luft eller vatten där). Detta innebär att skärmen kommer att värmas upp tills dess termiska elektromagnetiska strålning är lika med kraften som kommer från de infallande partiklarna. Termisk strålning av elektromagnetisk energi från en kropp bestäms av Stefan-Boltzmann-lagen, enligt vilken den energi som emitteras per sekund med 1 cm 2 yta är lika q=sТ 4 Var s=5,67·10 -12 J/cm 2 K 4 är Stefans konstant, och T - kroppsytans temperatur. Förutsättningen för att upprätta jämvikt kommer att vara sТ 4 =Q Var F - inkommande effekt, det vill säga skärmtemperaturen blir T=(Q/s) 1/4 . Genom att ersätta motsvarande värden i denna formel finner vi att skärmen kommer att värmas upp till en temperatur 959 o K = 686 o C. Det är klart att vid höga hastigheter blir denna temperatur ännu högre. Detta innebär till exempel att skärmen inte kan vara gjord av aluminium (dess smältpunkt är endast 660 o C), och det måste vara termiskt isolerat från rymdskeppets huvudkropp - annars blir de levande avdelningarna oacceptabelt varma. Och för att underlätta skärmens termiska regim är det nödvändigt att fästa en radiator med en stor strålningsyta (kan vara gjord av aluminium), till exempel i form av ett cellulärt system av längsgående och tvärgående ribbor, medan de tvärgående ribborna kommer samtidigt att fungera som sekundära skärmar, skydda de levande avdelningarna från fragment och bremsstrahlung strålningspartiklar som faller in i skärmen, etc.

Men skydd från atomer och molekyler är inte huvudproblemet med interstellär flygning. Astronomer, som observerar absorptionen av ljus från stjärnor, har bestämt att det finns en betydande mängd damm i det interstellära rymden. Sådana partiklar, som starkt sprider och absorberar ljus, har dimensioner 0.1-1 mikron och beställningens massa 10 -13 g, och deras koncentration är mycket mindre än koncentrationen av atomer och är ungefär lika med r=10 -12 1/cm 3 att döma av deras densitet ( 1 g/cm 3) och brytningsindex ( n=1.3 ) de är huvudsakligen snöbollar som består av frusna kosmiska gaser (väte, vatten, metan, ammoniak) med en blandning av fast kol och metallpartiklar. Tydligen är det från dem som kärnorna hos kometer med samma sammansättning bildas. Och även om dessa borde vara ganska lösa formationer, kan de vid nästan ljushastigheter orsaka stor skada.
Vid sådana hastigheter börjar relativistiska effekter manifestera sig starkt, och kroppens kinetiska energi i det relativistiska området bestäms av uttrycket

Som kan ses ökar en kropps energi kraftigt när v närmar sig ljusets hastighet c: Så, med en hastighet 0.7 med en dammfläck m=10-13 g har kinetisk energi 3.59 J (se tabell 1) och slå den på skärmen motsvarar en explosion i den på ungefär 1 mg TNT. I fart 0.99 detta damm kommer att ha energi 54.7 J, vilket är jämförbart med energin hos en kula som avfyras från en Makarov-pistol ( 80 J). Vid sådana hastigheter visar det sig att varje kvadratcentimeter av skärmytan kontinuerligt beskjuts av kulor (och explosiva sådana) med en frekvens 12 skott per minut. Det är klart att ingen skärm klarar sådan exponering under flera års flygning.

Tabell 1 Energikvoter

Beteckningar: E r - kinetisk energi för en proton i MeV TILL - kinetisk energi av 1 kg ämne i J T - TNT motsvarande ett kilogram i ton TNT.

För att bedöma konsekvenserna av att en partikel träffar en yta kan du använda formeln som föreslagits av F. Whipple, expert på dessa frågor (s. 134), enligt vilken dimensionerna på den resulterande kratern är lika med

Var d - densitet av skärmämnet, F - dess specifika smältvärme.

