Межзвездные путешествия представляют собой гипотетическое перемещение космических кораблей между звездными системами. Из-за огромных расстояний между Солнечной системой и ближайшими звездами, межзвездные путешествия с использованием современных технологий движения неосуществимы. Чтобы преодолеть расстояние между звездами за разумный период времени (десятилетия или столетия), межзвездному космическому кораблю необходимо достичь значительной доли скорости света, что требует огромного количества энергии. Связь с такими межзвездными кораблями будет испытывать задержку в несколько лет из-за скорости света. Столкновения с космической пылью и газом на таких скоростях могут быть катастрофическими для космических кораблей. Экипажные межзвездные путешествия могли бы проводиться медленнее (за пределами масштаба человеческой жизни) путем создания поколенческого корабля. Гипотетические системы межзвездного движения включают импульсную ядерную тягу, ракету с фрагментами деления, ракету на ядерном синтезе, световой парус с лазерным излучением и ракету на антиматерии. Преимущества межзвездных путешествий включают детальные обследования обитаемых экзопланет и далеких звезд, всесторонний поиск внеземного разума и колонизацию космоса. Хотя пять беспилотных космических кораблей покинули Солнечную систему, они не являются “межзвездными кораблями” в том смысле, что они не предназначены специально для исследования других звездных систем. Таким образом, к 2020-м годам межзвездный полет остается лишь популярным тропом в спекулятивных исследованиях будущего и научной фантастике.
Проблемы
Межзвездные расстояния
Расстояния между планетами Солнечной системы часто измеряются в астрономических единицах (а.е.), определяемых как среднее расстояние между Солнцем и Землей, примерно 1,5×10^8 километров (93 миллиона миль). Венера, ближайшая к Земле планета, находится на расстоянии 0,28 а.е. при ближайшем подходе. Нептун, самая дальняя планета от Солнца, находится на расстоянии 29,8 а.е. По состоянию на март 2026 года, Voyager 1, самый удаленный от Земли рукотворный объект, находится на расстоянии 173 а.е., покидая Солнечную систему со скоростью 17 км/с (0,006% скорости света). Ближайшая известная звезда, Проксима Центавра, находится примерно в 268 332 а.е. от нас, или более чем в 9 000 раз дальше, чем Нептун.
Из-за этого расстояния между звездами обычно выражаются в световых годах (определяемых как расстояние, которое свет проходит в вакууме за один юлианский год) или в парсеках (один парсек равен 3,26 световых года, расстояние, на котором звездная параллакс равна ровно одной угловой секунде, отсюда и название). Свет в вакууме проходит примерно 300 000 километров (186 000 миль) в секунду, поэтому один световой год составляет около 9,461×10^12 километров (5,879 триллионов миль) или 63 241 а.е. Следовательно, Проксима Центавра находится примерно в 4,243 световых годах от Земли.
Другой способ понять огромность межзвездных расстояний – это масштабирование. Одна из ближайших к Солнцу звезд, Альфа Центавра А (солнцеподобная звезда, являющаяся одной из двух спутников Проксимы Центавра), можно представить, уменьшив расстояние между Землей и Солнцем до одного метра (3,28 фута). В этом масштабе расстояние до Альфа Центавра А составит 276 километров (171 миля). Самый быстрый космический корабль, отправленный в сторону звезд, Voyager 1, преодолел 1/390 светового года за 46 лет и в настоящее время движется со скоростью 1/17 600 скорости света. При этой скорости путешествие к Проксиме Центавра займет 75 000 лет.
Необходимая энергия
Одним из основных факторов, способствующих трудности, является энергия, которую необходимо обеспечить для получения разумного времени путешествия. Нижняя граница необходимой энергии – это кинетическая энергия, где m – конечная масса. Если требуется замедление при прибытии и оно не может быть достигнуто никаким другим способом, кроме двигателей корабля, то нижняя граница необходимой энергии удваивается до 2m₀c². Скорость для экипажного туда-обратно за несколько десятилетий даже до ближайшей звезды в несколько тысяч раз больше, чем у современных космических кораблей. Это означает, что из-за члена в формуле кинетической энергии требуется миллионы раз больше энергии.
