Loty międzygwiezdne do innych wszechświatów. Podróże kosmiczne: podróże międzygwiezdne

Czy naprawdę będziemy w stanie dotrzeć do nieznanych planet poza nimi? układ słoneczny? Jak to w ogóle możliwe?

Pisarze i filmowcy science fiction są oczywiście wspaniali, wykonali dobrą robotę. Naprawdę chcesz wierzyć w kolorowe historie, w których ludzie podbijają najdalsze zakątki kosmosu. Niestety, zanim ten obraz stanie się rzeczywistością, będziemy musieli pokonać wiele ograniczeń. Na przykład prawa fizyki, jakie widzimy obecnie.

Ale! W ostatnich latach powstało kilka organizacji wolontariackich i finansowanych ze środków prywatnych (Fundacja Tau Zero, Projekt Icarus, Projekt Przełomowa Starshot), a każda z nich ma na celu stworzenie transportu do lotów międzygwiezdnych i przybliżenie ludzkości do podboju Wszechświata. Ich nadzieję i wiarę w sukces wzmacniają pozytywne wieści, np. planeta wielkości Ziemi krąży wokół gwiazdy Proxima Centauri.

Stworzenie międzygwiezdnego statku kosmicznego będzie jednym z tematów dyskusji podczas listopadowego szczytu BBC Future World Summit „Idee, które zmieniają świat” w Sydney. Czy człowiek będzie mógł podróżować do innych galaktyk? A jeśli tak, jakiego rodzaju statki kosmiczne będą nam do tego potrzebne?

Gdzie powinniśmy iść?

Gdzie nie warto latać? We wszechświecie jest więcej gwiazd niż ziaren piasku na Ziemi – około 70 sekstylionów (czyli 22 zera po siedmiu) – a naukowcy szacują, że miliardy z nich mają od jednej do trzech planet na orbicie w tak zwanej „strefie Złotowłosej” : nie mają za dużo zimna i nie za gorąco. Właśnie tak.

Od samego początku aż do chwili obecnej najlepszym kandydatem na pierwszy lot międzygwiezdny był nasz najbliższy sąsiad, układ potrójny Alfa Centauri. Znajduje się 4,37 lat świetlnych od Ziemi. W tym roku astronomowie z Europejskiego Obserwatorium Południowego odkryli planetę wielkości Ziemi krążącą wokół czerwonego karła Proxima Centauri w konstelacji. Planeta o nazwie Proxima b ma masę co najmniej 1,3 masy Ziemi i ma bardzo krótki okres obiegu wokół swojej gwiazdy – zaledwie 11 ziemskich dni. Ale mimo to ta wiadomość niezwykle podekscytowała astronomów i łowców egzoplanet, ponieważ reżim temperaturowy Proximy b jest odpowiedni dla istnienia wody w stanie ciekłym, a to poważny plus dla możliwego zamieszkiwania.

Są jednak wady: nie wiemy, czy Proxima b ma atmosferę, a biorąc pod uwagę jej bliskość do Proxima Centauri (bliżej Słońca niż Merkury), prawdopodobnie będzie narażona na emisję i promieniowanie plazmy gwiazdowej. Jest tak zamknięta przez siły pływowe, że jedna strona zawsze jest zwrócona w stronę gwiazdy. To oczywiście może całkowicie zmienić nasze wyobrażenia o dniu i nocy.

A jak się tam dostaniemy?

Oto pytanie warte 64 biliony dolarów. Nawet przy maksymalnej prędkości, na jaką pozwala nam rozwijać się nowoczesna technologia, od Proximy B dzieli nas 18 tysięcy lat. I istnieje duże prawdopodobieństwo, że po osiągnięciu celu spotkamy tam... naszych potomków na Ziemi, którzy skolonizowali już nową planetę i zagarnęli dla siebie całą chwałę. Tak głębokie umysły i głębokie kieszenie postawiły sobie ambitne zadanie: znaleźć szybszy sposób na pokonywanie ogromnych odległości.

Breakthrough Starshot to projekt kosmiczny o wartości 100 milionów dolarów finansowany przez rosyjskiego miliardera Jurija Milnera. Przełomowy projekt Starshot skupił się na tworzeniu małych bezzałogowych sond z lekkimi żaglami napędzanymi potężnym naziemnym laserem. Pomysł jest taki, że statek kosmiczny o wystarczającej masie (zaledwie 1 gram) z lekkim żaglem mógłby być regularnie przyspieszany przez potężną wiązkę światła z Ziemi do około jednej piątej prędkości światła. W tym tempie nanosondy dotrą do Alpha Centauri za około 20 lat.