Men här måste vi komma ihåg att vi faktiskt inte vet hur dammpartiklar kommer att påverka skärmmaterialet vid sådana hastigheter. Denna formel är giltig för låga anslagshastigheter (av ordningen 50 km/s eller mindre), och vid kollisionshastigheter nära ljus, bör de fysiska processerna för stöt och explosion fortgå helt annorlunda och mycket intensivare. Man kan bara anta att på grund av relativistiska effekter och dammkornmaterialets stora tröghet kommer explosionen att riktas djupt in i skärmen, som en kumulativ explosion, och leda till bildandet av en mycket djupare krater. Den givna formeln återspeglar generella energiförhållanden, och vi antar att den är lämplig för att bedöma resultaten av en påverkan och för nära ljushastigheter.
Tydligen är det bästa materialet för skärmen titan (på grund av dess låga densitet och fysiska egenskaper), för vilket d=4.5 g/cm3 och F=315 KJ/Kg, vilket ger

d=0,00126· E 1/3 meter

På v=0.1 c vi får E=0.045 J och d=0,00126·0,356=0,000448 m= 0.45 mm. Det är lätt att hitta det efter att ha gått igenom 1 ljusår kommer rymdskeppsskärmen att mötas n=rs=10 -12 ·9,46·10 17 =10 6 dammfläckar för varje cm 2, och varje 500 dammpartiklar kommer att ta bort ett lager 0.448 mm skärm. Så efter 1 ljusår av resor kommer skärmen att raderas av tjockleken 90 cm. Av detta följer att för flygning med sådana hastigheter, till exempel till Proxima Centauri (endast där), bör skärmen ha en tjocklek av ca. 5 meter och massa ca 2.25 tusen ton. I höga hastigheter blir situationen ännu värre:

Tabell 2 Tjocklek X titan, raderbar 1 ljusårsresa

Som kan ses, när v/c >0.1 skärmen måste ha en oacceptabel tjocklek (tiotals och hundratals meter) och massa (hundratusentals ton). Egentligen kommer då rymdfarkosten att huvudsakligen bestå av denna skärm och bränsle, vilket kommer att kräva flera miljoner ton. På grund av dessa omständigheter är flygningar med sådana hastigheter omöjliga.

Den övervägda nötande effekten av kosmiskt stoft tömmer faktiskt inte ut hela skalan av nedslag som ett rymdskepp kommer att genomgå under interstellär flygning. Det är uppenbart att det i det interstellära rymden inte bara finns stoftkorn, utan också kroppar av andra storlekar och massor, men astronomer kan inte direkt observera dem på grund av det faktum att även om deras storlekar är större, är de själva mindre, så de gör inte ett märkbart bidrag till absorptionen av stjärnljus (dammkornen som diskuterades tidigare har en storlek i storleksordningen av våglängden för synligt ljus och absorberar och sprider det därför starkt, och det finns ganska många av dem, varför astronomer främst observerar dem) .
Men vi kan få en uppfattning om kroppar i rymden från de kroppar som vi observerar i solsystemet, inklusive nära jorden. Som mätningar visar, rör sig solsystemet i förhållande till angränsande stjärnor ungefär i riktning mot Vega med en hastighet 15.5 km/s, vilket innebär att den för varje sekund sopar upp fler och fler nya volymer av yttre rymden tillsammans med dess innehåll. Naturligtvis kom inte allt nära solen utifrån, många kroppar var ursprungligen element i solsystemet (planeter, asteroider, många meteorskurar). Men astronomer har mer än en gång observerat, till exempel, flygningen av några kometer som anlände från interstellärt rymden och flög tillbaka dit. Det betyder att det finns mycket stora kroppar där (som väger miljoner och miljarder ton), men de är mycket sällsynta. Det är tydligt att kroppar av nästan vilken massa som helst kan mötas där, men med olika sannolikheter. Och för att uppskatta sannolikheten att möta olika kroppar i det interstellära rymden måste vi hitta fördelningen av sådana kroppar efter massa.
Först och främst måste du veta vad som händer med kroppar när de är i solsystemet. Denna fråga har studerats väl av astrofysiker, och de har funnit att livslängden för inte särskilt stora kroppar i solsystemet är mycket begränsad. Således små partiklar och dammpartiklar med massor mindre än 10 -12 g skjuts helt enkelt ut ur solsystemet av ljusströmmar och protoner från solen (som kan ses i kometernas svansar). För större partiklar blir resultatet det motsatta: som ett resultat av den så kallade Poynting-Robertson-effekten faller de mot solen, och sjunker gradvis mot den i en spiral under en period av ungefär flera tiotusentals år.
Det betyder att de sporadiska partiklarna och mikrometeoriterna som observerats i solsystemet (ej relaterade till dess egna meteorskurar) kom in i det från det omgivande rymden, eftersom dess egna partiklar av denna typ länge har försvunnit. Därför kan det önskade beroendet hittas från observationer av sporadiska partiklar i själva solsystemet. Sådana observationer har utförts under lång tid, och forskare har kommit till slutsatsen (,) att lagen om fördelning av kosmiska kroppar i massa har formen N(M)=NO/Mi Direkta mätningar för sporadiska meteorer i massområdet från 10 -3 innan 10 2 g (sid. 127) ges för flödestätheten för meteorer med en massa på mer än M gramberoende

