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, межзвездному космическому кораблю необходимо достичь значительной доли скорости света, что требует колоссального количества энергии. Связь с такими аппаратами будет испытывать задержку в несколько лет из-за конечности скорости света. Столкновения с космической пылью и газом на таких скоростях могут быть катастрофическими для конструкции корабля. Экипажные межзвездные путешествия, возможно, могли бы проводиться медленнее, за пределами масштаба человеческой жизни, с помощью корабля поколений. 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 аппаратов покинули Солнечную систему, они не являются межзвездными кораблями в том смысле, что они не предназначены специально для исследования других звездных систем. Таким образом, к современному состоянию 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, определяемых как среднее расстояние между Солнцем и Землей, примерно сто пятьдесят миллионов километров. Венера, ближайшая к Земле планета, находится на расстоянии около трех десятых астрономической единицы при ближайшем подходе. Нептун, самая дальняя от Солнца планета, находится на расстоянии почти тридцати астрономических единиц. По состоянию на недавние годы, Voyager 1, самый удаленный от Земли рукотворный объект, находится на расстоянии более ста семидесяти астрономических единиц, покидая Солнечную систему со скоростью seventeen километров в секунду, что составляет крошечную долю процента от скорости света. Ближайшая известная звезда, Проксима Центавра, находится примерно в двухсот шестидесяти восьми тысячах астрономических единиц от нас, или более чем в девять тысяч 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 трем с половиной световых года, расстояние, на котором звездная параллакс равна ровно одной угловой секунде, отсюда и название. Свет в вакууме проходит примерно триста тысяч километров в секунду, поэтому один световой год составляет около девяти квадриллионов километров или шестьдесят три тысячи астрономических единиц. Следовательно, Проксима Центавра находится примерно в четырех с половиной световых годах от Земли.
Другой способ понять огромность межзвездных расстояний — это масштабирование. Одна из ближайших к Солнцу звезд, Альфа Центавра А, можно представить, уменьшив расстояние между Землей и Солнцем до одного метра. В этом масштабе расстояние до Альфа Центавра А составит двести семьдесят шесть километров. Самый быстрый космический корабль, отправленный в сторону звезд, Voyager 1, преодолел одну трехсот девяностую часть светового года за сорок шесть лет и в настоящее время движется со скоростью одна семнадцатая тысяча шестисотая скорости света. При этой скорости путешествие к Проксиме Центавра займет семьдесят пять тысяч лет.
Необходимая энергия
Важным фактором, способствующим трудности, является энергия, которую необходимо обеспечить для получения разумного времени путешествия. Нижняя граница необходимой энергии — это кинетическая энергия, где масса является конечной массой. Если требуется замедление при прибытии и оно не может быть достигнуто никаким другим способом, кроме двигателей корабля, то нижняя граница необходимой энергии удваивается. Скорость для экипажного туда-обратно за несколько десятилетий даже до ближайшей звезды в несколько тысяч раз больше, чем у современных космических аппаратов. 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 четыреста пятьдесят петаджоулей или четыре с половиной в семнадцатой степени джоулей или двести пять тераватт-часов, без учета эффективности механизма движения. Эта энергия должна генерироваться на борту из хранящегося топлива, собираться из межзвездной среды или передаваться на огромные расстояния.
Межзвездная среда
Знание свойств межзвездного газа и пыли, через которые должен пройти аппарат, необходимо для проектирования любой межзвездной космической миссии. Основной проблемой при движении на чрезвычайно высоких скоростях является то, что из-за 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 встречаются гораздо реже, но будут намного более разрушительными. Риски столкновения с такими объектами и методы их смягчения обсуждались в литературе, но многие неизвестности остаются. 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, эффекты воздействия 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 пятидесяти 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. В две тысячи шестом году Эндрю Кеннеди рассчитал идеальные даты отправления для поездки к звезде Барнарда, используя более точную концепцию расчета ожидания, согласно которой для данной цели и темпа роста мощности движения существует точка отправления, которая обгоняет более ранние запуски и не будет обогнана более поздними, и заключил, что межзвездное путешествие на шесть световых лет лучше всего осуществить примерно через шестьсот тридцать пять лет, если рост продолжится на уровне около одного с половиной процента в год, или примерно в двадцать шесть сорок первом году. Это может быть самым значительным расчетом для конкурирующих культур, занимающих галактику.
