De koude schittering van de sterren is vooral mooi aan de winterhemel. Op dit moment worden de helderste sterren en sterrenbeelden zichtbaar: Orion, Pleiaden, Grotere Hond met oogverblindende Sirius …
Een kwart eeuw geleden stelden zeven onderofficieren van de Naval Academy een ongebruikelijke vraag: hoe dicht staat de moderne mensheid bij de sterren? Het onderzoek resulteerde in een gedetailleerd rapport dat bekend staat als Project Longshot (Long Range Shot). Een concept van een automatisch interstellair vaartuig dat in staat is om binnen een redelijke tijd de dichtstbijzijnde sterren te bereiken. Geen millennia van vluchten en "schepen van generaties"! De sonde zou binnen 100 jaar vanaf het moment van lancering in de ruimte de nabijheid van Alpha Centauri moeten bereiken.
Hyperspace, zwaartekracht, antimaterie en fotonische raketten… Nee! Het belangrijkste kenmerk van het project is de afhankelijkheid van bestaande technologieën. Volgens de ontwikkelaars maakt het ontwerp van Longshot het mogelijk om al in de eerste helft van de 21e eeuw een ruimteschip te bouwen!
Honderd jaar vliegen met bestaande technologieën. Een ongekende durf, gezien de omvang van de kosmische afstanden. Tussen de zon en Alpha Centauri ligt een "zwarte afgrond" van 4, 36 sv breed. van het jaar. Meer dan 40 biljoen kilometer! De monsterlijke betekenis van deze figuur wordt duidelijk in het volgende voorbeeld.
Als we de zon verkleinen tot de grootte van een tennisbal, dan past het hele zonnestelsel op het Rode Plein. De grootte van de aarde in de geselecteerde schaal zal afnemen tot de grootte van een zandkorrel, terwijl de dichtstbijzijnde "tennisbal" - Alpha Centauri - op het San Marcoplein in Venetië zal liggen.
Een vlucht naar Alpha Centauri op een conventionele shuttle of Sojoez-ruimtevaartuig zou 190.000 jaar duren.
Een vreselijke diagnose klinkt als een zin. Zijn we gedoemd om op onze "zandkorrel" te zitten, zonder de minste kans om de sterren te bereiken? In populairwetenschappelijke tijdschriften zijn er berekeningen die bewijzen dat het onmogelijk is om een ruimteschip te versnellen tot bijna-lichtsnelheden. Dit vereist dat alle materie in het zonnestelsel wordt "verbrand".
En toch is er een kans! Project Longshot heeft bewezen dat de sterren veel dichterbij zijn dan we ons kunnen voorstellen.
Op de romp van de Voyager bevindt zich een plaat met een pulsarkaart die de locatie van de zon in de Melkweg aangeeft, evenals gedetailleerde informatie over de bewoners van de aarde. De verwachting is dat de aliens op een dag deze "stenen bijl" zullen vinden en ons komen bezoeken. Maar als we ons de eigenaardigheden herinneren van het gedrag van alle technologische beschavingen op aarde en de geschiedenis van Amerika's veroveringen door de conquistadores, kan men niet rekenen op "vreedzaam contact" …
De missie van de expeditie
Ga over honderd jaar naar het Alpha Centauri-systeem.
In tegenstelling tot andere "sterrenschepen" ("Daedalus"), omvatte het "Longshot"-project het betreden van de baan van het sterrenstelsel (Alpha en Beta Centauri). Dit bemoeilijkte de taak aanzienlijk en verlengde de vliegtijd, maar zou een gedetailleerde studie van de nabijheid van verre sterren mogelijk maken (in tegenstelling tot de Daedalus, die binnen een dag langs het doel zou zijn gesneld en spoorloos in de diepten van de ruimte zou verdwijnen).
De vlucht duurt 100 jaar. Er zullen nog 4, 36 jaar nodig zijn om informatie naar de aarde over te brengen.
Alpha Centauri vergeleken met zonnestelsel
Astronomen hebben goede hoop op het project - als het lukt, hebben ze een fantastisch instrument voor het meten van parallaxen (afstanden tot andere sterren) met een basis van 4, 36 sv. van het jaar.