F( M)=Ф(1)/ M 1.1

De mest tillförlitliga resultaten i denna fråga erhölls från mätningar av mikrokratrar bildade på rymdfarkosternas ytor (s. 195), de ger också k=1.1 i massintervallet från 10 -6 innan 10 5 d. För mindre massor återstår att anta att denna fördelning gäller även för dem. För storleken på partikelflödet är mer massiv 1 d olika mätningar ger värden 10 -15 1) 2·10 -14 1/m 2 s, och eftersom storleken på flödet är relaterad till kropparnas rumsliga täthet genom relationen Ф=rv , sedan härifrån kan vi finna att koncentrationen i rymden av kroppar med en massa på mer än M ges av formeln

r( M)=ri/M 1.1

var är parametern r 1 kan hittas genom att ta medelhastigheten för sporadiska meteorpartiklar till v=15 km/s (som framgår av P. Millmans mätningar), alltså ri = Ф(1)/v visar sig vara lika i genomsnitt 5·10 -25 1/cm 3.
Från den resulterande fördelningen kan vi finna att koncentrationen av partiklar vars massor är större 0.1 g är i genomsnitt lika med r(0.1)=r 1· (10) · 1,1=6,29 · 10 -24 1/cm 3, vilket betyder att på väg till 1 rymdskeppet möter ett ljusår kl 1 cm 2 ytor n=rs=5,9·10 -6 sådana partiklar som med en total yta S=100 m 2 = 10 6 cm 2 blir inte mindre 5 partiklar är mer massiva 0.1 g över hela rymdskeppets tvärsnitt. Och varje sådan partikel v=0.1 c har mer energi 4,53 10 10 J, vilket motsvarar en kumulativ explosion 11 ton TNT. Även om skärmen kan motstå detta, så är detta vad som kommer att hända härnäst: eftersom partikeln sannolikt inte kommer att träffa exakt mitten av skärmen, kommer i ögonblicket för explosionen att uppstå en kraft som vänder rymdskeppet runt dess masscentrum . För det första kommer det att ändra flygriktningen något, och för det andra kommer det att vända rymdskeppet och exponera sin sida för det mötande flödet av partiklar. Och rymdskeppet kommer snabbt att slitas sönder av dem, och om det finns reserver av antimateria ombord, kommer allt att sluta i en serie av förintelseexplosioner (eller en stor explosion).
Vissa författare uttrycker hopp om att det är möjligt att undvika en farlig meteorit. Låt oss se hur det kommer att se ut i underljushastighet v=0.1 c. Meteoritvikt 0.1 g har en storlek på ca. 2 mm och energiekvivalent 10.9 ton TNT. Att träffa rymdskeppet kommer att resultera i en dödlig explosion, och du måste undvika den. Låt oss anta att rymdskeppets radar kan upptäcka en sådan meteorit på avstånd X=1000 km - även om det inte är klart hur detta kommer att göras, eftersom å ena sidan radarn måste vara framför skärmen för att utföra sin funktion, och å andra sidan, bakom skärmen för att inte förstöras genom flödet av inkommande partiklar.