Ускорение одной тонны до одной десятой скорости света требует как минимум 450 петаджоулей или 4,50×10^17 джоулей или 125 тераватт-часов (мировое потребление энергии в 2008 году составило 143 851 тераватт-час), без учета эффективности механизма движения. Эта энергия должна генерироваться на борту из запасенного топлива, собираться из межзвездной среды или передаваться на огромные расстояния.
Межзвездная среда
Знание свойств межзвездного газа и пыли, через которые должен пройти космический корабль, имеет решающее значение для проектирования любой межзвездной космической миссии. Основной проблемой при движении на чрезвычайно высоких скоростях является то, что из-за необходимых высоких относительных скоростей и больших кинетических энергий столкновения с межзвездной пылью могут нанести значительный ущерб кораблю. Были предложены различные методы защиты для смягчения этой проблемы. Более крупные объекты (например, макроскопические пылевые зерна) встречаются гораздо реже, но будут намного более разрушительными. Риски столкновения с такими объектами и методы их смягчения обсуждались в литературе, но остается много неизвестных.
Дополнительным фактором является то, что из-за неоднородного распределения межзвездной материи вокруг Солнца эти риски будут варьироваться между различными траекториями. Хотя высокая плотность межзвездной среды может создавать трудности для многих концепций межзвездных путешествий, межзвездные рамджеты и некоторые предложенные концепции для замедления межзвездных космических кораблей на самом деле выиграют от более плотной межзвездной среды.
Опасности
Экипаж межзвездного корабля столкнется с несколькими значительными опасностями, включая психологические эффекты длительной изоляции, физиологические эффекты экстремального ускорения, воздействие ионизирующего излучения и физиологические эффекты невесомости на мышцы, суставы, кости, иммунную систему и глаза. Также существует риск столкновения с микрометеоритами и другими космическими отходами. Эти риски представляют собой проблемы, которые еще предстоит решить.
Расчет ожидания
Писатель-фантаст и физик Роберт Л. Форвард утверждал, что межзвездная миссия, которая не может быть завершена в течение 50 лет, вообще не должна начинаться. Вместо этого, предполагая, что цивилизация все еще находится на возрастающей кривой скорости системы движения и еще не достигла предела, ресурсы следует инвестировать в разработку лучшей системы движения. Это связано с тем, что медленный космический корабль, вероятно, будет обогнан другой миссией, отправленной позже с более продвинутой системой движения (постулат постоянной устаревания).
В 2006 году Эндрю Кеннеди рассчитал оптимальные даты отправления для путешествия к звезде Барнарда, используя более точную концепцию расчета ожидания, согласно которой для данной цели и темпа роста мощности системы движения существует точка отправления, которая обгоняет более ранние запуски и не будет обогнана более поздними, и заключил, что “межзвездное путешествие на 6 световых лет лучше всего осуществить примерно через 635 лет, если рост продолжится на уровне около 1,4% в год”, или примерно в 2641 году. Это может быть самым значительным расчетом для конкурирующих культур, занимающих галактику.
Основные цели для межзвездных путешествий
Существует 59 известных звездных систем в пределах 40 световых лет от Солнца, содержащих 81 видимую звезду. Следующие могут быть рассмотрены как основные цели для межзвездных миссий:
| Система | Расстояние (св. лет) | Примечания |
|—|—|—|
| Альфа Центавра | 4,3 | Ближайшая система. Три звезды (G2, K1, M5). Компонент А похож на Солнце (звезда G2). 24 августа 2016 года было объявлено об открытии планеты размером с Землю (Проксима Центавра b), обращающейся в обитаемой зоне Проксимы Центавра. |
| Звезда Барнарда | 6 | Маленькая, слабосветная красная карликовая звезда M5. Вторая ближайшая к Солнечной системе. |
| Сириус | 8,6 | Большая, очень яркая звезда A1 с белым карликом-компаньоном. |
| Эпсилон Эридана | 10,5 | Одиночная звезда K2, немного меньшая и холоднее Солнца. У нее есть два пояса астероидов. Предполагается, что она также имеет газовый гигант (ε Eri b), возможно, еще одну меньшую планету, и может обладать планетной системой, подобной Солнечной. |
| Тета Центавра | 11,8 | Одиночная звезда G8, похожая на Солнце. Высокая вероятность наличия планетной системы, подобной Солнечной: текущие данные показывают четыре планеты с потенциально двумя в обитаемой зоне. |
| Звезда Люйтена | 12,36 | Красный карлик M3 с суперземлей Люйтен b, обращающейся в обитаемой зоне. |
| Вольф 1061 | 14,1 | Вольф 1061 c в 1,6 раза больше Земли; возможно, имеет скалистую местность. Она также находится в “золотой зоне”, где может существовать жидкая вода. |
| Глизе 667C | 23,7 | Система как минимум из двух планет, с суперземлей в зоне вокруг звезды, где может существовать жидкая вода, что делает ее возможным кандидатом на наличие жизни. |
| Вега | 25 | Очень молодая система, возможно, находящаяся в процессе формирования планет. |
| TRAPPIST-1 | 40,7 | Система, содержащая семь планет, подобных Земле, некоторые из которых могут иметь жидкую воду. Это открытие является значительным достижением в поиске обитаемой планеты и планеты, способной поддерживать жизнь. |
Существующая астрономическая технология позволяет обнаруживать планетные системы вокруг этих объектов, увеличивая их потенциал для исследования.
