到星星
天文學家最近宣布了有力的證據表明,距離我們的太陽最接近的恆星Proxima Centauri周圍是地球樣的外星星球,使其成為迄今為止最接近的系外行星。儘管恆星系統是我們的宇宙鄰居,但它仍然位於距離地球的4.2光年或25萬億英里。在這樣的距離上,我們可以參觀新發現的星球嗎?
即使最近的恆星也需要數万年才能使用常規航天器,例如現在使用的機器人探針探索太陽系。這些航天器是由化學火箭,低頭式離子驅動器和重力輔助軌蹟的組合所驅動的,包括圍繞太陽或大型行星所謂的“彈弓”,這使它們速度很大。
但是,如果我們要超越太陽系,我們將需要比這更快的東西 - 也許像巨型項目Daedalus Fusion Rocket一樣,此處顯示NASA圖形工程師和太空藝術家阿德里安·曼(Adrian Mann),其作品在這種未來派太空技術的倒計時中得到了體現。以下是機器人甚至人類探險家可以參觀proxima centauri系統或其他宇宙社區的七種方式。
Daedalus項目
Daedalus項目是一項星際調查的概念設計,該探測是由英國星際社會的一組技術專家於1970年代開發的。目標目的地是巴納德的明星 - 一個大約6光年的紅色矮人,在許多方面與Proxima Centauri相似,現在天文學家報告說他們發現了一個跡象潛在的可居住星球。當達達魯斯項目被構想時,一些天文學家認為,氣體巨型行星可能在巴納德的恆星周圍的軌道上,但是從那以後,在恆星系統中找不到行星。
五年項目的結果是Daedalus航天器的設計,這是一種兩階段,54,000噸的核火箭,可將400噸的機器人探針提高到光速的12%。這將使調查能夠在大約50年的時間內實行6磅的旅程前往Barnard的明星。
Daedalus航天器的火箭將由核融合提供動力,使用電子梁引爆一系列燃料的燃料,例如氦3,可以從月球表面開採。即便如此,發動機仍將消耗數万噸的燃料,以使航天器在大約4年內達到其最高速度 - 並且由於沒有任何燃料可以放慢速度,所以在航天器速度速度為70小時的最終結果將是飛行員過去的70小時飛行的速度。
太空科學家伊恩·克勞福德(Ian Crawford)說,達達盧斯(Daedalus)將太大而無法從地面的表面抬起,因此必須在軌道上建造,這意味著沒有今天不存在太空的建築能力,這是無法建造的。
儘管克勞福德認為,與航天器的設計相比,戴達魯斯概念的科學現在可以更好地理解,但他說,巨大的成本和巨大的技術挑戰可能意味著可能已經超過100年了,就像達達魯斯(Daedalus)為星空列出一樣。
伊卡洛斯項目
1970年代的Daedalus概念項目是Icarus項目的靈感,這是英國星際社會和伊卡洛斯Interstellar組織正在進行的聯合項目,這是一個國際科學家,工程師和愛好者的國際網絡,希望開發星際太空飛行的功能到2100年。
Icarus項目旨在在地球的22光年內到達任何恆星,該恆星具有潛在的宜居系外行星,這意味著如果在Proxima Centauri周圍確認行星,它可能會成為目標目的地。
Icarus項目旨在通過新技術和想法更新Daedalus設計。克勞福德說,提議的改進是使用不同的核燃料的融合火箭發動機,這些核燃料將被激光器而不是電子束引爆 - 這項技術可以從加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施的激光融合中最近的進步中獲取。
由於電子微型化和機器人技術的進步以及未來的納米技術,伊卡洛斯探針也可能小於針對Daedalus項目設想的400噸探針,這意味著該航天器將需要更少的燃料才能達到其全速速度。
輕帆