Men låt oss säga, då i tiden t = x/v = 0.03 sekunder måste rymdskeppet reagera och avvika ett avstånd på= 5 m (räknat rymdskeppets diameter 10 meter). Det betyder att den måste få fart i tvärriktningen u=y/t - igen med tiden t , det vill säga dess acceleration får inte vara mindre a=y/t 2 = 150 m/s2. Detta är accelerationen in 15 gånger mer än normalt, och ingen av besättningen, och många av rymdskeppets instrument, kommer inte att kunna motstå det. Och om rymdskeppets massa är ungefär 50 000 ton, då kommer detta att kräva kraft F= am= 7,5 10 9 newton. En sådan kraft under en tid av tusendelar av en sekund kan endast uppnås genom att producera en kraftig explosion på ett rymdskepp: med en kemisk explosion erhålls ett tryck i storleksordningen 10 5 atmosfärer= 10 10 Newton/m 2 och det kommer att kunna vända rymdskeppet åt sidan. Det vill säga, för att undvika explosionen måste du spränga rymdskeppet...
Således, även om det är möjligt att accelerera rymdskeppet till underljushastighet, kommer det inte att nå sitt slutliga mål - det kommer att finnas för många hinder på vägen. Därför kan interstellära flygningar endast utföras med betydligt lägre hastigheter, i storleksordningen 0.01 s eller mindre. Detta innebär att koloniseringen av andra världar kan ske i långsam takt, eftersom varje flygning kommer att ta hundratals och tusentals år, och för detta kommer det att vara nödvändigt att skicka stora kolonier av människor till andra stjärnor, som kan existera och utvecklas självständigt. En liten asteroid gjord av fruset väte skulle kunna vara lämplig för ett sådant ändamål: en stad av lämplig storlek skulle kunna byggas inuti den, där astronauter skulle bo, och själva asteroidmaterialet skulle användas som bränsle för ett termonukleärt kraftverk och motor. Modern vetenskap kan inte erbjuda andra sätt att utforska rymden.
Det finns bara en positiv aspekt i allt detta: invasionen av horder av aggressiva utomjordingar hotar inte jorden - det här är en alltför komplicerad sak. Men den andra sidan av myntet är att det inte kommer att vara möjligt att ta sig till världar där det finns "bröder i åtanke" inom de närmaste tiotusentals åren. Därför är det snabbaste sättet att upptäcka utomjordingar att upprätta kommunikation med hjälp av radiosignaler eller andra signaler.

Bibliografi

1. Novikov I.D. Relativitetsteori och interstellära flygningar - M.: Knowledge, 1960
2. Perelman R.G. Mål och sätt för rymdutforskning - M.: Nauka, 1967
3. Perelman R.G. Motorer för galaktiska fartyg - M.: ed. USSR Academy of Sciences, 1962
4. Burdakov V.P., Danilov Yu.I. Externa resurser och astronautik - M.: Atomizdat, 1976
5. Zenger E., On the mechanics of photon rockets - M.: ed. Utländsk litteratur, 1958
6. Zakirov U.N. Mekanik för relativistiska rymdflygningar - M.: Nauka, 1984
7. Allen K.W. Astrofysiska storheter - M.: Mir, 1977
8. Martynov D.Ya. Kurs i allmän astrofysik - M.: Nauka, 1971
9. Fysiska kvantiteter (Handbok) - M.: Energoatomizdat, 1991
10. Burdakov V.P., Siegel F.Yu. Fysiska grunder för astronautiken (rymdfysik) - M.: Atomizdat, 1974
11. Spitzer L. Space between the stars - M.: Mir, 1986.
12. Lebedinets V.M. Aerosol i den övre atmosfären och kosmiskt damm - L.: Gidrometeoizdat, 1981
13. Babajanov P.B. Meteorer och deras observationer - M.: Nauka, 1987
14. Akishin A.I., Novikov L.S. Miljöns påverkan på rymdfarkosters material - M.: Knowledge, 1983