Предлагаемые методы
Медленные, беспилотные зонды
“Медленные” межзвездные миссии (все еще быстрые по другим меркам) на основе современных и ближайших технологий движения связаны с временем путешествия, начиная от нескольких десятилетий до тысяч лет. Эти миссии состоят в отправке роботизированного зонда к ближайшей звезде для исследования, подобно межпланетным зондам, таким как те, которые использовались в программе Voyager.
Быстрые, беспилотные зонды
Нанозонды
Космические корабли размером с наночастицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, могут быть возможны в ближайшем будущем на основе существующей технологии микрочипов с новым наноразмерным двигателем. Исследователи в Университете Мичигана разрабатывают двигатели, использующие наночастицы в качестве рабочего тела. Их технология называется “наночастица-экстрактор полевого излучателя”, или nanoFET. Эти устройства действуют как небольшие ускорители частиц, выбрасывающие проводящие наночастицы в космос.
Митио Каку, теоретический физик, предположил, что в космос можно отправить облака “умной пыли”, что может стать возможным с развитием нанотехнологий. Каку также отмечает, что для обеспечения шансов на то, что хотя бы один нанозонд переживет путешествие и достигнет цели, необходимо отправить большое количество нанозондов из-за их уязвимости к магнитным полям, микрометеоритам и другим опасностям.
В качестве краткосрочного решения были предложены небольшие лазерные зонды, основанные на текущей технологии CubeSat, в контексте проекта Dragonfly.
Starseed – это аналогичный предложенный метод запуска межзвездных нанозондов на скорости одной трети скорости света. Предлагаемый запуск использует 1000-километровую тонкую полую проволоку с электродами, выложенными вдоль полой проволоки, электростатическую ускорительную трубу, аналогичную идеям К. Эрика Дрекслера.
Медленные, экипажные миссии
В экипажных миссиях продолжительность медленного межзвездного путешествия представляет собой значительную проблему, и существующие концепции решают эту проблему разными способами. Их можно различать по “состоянию”, в котором люди перевозятся на борту космического корабля.
Корабли поколений
Корабль поколений – это тип межзвездного ковчега, в котором экипаж, прибывающий в пункт назначения, является потомками тех, кто начал путешествие. Корабли поколений в настоящее время неосуществимы из-за трудностей в строительстве корабля огромного необходимого масштаба и больших биологических и социологических проблем, которые жизнь на таком корабле создает.
Сuspended animation
Ученые и писатели предположили различные методы для замедления жизненных процессов. К ним относятся человеческая гибернация и крионическая сохранность. Хотя ни один из них в настоящее время неосуществим, они предлагают возможность “спящих” кораблей, где пассажиры находятся в неактивном состоянии в течение длительного периода путешествия.
Замороженные эмбрионы
Роботическая межзвездная миссия, перевозящая некоторое количество замороженных ранних эмбрионов человека, является еще одной теоретической возможностью. Этот метод колонизации космоса требует, среди прочего, разработки искусственной матки, предварительного обнаружения обитаемой планеты и достижений в области полностью автономных мобильных роботов и образовательных роботов, которые заменят человеческих родителей.