Een eeuwenoude vlucht door de nacht gaat ook niet doelloos voorbij: het toestel gaat het interstellaire medium bestuderen en vergroot onze kennis van de buitengrenzen van het zonnestelsel.
Schot naar de sterren
Het belangrijkste en enige probleem van ruimtevaart zijn de kolossale afstanden. Nadat we dit probleem hebben opgelost, lossen we de rest op. Door de vliegtijd te verkorten, wordt het probleem van een langdurige energiebron en een hoge betrouwbaarheid van de scheepssystemen weggenomen. Het probleem met de aanwezigheid van een persoon aan boord wordt opgelost. De korte vlucht maakt complexe levensondersteunende systemen en gigantische voorraden voedsel/water/lucht aan boord overbodig.
Maar dit zijn verre dromen. In dit geval is het noodzakelijk om binnen een eeuw een onbemande sonde aan de sterren te leveren. We weten niet hoe we het ruimte-tijd continuüm moeten doorbreken, daarom is er maar één uitweg: de grondsnelheid van het "sterrenschip" verhogen.
Zoals de berekening liet zien, vereist een vlucht naar Alpha Centauri in 100 jaar een snelheid van minimaal 4,5% van de lichtsnelheid. 13500km/s.
Er zijn geen fundamentele verboden waardoor lichamen in de macrokosmos met de aangegeven snelheid kunnen bewegen, maar de waarde ervan is monsterlijk groot. Ter vergelijking: de snelheid van de snelste van het ruimtevaartuig (sonde "New Horizons") na het uitschakelen van de bovenste trap was "slechts" 16,26 km / s (58636 km / h) ten opzichte van de aarde.
Longshot concept ruimteschip
Hoe een interstellair schip te versnellen tot snelheden van duizenden km / s? Het antwoord ligt voor de hand: je hebt een krachtige motor nodig met een specifieke impuls van minimaal 1.000.000 seconden.
Specifieke impuls is een indicator van de efficiëntie van een straalmotor. Hangt af van het molecuulgewicht, de temperatuur en de druk van het gas in de verbrandingskamer. Hoe groter het drukverschil in de verbrandingskamer en in de externe omgeving, hoe groter de snelheid van de uitstroom van de werkvloeistof. En daardoor is het rendement van de motor hoger.
De beste voorbeelden van moderne elektrische straalmotoren (ERE) hebben een specifieke impuls van 10.000 s; bij een uitstroomsnelheid van bundels geladen deeltjes - tot 100.000 km / s. Het verbruik van de werkvloeistof (xenon/krypton) is enkele milligram per seconde. De motor bromt zachtjes tijdens de vlucht, waardoor het vaartuig langzaam versnelt.
EJE's boeien met hun relatieve eenvoud, lage kosten en het potentieel om hoge snelheden te bereiken (tientallen km / s), maar door de lage stuwkrachtwaarde (minder dan één Newton) kan acceleratie tientallen jaren duren.
Een ander ding zijn chemische raketmotoren, waarop alle moderne kosmonauten rusten. Ze hebben een enorme stuwkracht (tientallen en honderden tonnen), maar de maximale specifieke impuls van een driecomponenten raketmotor met vloeibare stuwstof (lithium / waterstof / fluor) is slechts 542 s, met een gasuitstroomsnelheid van iets meer dan 5 km / s. Dit is de limiet.
Vloeibare stuwstofraketten maken het mogelijk om de snelheid van het ruimtevaartuig in korte tijd met enkele km / s te verhogen, maar meer kunnen ze niet. Het ruimteschip heeft een motor nodig die gebaseerd is op verschillende fysieke principes.
De makers van "Longshot" hebben verschillende exotische manieren overwogen, incl. "Lichtzeil", versneld door een laser met een vermogen van 3,5 terawatt (de methode werd als onhaalbaar erkend).
Tot op heden is de enige realistische manier om de sterren te bereiken een gepulseerde nucleaire (thermonucleaire) motor. Het werkingsprincipe is gebaseerd op laser thermonucleaire fusie (LTS), goed bestudeerd in laboratoriumomstandigheden. Concentratie van een grote hoeveelheid energie in kleine hoeveelheden materie in een korte tijd (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) met inertiële plasma-opsluiting.