Twórcy projektu Breakthrough Starshot liczą na miniaturyzację wszystkich technologii, ponieważ maleńka sonda kosmiczna musi pomieścić kamerę, silniki odrzutowe, zasilacz, sprzęt komunikacyjny i nawigacyjny. Wszystko po to, aby po przybyciu na miejsce porozumieć się: „Spójrzcie, tu jestem. Ale ona w ogóle się nie kręci. Miller ma nadzieję, że to zadziała i położy podwaliny pod kolejny, bardziej złożony etap podróży międzygwiezdnych: podróż człowieka.

A co z silnikami warp?

Tak, w serialu Star Trek wszystko wygląda bardzo prosto: włącz silnik warp i lataj szybciej niż prędkość światła. Ale wszystko, co obecnie wiemy o prawach fizyki, mówi nam, że podróżowanie z prędkością większą lub nawet równą prędkości światła jest niemożliwe. Ale naukowcy nie poddają się: NASA zainspirowana innym ekscytującym silnikiem z science fiction i uruchomiła projekt NASA Evolutionary Xenon Thruster (w skrócie NEXT) - silnik jonowy, który może rozpędzić statek kosmiczny do prędkości 145 tys. km/h, wykorzystując tylko jedną frakcję paliwa do konwencjonalnej rakiety.

Ale nawet przy takich prędkościach nie będziemy w stanie odlecieć daleko od Układu Słonecznego w ciągu jednego życia człowieka. Dopóki nie wymyślimy, jak pracować z czasoprzestrzenią, podróże międzygwiezdne będą bardzo, bardzo powolne. Być może nadszedł czas, aby zacząć postrzegać czas, jaki galaktyczni wędrowcy spędzą na pokładzie międzygwiezdnego statku kosmicznego, jako po prostu życie, a nie jako przejażdżkę „kosmicznym autobusem” z punktu A do punktu B.

Jak przetrwamy podróże międzygwiezdne?

Silniki warp i silniki jonowe są oczywiście bardzo fajne, ale to wszystko na niewiele się zda, jeśli nasi międzygwiezdni podróżnicy umrą z głodu, zimna, odwodnienia lub braku tlenu, zanim jeszcze opuszczą Układ Słoneczny. Badaczka Rachel Armstrong przekonuje, że już czas pomyśleć o stworzeniu prawdziwego ekosystemu dla międzygwiezdnej ludzkości.

„Przechodzimy od podejścia przemysłowego do ekologicznej wizji rzeczywistości” – mówi Armstrong.

Armstrong, profesor architektury eksperymentalnej na Uniwersytecie w Newcastle w Wielkiej Brytanii, tak mówi o koncepcji „świata”: „Chodzi o przestrzeń życiową, a nie tylko o projekt obiektu”. Dziś we wnętrzu statku kosmicznego czy stacji wszystko jest sterylne i tak wygląda obiekt przemysłowy. Armstrong uważa, że ​​zamiast tego powinniśmy pomyśleć o aspektach środowiskowych statków kosmicznych: o roślinach, które możemy uprawiać na pokładzie, a nawet o rodzaju gleby, którą ze sobą zabieramy. Sugeruje, że w przyszłości statki kosmiczne będą wyglądać jak gigantyczne biomy pełne organicznego życia, a nie dzisiejsze zimne, metalowe skrzynie.

Nie możemy po prostu przespać całej drogi?

Kriosleep i hibernacja są oczywiście dobra decyzja raczej nieprzyjemny problem: jak utrzymać ludzi przy życiu podczas podróży, która trwa znacznie dłużej niż samo życie ludzkie. Przynajmniej tak to robią w filmach. A świat jest pełen kriooptymistów: Fundacja Alcor Life Extension przechowuje wiele kriokonserwowanych ciał i głów ludzi, którzy mają nadzieję, że nasi potomkowie nauczą się bezpiecznie odmrażać ludzi i pozbywać się obecnie nieuleczalnych chorób, ale obecnie takie technologie nie istnieć.

Filmy takie jak Interstellar i książki takie jak Siedemnastki Neala Stephensona podsunęły pomysł wysyłania w kosmos zamrożonych embrionów, które mogłyby przetrwać nawet najdłuższy lot, ponieważ nie muszą jeść, pić ani oddychać. Ale to rodzi problem „kury i jajka”: ktoś musi opiekować się rodzącą się ludzkością w nieświadomym wieku.

Czy to wszystko jest prawdziwe?