Островной переход через межзвездное пространство
Межзвездное пространство не полностью пусто; оно содержит триллионы ледяных тел, от небольших астероидов (облако Оорта) до возможных бродячих планет. Возможно, есть способы использовать эти ресурсы для значительной части межзвездного путешествия, медленно переходя с одного тела на другое или устанавливая промежуточные станции по пути.
Быстрые, экипажные миссии
Если космический корабль мог бы поддерживать в среднем 10% скорости света (и замедляться в пункте назначения для экипажных миссий), этого было бы достаточно, чтобы достичь Проксимы Центавра за 40 лет. Были предложены несколько концепций движения, которые могли бы быть разработаны для достижения этой цели (см. § Движение ниже), но ни одна из них не готова к разработке в ближайшие десятилетия при приемлемой стоимости.
Релятивистское замедление времени
Физики в целом считают, что движение быстрее света невозможно. Релятивистское замедление времени позволяет путешественнику испытывать время более медленно, чем ближе его скорость к скорости света. Это кажущееся замедление становится заметным при скоростях выше 80% скорости света. Часы на борту межзвездного корабля будут идти медленнее, чем часы на Земле, поэтому если двигатели корабля могли бы непрерывно создавать около 1 g ускорения (что комфортно для людей), корабль мог бы достичь почти любой точки галактики и вернуться на Землю за 40 лет по времени корабля (см. диаграмму). При возвращении будет разница между временем, прошедшим на корабле, и временем, прошедшим на Земле. Например, космический корабль мог бы путешествовать к звезде на расстоянии 32 световых лет, сначала ускоряясь с постоянным ускорением 1,03 g (т.е. 10,1 м/с²) в течение 1,32 года (время корабля), затем останавливая двигатели и плывя в течение следующих 17,3 лет (время корабля) на постоянной скорости, затем снова замедляясь в течение 1,32 лет корабля, и останавливаясь в пункте назначения. После короткого визита астронавт мог бы вернуться на Землю тем же путем. После полного обратного путешествия часы на борту корабля покажут, что прошло 40 лет, но по мнению людей на Земле, корабль вернется через 76 лет после запуска. С точки зрения астронавта, часы на борту кажутся работающими нормально. Звезда впереди кажется приближающейся со скоростью 0,87 световых лет за год корабля. Вселенная будет казаться сжатой вдоль направления движения до половины своего размера, который она имела, когда корабль был неподвижен; расстояние между этой звездой и Солнцем покажется 16 световых лет, измеренных астронавтом. При более высоких скоростях время на борту будет течь еще медленнее, поэтому астронавт мог бы путешествовать к центру Млечного Пути (30 000 световых лет от Земли) и обратно за 40 лет по времени корабля. Но скорость по часам Земли всегда будет меньше 1 светового года за земной год, поэтому, вернувшись домой, астронавт обнаружит, что на Земле прошло более 60 тысяч лет.
Постоянное ускорение
Независимо от того, как оно достигается, система движения, способная создавать постоянное ускорение от старта до прибытия, будет самым быстрым методом путешествия. Путешествие с постоянным ускорением – это когда система движения ускоряет корабль с постоянной скоростью в течение первой половины пути, а затем замедляет во второй половине, так что корабль прибывает в пункт назначения, неподвиженный относительно начальной точки. Если это будет выполнено с ускорением, подобным тому, которое испытывается на поверхности Земли, это также создаст искусственную “гравитацию” для экипажа. Обеспечение необходимой энергии, однако, будет чрезвычайно дорого с современной технологией.
С точки зрения наблюдателя на планете, корабль будет казаться ускоряющимся равномерно сначала, но затем более постепенно, когда он приближается к скорости света (которую он не может превысить). Он будет двигаться по гиперболической траектории. Корабль будет близок к скорости света через год ускорения и останется на этой скорости до начала торможения. С точки зрения наблюдателя на борту, экипаж будет чувствовать гравитационное поле, противоположное ускорению двигателя, и вселенная впереди будет казаться падающей в этом поле, испытывая гиперболическое движение. Как часть этого, расстояния между объектами в направлении движения корабля постепенно сократятся до тех пор, пока корабль не начнет замедляться, после чего опыт гравитационного поля наблюдателя на борту будет обращен. Когда корабль достигнет пункта назначения, если он обменяется сообщением с планетой отправления, он обнаружит, что на корабле прошло меньше времени, чем на Земле, из-за релятивистского замедления времени и сокращения длины. Результатом является быстрое путешествие для экипажа.