克勞福德說,我們最好的星際旅行可能是根本不使用火箭。輕帆使用光的壓力來推動有效載荷,已經被考慮用於行星際探針,在2010年,日本的實驗性Ikaros航天器成功使用了60英尺寬(20米)的輕型帆,在六個月的Venus旅程中進行了操縱。
但是,儘管陽光驅動的光帆已經是探索太陽系的有效方法,但它們的速度不足以在合理的時間內覆蓋星際距離。
克勞福德說答案可能是使用強大的激光器推動輕帆在旅途開始時,速度非常高,直到航天器離激光源太遠,無法從光束上獲得更多推力。
由於駕駛激光器將建在地球或軌道上,因此星際輕型航天器無需攜帶燃料,因此可以將航天器的質量保持較小。
激光驅動的輕型帆航天器是投資者尤里·米爾納(Yuri Milner)和物理學家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)今年宣布的突破性星際項目的基礎。該項目旨在到2036年建立一個工作原型,最終任務成本約為100億美元。
該項目設想大約1,000個郵票大小的“ Starchip”航天器,每個航天器的重量是幾克,並連接到橫跨13英尺(4 m)的輕型帆上,這些帆將從軌道上的“母艦”部署,然後由地面激光器加速到15%至20%的光速速度。
這將使航天器能夠在20到30年之間的三星級系統中前往Alpha Centauri System的4 light年旅程,其中包括Star Proxima Centauri及其可能的星球。
突破性星際項目背後的概念是由加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的宇宙學教授菲利普·盧賓(Philip Lubin)研究的,他說剩下的最大的挑戰是創建足夠強大的激光器來推動輕型帆飛船。
Busard Ramjet
由物理學家羅伯特·巴薩(Robert Bussard)於1960年提出的Bussard Ramjet概念將融合火箭的高推力與輕型帆的低燃料需求相結合。
Bussard Ramjet不會攜帶自己的燃料,而是使用一個巨大的漏斗形的電磁場在星際空間(稱為星際介質)中發現的非常薄的氣體和灰塵痕跡,該磁場在航天器前面延伸了數千英里。
然後,來自星際介質的氫將被壓縮並用作航天器後部融合火箭的燃料,將其向前驅動。
從理論上講,只要有足夠的路徑中有足夠的星際氣體提供足夠的推力,並且可以達到光速的很大一部分,乘坐Bussard Ramjet驅動的航天器就可以繼續加速。
結果,尊敬的巴薩德在許多科幻小說中都看到了長期而光榮的服務,尤其是拉里·尼文(Larry Niven)的“已知空間”小說和短篇小說,包括“ ringworld”書籍; 1970年的Poul Anderson小說“ Tau-Zero”(Doubleday,1970年),其中一名星際船員將他們受災的Bussard Spacecraft推向相對論速度,以避免破壞。
不幸的是,我們的太陽系和附近恆星周圍的星際介質特別薄,科學家計算出那裡的氫氣不足以為Bussard Ramjet加油。克勞福德說:“這不是銀河系的理想部分。”
但他解釋說,已經提出了一些想法來解決此限制,包括一個稱為“ ram增強恆星火箭”的概念,該概念使用收集的物質作為反應質量將航天器向前推動,並使用激光射向它。還有一條“星際跑道”,該跑道將使用在加速的Bussard航天器的路徑中提前定位的燃料沉積物。
反物質火箭和黑洞驅動器
除了輕帆,巨型激光和融合火箭之外,還提出了一些更具異國情調的星際旅行選擇,例如由物質和反物質的極端暴力(和非常有效)的殲滅反應提供動力的火箭。
克勞福德說:“反物質將是一種極好的火箭燃料,因為它的能量密度如此之高。” “但是,當然它在自然界中不存在,我們必須做到。製造它非常困難和昂貴,一旦您製造出來,它非常危險 - 那麼誰知道它是否可以用作火箭燃料?”