In het geval van Longshot is er geen sprake van een stabiele reactie van gecontroleerde thermonucleaire fusie: langdurige plasma-opsluiting is niet nodig. Om jetstuwkracht te creëren, moet het resulterende stolsel bij hoge temperatuur onmiddellijk door het magnetische veld over boord van het schip worden "geduwd".
De brandstof is een helium-3 / deuterium mengsel. De benodigde brandstofvoorraad voor een interstellaire vlucht zal 264 ton bedragen.
Op een vergelijkbare manier is het de bedoeling om ongekende efficiëntie te bereiken: in de berekeningen is de waarde van de specifieke impuls 1,02 mln.seconden!
Als belangrijkste energiebron voor het aandrijven van de scheepssystemen - gepulseerde motorlasers, houdingscontrolesystemen, communicatie en wetenschappelijke instrumenten - werd gekozen voor een conventionele reactor op basis van uranium-splijtstofassemblages. Het elektrisch vermogen van de installatie moet minimaal 300 kW zijn (thermisch vermogen is bijna een orde van grootte hoger).
Vanuit het oogpunt van moderne technologie is het creëren van een reactor die een hele eeuw niet hoeft te worden opgeladen niet eenvoudig, maar in de praktijk mogelijk. Nu al worden op oorlogsschepen nucleaire systemen gebruikt, waarvan de kern een levensduur heeft die evenredig is met de levensduur van schepen (30-50 jaar). De stroom is ook volledig in orde - de OK-650-kerninstallatie die is geïnstalleerd op de nucleaire onderzeeërs van de Russische marine heeft bijvoorbeeld een thermisch vermogen van 190 megawatt en kan een hele stad met 50.000 inwoners van elektriciteit voorzien!
Dergelijke installaties zijn buitengewoon krachtig voor de ruimte. Dit vereist compactheid en nauwkeurige naleving van de gespecificeerde kenmerken. Op 10 juli 1987 werd bijvoorbeeld Kosmos-1867 gelanceerd - een Sovjet-satelliet met de Yenisei-kerninstallatie (satellietmassa - 1,5 ton, thermisch reactorvermogen - 150 kW, elektrisch vermogen - 6, 6 kW, levensduur - 11 maanden).
Dit betekent dat de 300 kW-reactor die wordt gebruikt in het Longshot-project een kwestie van de nabije toekomst is. De ingenieurs berekenden zelf dat de massa van zo'n reactor ongeveer 6 ton zou zijn.
Eigenlijk is dit waar de natuurkunde eindigt en de teksten beginnen.
Problemen van interstellaire reizen
Om de sonde aan te sturen, is een boordcomputercomplex met de ingrediënten van kunstmatige intelligentie nodig. In omstandigheden waar de signaaloverdrachtstijd meer dan 4 jaar is, is een effectieve controle van de sonde vanaf de grond onmogelijk.
Op het gebied van micro-elektronica en het creëren van onderzoeksapparatuur hebben recentelijk grootschalige veranderingen plaatsgevonden. Het is onwaarschijnlijk dat de makers van Longshot in 1987 enig idee hadden van de mogelijkheden van moderne computers. Men kan ervan uitgaan dat dit technische probleem de afgelopen kwart eeuw met succes is opgelost.
De situatie met communicatiesystemen ziet er net zo optimistisch uit. Voor betrouwbare overdracht van informatie op een afstand van 4, 36 sv. jaar zal een systeem van lasers nodig zijn dat werkt in de vallei van de golf van 0,532 micron en met een stralingsvermogen van 250 kW. In dit geval voor elk vierkant. meter van het aardoppervlak zal 222 fotonen per seconde vallen, wat veel hoger is dan de gevoeligheidsdrempel van moderne radiotelescopen. De informatieoverdrachtssnelheid vanaf de maximale afstand is 1 kbps. Moderne radiotelescopen en ruimtecommunicatiesystemen kunnen het gegevensuitwisselingskanaal meerdere keren uitbreiden.
Ter vergelijking: het zendvermogen van de Voyager 1-sonde, die zich momenteel op een afstand van 19 miljard km van de zon bevindt (17,5 lichturen), is slechts 23 W - als een gloeilamp in uw koelkast. Dit is echter voldoende voor telemetrietransmissie naar de aarde met een snelheid van enkele kbit / s.