Движение
Согласно физику Митио Каку, хотя химические ракетные двигатели имеют тягу в несколько тысяч тонн, они работают только несколько минут, поэтому по эффективному ускорению они уступают, например, ионным двигателям с низкой тягой и сроком службы в несколько лет, но ионные двигатели и плазменные двигатели слишком слабы для полета человека к звездам.
Самые передовые электрические ракетные двигатели, доступные сегодня, имеют характеристическую скорость ΔV около 100 км/с, что, по словам Эдгара Шуэри, слишком медленно для путешествия к далеким звездам.
Чтобы достичь ближайшей звезды за разумное время (приблизительно полвека), необходимо ускоряться до почти релятивистской скорости за короткий период времени, а затем, если возможно, замедляться снова. Проблема здесь может быть проиллюстрирована уравнением Циолковского: для массы запуска (m₀) и полезной нагрузки (m₁). Чтобы достичь большого изменения скорости Δv, требуется высокая эффективная скорость истечения рабочего тела (равная удельному импульсу двигателя (Isp)). Кроме того, для получения необходимой энергии необходимо обработать большое количество топлива (m₀ – m₁).
Другой эффект, который следует учитывать, – это загустение (увеличение вязкости) топлива и выхлопных газов на релятивистских скоростях, как предсказано теоретическим физиком Алессио Закконе.
На основе этого соображения можно исключить две категории двигателей:
– Химические двигатели предлагают высокую тягу, но из-за использования химической энергии их эффективность (η) очень низка (требуют высокого расхода топлива).
– Электрические двигатели предлагают высокую эффективность, но их тяга довольно низка из-за использования электрических зарядов и их взаимного отталкивания.
Согласно доктору Тони Мартину, управляемые термоядерные двигатели и ядерно-электрические системы имеют очень низкую тягу, потому что оборудование для преобразования ядерной энергии в электрическую имеет большую массу, что приводит к небольшому ускорению, занимая век, чтобы достичь желаемой скорости (например, 15% скорости света, поэтому непригодно для межзвездного полета за один человеческий век); термодинамические ядерные двигатели типа NERVA требуют большого количества топлива.
Фотонные ракеты должны генерировать мощность со скоростью 3×10^9 Вт на килограмм массы корабля и требуют зеркал с поглощением менее 1 части на 10^6. Проблемы межзвездного рамджета заключаются в редкой межзвездной среде с плотностью около 1 атома/см³, большом диаметре воронки и высокой мощности, необходимой для его электрического поля. Таким образом, единственным подходящим методом движения для проекта Daedalus была термоядерная импульсная тяга.
Концепции ракет
Все концепции ракет ограничены уравнением ракеты, которое устанавливает характеристическую скорость в зависимости от скорости истечения и отношения масс, отношения начальной (m₀, включая топливо) к конечной (m₁, топливо исчерпано) массе. Требуется очень высокая удельная мощность, отношение тяги к общей массе корабля, чтобы достичь межзвездных целей за период времени менее века.
Некоторый перенос тепла неизбежен, что приводит к экстремальной тепловой нагрузке. Таким образом, для концепций межзвездных ракет всех технологий ключевой инженерной проблемой (редко явно обсуждаемой) является ограничение переноса тепла от потока выхлопных газов обратно в корабль.
Ядерные двигатели с делением
Ракеты с фрагментами деления
Ракеты с фрагментами деления используют ядерное деление для создания высокоскоростных струй фрагментов деления, которые выбрасываются со скоростью до 12 000 км/с (7 500 миль/с). С помощью деления выход энергии составляет примерно 0,1% от общей массы-энергии топлива реактора и ограничивает эффективную скорость истечения примерно 5% скорости света. Для максимальной скорости реакционная масса должна оптимально состоять из продуктов деления, “золы” первичного источника энергии, поэтому не нужно учитывать дополнительную реакционную массу в соотношении масс.