使用外來物理駕駛航天器的另一個建議是“ Schwarzschild Kugelblitz”驅動器,它將使用顯微鏡,引擎中包含的人造黑洞作為電源。
上面顯示的帶有所謂的“ SK驅動器”的船的一個想法,它將捕獲小小的黑洞的快速且極端暴力的腐爛,並將其轉換為可用於推動航天器的能量。
每個人造黑洞只能生存幾年,因此可能需要根據需要創建新的黑洞,這可能是通過使用伽馬射線激光器壓縮物質的顆粒。
根據2009年研究論文,由微觀黑洞提供動力的SK-Drive星艦,現代超級貨車的質量可以在20天內加速到光速的10%。黑洞將持續約3.5年,直到它完全衰減,並將在其一生中輸出160多個Petawatt或160億瓦的功率。
人類的“慢船”
即使超快速火箭以10%或以上的光速行駛,除了最近的恆星之外,還需要許多人類的生命。儘管克勞福德(Crawford)是人類對太陽系的探索的倡導者,但他說,星際距離太寬敞,無法在未來幾百年內實現人類航行。
他說:“我認為人類可以比機器人更有效地探索行星,而且我也認為有文化原因將人類送入太空,擴大我們的經驗並豐富了人類文化。” “現在,確實,所有這些都將適用於星際尺度 - 只是距離是如此之大,而且技術困難如此之大,以至於在此階段提倡它幾乎是不可想像的。”
即便如此,對於“慢船”概念,存在一些想法,這些概念可能有一天將人類帶入星星,包括:
臥舖,在很長的航行期間,人類船員將處於“深度睡眠”或“暫停動畫”狀態。這個想法曾在幾部科幻電影中出現,包括1969年的斯坦利·庫布里克(Stanley Kubrick)的《 2001:太空奧德賽》(Space Odyssey),1979年的里德利·斯科特(Ridley Scott)的《外星人》和詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)的《阿瓦塔爾》(Avatar)在2009年。
世界船,也稱為一代船或星際方舟,將是巨大的獨立太空棲息地,載有大量人類和其他物種,從地球上進行了相對悠閒的旅程,以殖民外部球隊的殖民旅程,這將需要數個世紀的時間才能完成。整個幾代人都會在航行期間生活和死亡,只有原始人口的後代才能到達目的地。
胚胎船會將冷凍冷凍的胚胎人(而不是睡覺或活著的人類)送到一個遙遠的殖民地星球,在那裡他們將“孵化”並由一群保護機器人對其任務進行教育。
比光快?
無論天文學家在宇宙中的何處看,相對論的存在很快。正如阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)所表明的那樣,不可能加速質量到太空中的光速,也不可能超越它。
但是,愛因斯坦的方程式可能會持有一些技巧,有一天可以讓科學圍繞已知的物理定律進行最終運行,並實現比燈塔更快的旅行(FTL)旅行,這是幾代科幻粉絲的聖杯。
FTL旅行最著名的科學概念是Alcubierre Drive,這是由理論物理學家Miguel Alcubierre在1994年提出的。
提出的驅動器是通過使用強烈的引力力來運行的,這是由兩個密集的奇異物質旋轉環產生的,以縮小航天器前面的空間的物理尺寸,同時擴大其後面的空間,以似乎超過光速的速度。
在Alcubierre的提議中,該提議需要一種不知道的環的異國情調的事物,該驅動器創造的“扭曲泡泡”內部的航天器永遠不會比其當地空間中的光更快地行駛,因此不會違反相關定律。
FTL旅行的其他投機思想包括使用跨維蟲洞(理論上可能但不存在),可以在糾纏但遙遠的空間區域之間旅行;或大膽地掠過一個大型旋轉黑洞的邊緣,如克里斯托弗·諾蘭(Christopher Nolan)2014年的電影《星際》(Interstellar)所描繪的。
但是克勞福德(Crawford)指出,比燈更快的旅行的概念充滿了未知和明顯的矛盾,例如違反了因果關係原則,在這種情況下,事件是由及時及時發生的其他事件引起的,而不是相反。因此,即使在技術上是可行的嘗試,這些建議也可能是不可能的。
克勞福德說:“我不想听起來過於悲觀,因為我可以看到能夠前往星星的巨大好處,但是物理定律是物理定律,這將非常困難。”