Een aparte lijn is de kwestie van de thermoregulatie van het schip.
Een kernreactor van een megawatt-klasse en een gepulseerde thermonucleaire motor zijn bronnen van een kolossale hoeveelheid thermische energie, bovendien zijn er in een vacuüm slechts twee manieren om warmte te verwijderen - ablatie en straling.
De oplossing kan zijn om een geavanceerd systeem van radiatoren en stralende oppervlakken te installeren, evenals een warmte-isolerende keramische buffer tussen het motorcompartiment en de brandstoftanks van het schip.
In het beginstadium van de reis heeft het schip een extra beschermend schild tegen zonnestraling nodig (vergelijkbaar met het schild dat wordt gebruikt op het Skylab-orbitaalstation). In het gebied van het uiteindelijke doel - in een baan om de Beta Centauri-ster - bestaat ook het gevaar dat de sonde oververhit raakt. Thermische isolatie van apparatuur en een systeem voor het overbrengen van overtollige warmte van alle belangrijke blokken en wetenschappelijke instrumenten naar stralingsradiatoren is vereist.
Een grafiek van de versnelling van het schip in de tijd
Grafiek die de verandering in snelheid toont
De kwestie van het beschermen van het ruimtevaartuig tegen micrometeorieten en kosmische stofdeeltjes is buitengewoon moeilijk. Bij een snelheid van 4,5% van de lichtsnelheid kan elke botsing met een microscopisch object de sonde ernstig beschadigen. De makers van "Longshot" stellen voor om het probleem op te lossen door een krachtig beschermend schild aan de voorkant van het schip te installeren (metaal? Keramiek?), Dat tegelijkertijd een radiator van overtollige warmte was.
Hoe betrouwbaar is deze bescherming? En is het mogelijk om sci-fi-beveiligingssystemen te gebruiken in de vorm van kracht / magnetische velden of "wolken" van microverspreide deeltjes die worden vastgehouden door een magnetisch veld voor het schip? Laten we hopen dat tegen de tijd dat het ruimteschip is gemaakt, de ingenieurs een adequate oplossing zullen vinden.
Wat de sonde zelf betreft, deze zal traditioneel een meertrapsconfiguratie hebben met afneembare tanks. Fabricagemateriaal van rompconstructies - aluminium / titaniumlegeringen. De totale massa van het geassembleerde ruimtevaartuig in een lage baan om de aarde zal 396 ton zijn, met een maximale lengte van 65 meter.
Ter vergelijking: de massa van het International Space Station is 417 ton met een lengte van 109 meter.
1) Start de configuratie in een lage baan om de aarde.
2) 33e vliegjaar, scheiding van het eerste paar tanks.
3) 67e vliegjaar, scheiding van het tweede paar tanks.
4) 100e vluchtjaar - aankomst op het doel met een snelheid van 15-30 km / s.
Scheiding van de laatste fase, het ingaan van een permanente baan rond Beta Centauri.
Net als het ISS kan de Longshot worden geassembleerd met behulp van de blokmethode in een lage baan om de aarde. De realistische afmetingen van het ruimtevaartuig maken het mogelijk om bestaande lanceervoertuigen te gebruiken in het assemblageproces (ter vergelijking, de machtige Saturn-V kan een lading van 120 ton tegelijk naar LEO vervoeren!)
Er moet rekening mee worden gehouden dat het lanceren van een gepulseerde thermonucleaire motor in een bijna-baan om de aarde te riskant en onvoorzichtig is. Het Longshot-project voorzag in de aanwezigheid van extra boosterblokken (chemische raketmotoren met vloeibare stuwstof) voor het behalen van de tweede en derde kosmische snelheden en het terugtrekken van het ruimtevaartuig uit het vlak van de ecliptica (het Alpha Centauri-systeem bevindt zich 61 ° boven het vlak van draaiing van de aarde om de zon). Het is ook mogelijk dat voor dit doel een manoeuvre in het zwaartekrachtveld van Jupiter gerechtvaardigd is - zoals ruimtesondes die erin slaagden om uit het vlak van de ecliptica te ontsnappen, met behulp van "vrije" versnelling in de buurt van de reuzenplaneet.
Nawoord
Alle technologieën en componenten van een hypothetisch interstellair schip bestaan in werkelijkheid.