Ядерный импульс
На основе работ конца 1950-х – начала 1960-х годов стало технически возможно строить космические корабли с двигателями ядерного импульсного движения, то есть приводимые в действие серией ядерных взрывов. Эта система движения содержит перспективу очень высокой удельной импульсности и высокой удельной мощности.
Член команды проекта Orion Фримен Дайсон предложил в 1968 году межзвездный космический корабль, использующий ядерный импульсный двигатель, работающий на чистых дейтериевых термоядерных детонациях с очень высокой долей сгорания топлива. Он рассчитал скорость истечения 15 000 км/с и космический корабль массой 100 000 тонн, способный достичь Δv 20 000 км/с, позволяя время полета к Альфа Центавра 130 лет.
Позже исследования показали, что максимальная крейсерская скорость, которую теоретически может достичь атомный (деление) звездный корабль Orion, предполагая, что топливо не сохраняется для торможения, составляет около 3-5% скорости света. Термоядерный звездный корабль Orion, работающий на фузионно-антиматериальных катализированных ядерных импульсных двигателях, будет примерно в том же диапазоне, а ракеты на аннигиляции материи и антиматерии теоретически способны достичь скорости между 50% и 80% скорости света. В каждом случае сохранение топлива для торможения уменьшает максимальную скорость вдвое.
Концепция использования магнитного паруса для торможения космического корабля при приближении к пункту назначения обсуждалась как альтернатива использованию топлива, что позволило бы кораблю двигаться на максимально возможной теоретической скорости.
Альтернативные конструкции, использующие аналогичные принципы, включают проект Longshot, проект Daedalus и Mini-Mag Orion. Принцип внешнего ядерного импульсного движения для максимизации выживаемой мощности остается общим среди серьезных концепций межзвездного полета без внешнего лазерного излучения и для очень высокопроизводительного межпланетного полета.
В 1970-х годах концепция ядерного импульсного движения была дополнительно усовершенствована проектом Daedalus путем использования внешне запускаемого инерционного термоядерного синтеза, в данном случае производящего термоядерные взрывы путем сжатия топлива синтеза электронными пучками. С тех пор были предложены лазеры, ионные пучки, нейтральные частицы и гиперкинетические снаряды для создания ядерных импульсов в целях движения.
Текущим препятствием для разработки любого космического корабля, приводимого в действие ядерными взрывами, является Договор о частичном запрете ядерных испытаний 1963 года, который включает запрет на взрыв любых ядерных устройств (даже неядерного оружия) в космосе. Таким образом, этот договор потребует пересмотра, хотя проект такого масштаба, как межзвездная миссия с использованием в настоящее время предсказуемой технологии, вероятно, потребует международного сотрудничества не менее масштаба Международной космической станции.
Другой фактор, который следует учитывать, – это перегрузки, передаваемые быстро ускоряющемуся космическому кораблю, грузу и пассажирам на борту (см. Негация инерции).
Ракеты на ядерном синтезе
Ракеты на ядерном синтезе, приводимые в действие ядерными реакциями синтеза, должны теоретически достичь скоростей порядка 10% скорости света, исходя только из соображений энергии. Теоретически большое количество ступеней могло бы толкать корабль сколь угодно близко к скорости света.
Они “сгорят” такие легкие элементы, как дейтерий, тритий, 3He, 11B и 7Li. Поскольку синтез выделяет около 0,3-0,9% массы ядерного топлива в виде выделяемой энергии, он энергетически более выгоден, чем деление, которое выделяет 300 км/с с ускорением ~1,7•10−3 g, с начальными массами корабля ~1700 метрических тонн и долей полезной нагрузки выше 10%. Хотя это все еще далеко от требований для межзвездного полета за человеческое время, исследование, кажется, представляет разумный ориентир для того, что может быть достижимо в течение нескольких десятилетий, что не является совершенно недостижимым с современным уровнем технологий.
На основе доли сгорания 2,2% он мог бы достичь чистой скорости истечения продукта синтеза ~3 000 км/с.