Основные цели для межзвездных путешествий
В пределах сорока световых лет от Солнца известно пятьдесят девять звездных систем, содержащих восемьдесят одну видимую звезду. Следующие могут быть рассмотрены как основные цели для межзвездных миссий:
Альфа Центавра находится на расстоянии четырех с половиной световых лет. Это ближайшая система, состоящая из трех звезд. Компонент А похож на Солнце. Двадцать четвертого августа две тысячи шестнадцатого года было объявлено об открытии экзопланеты размером с Землю, обращающейся в обитаемой зоне Проксимы Центавра.
Звезда Барнарда находится на расстоянии шести световых лет. Это маленькая, слабосветная красная карликовая звезда. Она является второй по близости к Солнечной системе.
Сириус находится на расстоянии восьми с половиной световых лет. Это большая, очень яркая звезда с белым карликом-компаньоном.
Эпсилон Эридана находится на расстоянии десяти с половиной световых лет. Это одиночная звезда, немного меньшая и холоднее Солнца. У нее есть два пояса астероидов. Предполагается, что она также вмещает газовый гигант, возможно, еще одну меньшую планету, и может обладать планетной системой, подобной Солнечной.
Тета Центавра находится на расстоянии одиннадцати с половиной световых лет. Это одиночная звезда, похожая на Солнце. Высокая вероятность наличия планетной системы, подобной Солнечной: текущие данные показывают четыре планеты, из которых две, возможно, находятся в обитаемой зоне.
Звезда Люйтена находится на расстоянии двенадцати с половиной световых лет. Это красный карлик с суперземлей, обращающейся в обитаемой зоне.
Вольф 1061 находится на расстоянии четырнадцати световых лет. Планета Вольф 1061 c в полтора раза больше Земли; возможно, имеет скалистую местность. Она также находится в золотой зоне, где может существовать жидкая вода.
Глизе 667C находится на расстоянии двадцати трех с половиной световых лет. 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 находится на расстоянии двадцати пяти световых лет. Это очень молодая система, возможно, находящаяся в процессе формирования планет.
TRAPPIST-1 находится на расстоянии сорока с половиной световых лет. Система из семи планет, подобных Земле, некоторые из которых могут иметь жидкую воду. Это открытие является значительным шагом 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, основанные на современных и ближайших технологиях движения, связаны с временем путешествия, начиная с нескольких десятилетий до тысяч лет. Эти миссии состоят в отправке роботизированного зонда к ближайшей звезде для исследования, аналогично межпланетным зондам. Отправляя на борт никакого экипажа, стоимость и сложность миссии значительно снижаются, как и масса, которую необходимо ускорить, хотя срок службы технологии остается значительной проблемой наряду с получением разумной скорости движения. Предлагаемые концепции включают проект Даэдал, проект Икар, проект Дракон, проект Лонгшот и недавно прорывной проект Звездная пыль.
Быстрые, беспилотные зонды
Нанозонды
Космические корабли-нанозонды, 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 наноэкстрактор полевого излучения. Эти устройства действуют как небольшие ускорители частиц, выбрасывающие проводящие наночастицы в космос. Теоретический физик предположил, что в звезды можно отправить облака умной пыли, что может стать возможным с развитием нанотехнологий. Он 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. Как временное решение, были предложены небольшие лазерные зонды, основанные на текущей технологии кубсатов, в контексте проекта Дракон. Звездное семя — это аналогичный предложенный метод запуска межзвездных нанозондов на одну треть скорости света. Предлагаемый запуск использует тысячекилометровую тонкую полую проволоку с электродами, выложенными по полой проволоке, электростатическую ускорительную трубу, аналогичную идеям известного ученого.
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.
Замороженное состояние
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 совсем пустое; оно содержит триллионы ледяных тел, от небольших астероидов до возможных бродячих планет. Возможно, есть способы использовать эти ресурсы для значительной части межзвездного путешествия, медленно переходя с тела на тело или устанавливая промежуточные станции по пути.