Het gewicht en de afmetingen van de Longshot-sonde komen overeen met de mogelijkheden van de moderne kosmonauten.
Als we vandaag aan het werk gaan, is het zeer waarschijnlijk dat tegen het midden van de XXII eeuw onze gelukkige achterkleinkinderen de eerste beelden van het Alpha Centauri-systeem van dichtbij zullen zien.
De vooruitgang heeft een onomkeerbare richting: het dagelijkse leven blijft ons verbazen met nieuwe uitvindingen en ontdekkingen. Het is mogelijk dat over 10-20 jaar alle hierboven beschreven technologieën voor ons verschijnen in de vorm van werkende monsters gemaakt op een nieuw technologisch niveau.
En toch is het pad naar de sterren te ver om er serieus over te praten.
De oplettende lezer heeft waarschijnlijk al de aandacht gevestigd op het kernprobleem van het Longshot-project. Helium-3.
Waar kun je honderd ton van deze stof krijgen, als de jaarlijkse productie van helium-3 slechts 60.000 liter (8 kilogram) per jaar is tegen een prijs van maximaal $ 2.000 per liter?! Dappere sciencefictionschrijvers vestigen hun hoop op de productie van helium-3 op de maan en in de atmosfeer van reuzenplaneten, maar niemand kan hierover garanties geven.
Er zijn twijfels over de mogelijkheid om een dergelijke hoeveelheid brandstof en de gedoseerde toevoer ervan op te slaan in de vorm van bevroren "tabletten" die nodig zijn om een gepulseerde thermonucleaire motor aan te drijven. Maar net als het principe van de werking van de motor: wat min of meer werkt in laboratoriumomstandigheden op aarde, wordt nog lang niet gebruikt in de ruimte.
Tot slot de ongekende betrouwbaarheid van alle tastersystemen. De deelnemers aan het Longshot-project schrijven er direct over: het creëren van een motor die 100 jaar kan draaien zonder te stoppen en grote reparaties zal een ongelooflijke technische doorbraak zijn. Hetzelfde geldt voor alle andere sondesystemen en -mechanismen.
U moet echter niet wanhopen. In de geschiedenis van de ruimtevaart zijn er voorbeelden van ongekende betrouwbaarheid van ruimtevaartuigen. Pioniers 6, 7, 8, 10, 11, evenals Voyagers 1 en 2 - ze hebben allemaal meer dan 30 jaar in de ruimte gewerkt!
Het verhaal met hydrazine-stuwraketten (attitude control-motoren) van deze ruimtevaartuigen is indicatief. Voyager 1 stapte in 2004 over op een reservekit. Tegen die tijd had de belangrijkste set motoren 27 jaar in de open ruimte gewerkt en 353.000 starts doorstaan. Opmerkelijk is dat de motorkatalysatoren al die tijd continu zijn opgewarmd tot 300°C!
Vandaag, 37 jaar na de lancering, zetten beide Voyagers hun waanzinnige vlucht voort. Ze hebben de heliosfeer al lang verlaten, maar blijven regelmatig gegevens over het interstellaire medium naar de aarde verzenden.
Elk systeem dat afhankelijk is van menselijke betrouwbaarheid is onbetrouwbaar. We moeten echter toegeven: wat betreft het waarborgen van de betrouwbaarheid van ruimtevaartuigen zijn we erin geslaagd bepaalde successen te behalen.
Alle noodzakelijke technologieën voor de implementatie van de "sterrenexpeditie" zijn niet langer de fantasieën van wetenschappers die cannabinoïden misbruiken, en zijn belichaamd in de vorm van duidelijke patenten en werkende voorbeelden van technologie. In het laboratorium - maar ze bestaan!
Het conceptuele ontwerp van het interstellaire ruimtevaartuig Longshot bewees dat we een kans hebben om naar de sterren te ontsnappen. Er zijn veel moeilijkheden te overwinnen op dit netelige pad. Maar het belangrijkste is dat de vector van ontwikkeling bekend is en dat zelfvertrouwen is verschenen.
Meer informatie over het Longshot-project is hier te vinden:
Voor het ontstaan van interesse in dit onderwerp spreek ik mijn dank uit aan "Postman".