Ракеты на антиматерии
Ракета на антиматерии имела бы намного более высокую плотность энергии и удельный импульс, чем любой другой предложенный класс ракет. Если будут найдены источники энергии и эффективные методы производства для получения антиматерии в необходимых количествах и безопасного хранения, теоретически возможно достичь скоростей нескольких десятков процентов скорости света.
Независимо от того, станет ли производство и хранение антиматерии осуществимыми, следует учитывать два дополнительных фактора. Во-первых, при аннигиляции антиматерии большая часть энергии теряется в виде высокоэнергетического гамма-излучения, и особенно также в виде нейтрино, поэтому только около 40% mc² фактически будет доступно, если антиматерия просто позволить аннигилировать в тепловом излучении.
Во-вторых, перенос тепла от выхлопа в корабль, кажется, передает огромную потерянную энергию в корабль (например, для ускорения корабля 0,1 g скорость передачи энергии составляет около 0,3 триллиона ватт на тонну массы корабля), учитывая большую долю энергии, которая идет на проникающее гамма-излучение. Даже если будет обеспечена защита для полезной нагрузки (и пассажиров на экипажном корабле), некоторая энергия неизбежно нагреет корабль и может стать ограничивающим фактором, если необходимо достичь полезных ускорений.
Более недавно Фридварт Винтерберг предложил, что возможен лазерный двигатель на материи и антиматерии с гамма-лучами ГэВ, работающий на основе релятивистского протон-антипротонного пинч-разряда, где реактивная тяга передается кораблю через эффект Мёссбауэра.
Ракеты с внешним источником энергии
Ракеты, получающие энергию из внешних источников, таких как лазер, могли бы заменить свой внутренний источник энергии на коллектор энергии, потенциально значительно уменьшая массу корабля и позволяя достичь гораздо более высоких скоростей. Джеффри А. Лэндис предложил межзвездный зонд, приводимый в действие ионным двигателем, работающим от энергии, передаваемой с базовой лазерной станции.
Ленард и Эндрюс предложили использовать базовую лазерную станцию для ускорения ядерных топливных гранул к космическому кораблю Mini-Mag Orion, который зажигает их для движения.
Неракетные концепции
Проблема со всеми традиционными методами ракетного движения заключается в том, что космический корабль должен нести с собой топливо, что делает его очень массивным, в соответствии с уравнением ракеты. Несколько концепций пытаются избежать этой проблемы:
Межзвездные рамджеты
В 1960 году Роберт У. Буссард предложил концепцию межзвездного рамджета, ракеты на синтезе, в которой огромный ковш собирал бы разреженный водород в межзвездном пространстве, “сжигал” бы его на лету с помощью цепной реакции протон-протон, и выбрасывал бы его сзади. Более поздние расчеты с более точными оценками предполагают, что создаваемая тяга будет меньше, чем сопротивление, вызванное любой мыслимой конструкцией ковша. Тем не менее, идея привлекательна, потому что топливо будет собираться по пути (соответствует концепции сбора энергии), поэтому корабль теоретически может ускоряться до скорости, близкой к скорости света.
Ограничение заключается в том, что реакция может ускорить рабочее тело только до 0,12c. Таким образом, сопротивление при сборе межзвездной пыли и тяга при ускорении этой же пыли до 0,12c будут одинаковыми, когда скорость составит 0,12c, предотвращая дальнейшее ускорение.
Лазерное движение
Световой парус или магнитный парус, приводимый в действие мощным лазером или ускорителем частиц в родной звездной системе, потенциально мог бы достичь даже более высоких скоростей, чем ракетные или импульсные методы движения, потому что ему не нужно нести собственное реактивное вещество и, следовательно, нужно только ускорять полезную нагрузку корабля. Роберт Л. Форвард предложил способ для замедления межзвездного корабля с помощью светового паруса диаметром 100 километров в системе назначения без необходимости наличия лазерного массива в этой системе.
В 2002 году Джеффри А. Лэндис из Исследовательского центра NASA Гленн также предложил лазерный двигатель, приводимый в действие парусом из алмаза (толщиной несколько нанометров). С этим предложением межзвездный корабль теоретически мог бы достичь 10% скорости света.
Было также предложено использовать лазерное движение для ускорения космического корабля и электромагнитное движение для замедления; таким образом, устраняя проблему, с которой сталкивается межзвездный рамджет при ускорении.