Быстрые, экипажные миссии
Если космический корабль мог бы поддерживать в среднем десять процентов скорости света и замедляться в пункте назначения для экипажных миссий, это было бы достаточно, чтобы достичь Проксимы Центавра за сорок лет. Были предложены несколько концепций движения, которые могли бы быть разработаны для достижения этого, 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 восьмидесяти процентов скорости света. Часы на борту межзвездного корабля будут идти медленнее, чем часы на Земле, поэтому если двигатели корабля могли бы непрерывно создавать около одного g ускорения, что комфортно для людей, корабль мог бы достичь почти любой точки галактики и вернуться на Землю за сорок лет по времени корабля. При возвращении будет разница между временем, прошедшим на корабле, и временем, прошедшим на Земле. Например, космический корабль мог бы путешествовать к звезде в тридцати двух световых годах, изначально ускоряясь с постоянным ускорением в течение одного с половиной года по времени корабля, затем останавливая двигатели и плывя со скоростью в течение следующих семнадцати лет, затем снова замедляясь в течение полутора лет корабля и останавливаясь в пункте назначения. После короткого визита астронавт мог бы вернуться на Землю тем же путем. После полного туда-обратно по времени корабля прошло сорок лет, но по времени на Земле корабль вернулся через семьдесят шесть лет после запуска. С точки зрения астронавта часы на борту кажутся работающими нормально. Звезда впереди кажется приближающейся со скоростью восемьдесят семь сотых светового года в год корабля. Вселенная казалась сжатой вдоль направления движения до половины размера, который она имела, когда корабль был неподвижен; расстояние между этой звездой и Солнцем казалось шестнадцатью световыми годами, измеренными астронавтом. При более высоких скоростях время на борту будет течь еще медленнее, поэтому астронавт мог бы путешествовать к центру Млечного Пути и обратно за сорок лет по времени корабля. Но скорость по часам Земли всегда будет меньше одного светового года в год Земли, поэтому, вернувшись домой, астронавт обнаружит, что на Земле прошло более шестидесяти тысяч лет.
Постоянное ускорение
Независимо от того, как оно достигается, система движения, способная создавать постоянное ускорение от старта до прибытия, была бы самым быстрым методом путешествия. Путешествие с постоянным ускорением — это когда система движения ускоряет корабль с постоянной скоростью в течение первой половины пути, а затем замедляется во второй половине, так что корабль прибывает в пункт назначения, неподвижный относительно точки старта. Если это будет выполнено с ускорением, аналогичным тому, которое испытывается на поверхности Земли, это будет иметь дополнительное преимущество создания искусственной гравитации для экипажа. Обеспечение необходимой энергии, однако, было бы чрезвычайно дорого с современной технологией.
С точки зрения наблюдателя с планеты корабль будет казаться ускоряющимся равномерно сначала, но затем более постепенно, когда он приближается к скорости света, которую он не может превысить. Корабль будет приближаться к скорости света через год ускорения и будет оставаться 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 будут постепенно сокращаться 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 борту прошло меньше времени, чем на Земле, из-за релятивистского замедления времени и сокращения длины. Результат — быстрое путешествие для экипажа.
Движение
Согласно известному физику, хотя химические ракетные двигатели имеют тягу в несколько тысяч тонн, они работают только несколько минут, поэтому по конечному 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 около ста километров в секунду, что, согласно экспертам, слишком медленно для путешествия к далеким звездам. Чтобы достичь ближайшей звезды за разумное время, приблизительно полвека, необходимо ускориться до почти релятивистской скорости за короткий период времени, а затем, если возможно, замедлиться снова. Проблема здесь может быть проиллюстрирована уравнением Циолковского: для массы запуска и полезной нагрузки. Чтобы достичь большого изменения скорости, требуется высокая эффективная скорость истечения реакционного газа. Кроме того, для получения необходимой энергии необходимо обработать большое количество топлива. Другой эффект, который следует учитывать, — это загустение топлива и газов истечения на релятивистских скоростях, как предсказано теоретическим физиком.
На основе этого соображения можно исключить две категории двигателей:
Химические двигатели предлагают высокую тягу, но из-за использования химической энергии их эффективность 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, что неприемлемо для межзвездного полета за один человеческий век; термодинамические ядерные двигатели типа NERVA требуют большого количества топлива. Фотонные ракеты должны генерировать мощность со скоростью три миллиарда ватт на килограмм массы корабля и требуют зеркал с поглощением менее одной части на миллион. Проблемы межзвездного рамджета заключаются в редкой межзвездной среде с плотностью около одного атома на кубический сантиметр, большом диаметре воронки и высокой мощности, необходимой для его электрического поля. Таким образом, единственным подходящим методом движения для проекта Даэдал 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 массы, включая топливо, к конечной массе, когда топливо исчерпано. Требуется очень высокая удельная мощность, отношение тяги к общей массе корабля, чтобы достичь межзвездных целей за период 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 струи истечения обратно в корабль.
Ядерные двигатели с делением
Ракеты с фрагментами деления используют ядерное деление для создания высокоскоростных струй фрагментов деления, которые выбрасываются со скоростью до двенадцати тысяч километров в секунду. С помощью деления выход энергии составляет примерно одну десятую процента от общей массы-энергии топлива реактора и ограничивает эффективную скорость истечения примерно пятью процентами 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.