Магнитный парус также мог бы замедляться в пункте назначения без зависимости от несенного топлива или управляющего луча в системе назначения, взаимодействуя с плазмой, найденной в солнечном ветре звезды назначения и межзвездной среде.
Возможности
Межзвездные путешествия очень сложны из-за огромных энергетических требований. В 2008 году на Совместной конференции по движению было заявлено, что несколько экспертов считают маловероятным, что люди когда-либо исследуют за пределами Солнечной системы.
Брайс Н. Кассенти, доцент кафедры инженерии и науки в Ренсселерском политехническом институте, заявил, что для отправки зонда к ближайшей звезде потребуется как минимум в 100 раз больше общего энерговыделения всего мира (за данный год).
Астрофизик Стен Оденвальд отметил, что основной проблемой является то, что через интенсивные исследования тысяч обнаруженных экзопланет большинство ближайших целей в пределах 50 световых лет не содержат землеподобных планет в обитаемых зонах.
Учитывая многотриллионные затраты на некоторые из предложенных технологий, путешественники будут вынуждены тратить до 200 лет на путешествие со скоростью 20% скорости света, чтобы достичь лучших известных целей. Кроме того, когда путешественники прибудут в пункт назначения (любым способом), они не смогут спуститься на поверхность целевой планеты и основать колонию, если атмосфера не смертельна. Перспектива такого путешествия, только чтобы провести остаток жизни колонии внутри герметичного жилища и выходить наружу в скафандре, может исключить многие потенциальные цели из списка.
Движение на скорости, близкой к скорости света, и столкновение даже с крошечным неподвижным объектом, таким как зерно песка, будет иметь фатальные последствия. Например, грамм вещества, движущийся со скоростью 90% скорости света, содержит кинетическую энергию, соответствующую небольшой ядерной бомбе (около 30 кт тротила).
Одна из основных проблем – наличие достаточного количества запасных частей и средств ремонта на борту для такого длительного времени путешествия, предполагая, что все остальные факторы решены, без доступа ко всем ресурсам, доступным на Земле.
Межзвездные миссии, не для пользы человечества
Исследовательские высокоскоростные миссии к Альфа Центавра, как планируется в инициативе Breakthrough Starshot, могут быть осуществимы в 21 веке.
Альтернативно возможно планировать медленные крейсерские миссии, занимающие тысячелетия, чтобы достичь цели. Эти зонды не будут для пользы человечества в том смысле, что невозможно предвидеть, будет ли кто-то на Земле заинтересован в затем передаваемых научных данных. Примером может служить миссия Genesis, целью которой является доставка одноклеточной жизни в духе направленной панспермии на обитаемые, но в противном случае бесплодные планеты.
Сравнительно медленные крейсерские зонды Genesis, с типичной скоростью , соответствующей примерно , могут быть замедлены с помощью магнитного паруса. Беспилотные миссии, не для пользы человечества, будут поэтому осуществимы.
Другим предложением является миссия Fermi Explorer, которая займет 80 000 лет, чтобы достичь Альфа Центавра, и запланирована к запуску в 2029 году.
Открытие землеподобных планет
24 августа 2016 года было объявлено об открытии планеты размером с Землю Проксима Центавра b, обращающейся в обитаемой зоне Проксимы Центавра, находящейся в 4,2 световых годах от нас. Это ближайшая известная потенциально обитаемая экзопланета за пределами Солнечной системы.
В феврале 2017 года NASA объявила, что ее телескоп Spitzer обнаружил семь планет размером с Землю в системе TRAPPIST-1, обращающихся вокруг ультрахолодного карликового звезды в 40 световых годах от Солнечной системы.
Три из этих планет находятся точно в обитаемой зоне, области вокруг родительской звезды, где скалистая планета наиболее вероятно имеет жидкую воду. Открытие устанавливает новый рекорд по наибольшему количеству планет в обитаемой зоне, обнаруженных вокруг одной звезды за пределами Солнечной системы. Все эти семь планет могли бы иметь жидкую воду – ключ к жизни, как мы ее знаем, при правильных атмосферных условиях, но шансы выше всего для трех планет в обитаемой зоне.