„Od zarania ludzkości patrzyliśmy w gwiazdy i kierowaliśmy w ich stronę nasze nadzieje, lęki, zmartwienia i marzenia” – mówi Rachel Armstrong.

Wraz z uruchomieniem nowych projektów inżynieryjnych, takich jak Breakthrough Starshot, „sen staje się prawdziwym eksperymentem”.

Nowoczesne technologie i odkrycia przenoszą eksplorację kosmosu na zupełnie nowy poziom, ale podróże międzygwiezdne to wciąż marzenie. Czy jednak jest to aż tak nierealne i nieosiągalne? Co możemy zrobić teraz i czego możemy się spodziewać w najbliższej przyszłości?

Analizując dane uzyskane z teleskopu Keplera, astronomowie odkryli 54 egzoplanety potencjalnie nadające się do zamieszkania. Te odległe światy znajdują się w strefie zamieszkiwalnej, tj. w pewnej odległości od gwiazdy centralnej, co pozwala na utrzymanie wody w postaci płynnej na powierzchni planety.

Jednak odpowiedź na główne pytanie, czy jesteśmy sami we Wszechświecie, jest trudna do uzyskania – ze względu na ogromną odległość dzielącą Układ Słoneczny od naszych najbliższych sąsiadów. Na przykład „obiecująca” planeta Gliese 581g znajduje się w odległości 20 lat świetlnych - to wystarczająco blisko jak na standardy kosmiczne, ale wciąż za daleko dla instrumentów ziemskich.

Obfitość egzoplanet w promieniu 100 lub mniej lat świetlnych od Ziemi oraz ogromne zainteresowanie naukowe, a nawet cywilizacyjne, jakie stanowią dla ludzkości, zmuszają nas do świeżego spojrzenia na fantastyczną dotychczas koncepcję podróży międzygwiezdnych.

Lot do innych gwiazd jest oczywiście kwestią technologii. Co więcej, istnieje kilka możliwości osiągnięcia tak odległego celu, a wybór na korzyść tej czy innej metody nie został jeszcze dokonany.

Ludzkość wysłała już w przestrzeń kosmiczną pojazdy międzygwiezdne: sondy Pioneer i Voyager. Obecnie opuścili Układ Słoneczny, jednak ich prędkość nie pozwala mówić o szybkim osiągnięciu celu. Tym samym Voyager 1, poruszając się z prędkością około 17 km/s, przeleci niesamowicie nawet do najbliższej gwiazdy Proxima Centauri (4,2 lat świetlnych) długoterminowy- 17 tysięcy lat.

Wiadomo, że nowoczesnymi silnikami rakietowymi nie dotrzemy dalej niż do Układu Słonecznego: aby przewieźć 1 kg ładunku nawet do pobliskiej Proxima Centauri potrzeba kilkudziesięciu tysięcy ton paliwa. Jednocześnie wraz ze wzrostem masy statku wzrasta ilość potrzebnego paliwa, a do jego transportu potrzebne jest dodatkowe paliwo. Błędne koło, które kładzie kres zbiornikom z paliwem chemicznym – budowa ważącego miliardy ton statku kosmicznego wydaje się przedsięwzięciem absolutnie niesamowitym. Proste obliczenia z wykorzystaniem wzoru Ciołkowskiego pokazują, że przyspieszenie statku kosmicznego o napędzie chemicznym do około 10% prędkości światła wymagałoby większej ilości paliwa, niż jest dostępne w znanym wszechświecie.

Reakcja syntezy termojądrowej wytwarza energię na jednostkę masy średnio milion razy więcej niż procesy chemiczne spalanie. Dlatego w latach 70. NASA zwróciła uwagę na możliwość wykorzystania broni termojądrowej silniki rakietowe. Projekt bezzałogowego statku kosmicznego Daedalus obejmował stworzenie silnika, w którym małe granulki paliwa termojądrowego byłyby podawane do komory spalania i zapalane wiązkami elektronów. Produkty reakcji termojądrowej wylatują z dyszy silnika i nadają statkowi przyspieszenie.

Statek kosmiczny Dedal w porównaniu do Empire State Building

Dedal miał zabrać na pokład 50 tysięcy ton pelletu paliwowego o średnicy 4 i 2 mm. Granulki składają się z rdzenia zawierającego deuter i tryt oraz otoczki z helu-3. Ten ostatni stanowi tylko 10-15% masy pelletu paliwowego, ale w rzeczywistości jest paliwem. Hel-3 występuje powszechnie na Księżycu, a deuter jest szeroko stosowany w przemyśle nuklearnym. Rdzeń deuterowy służy jako detonator zapalający reakcję termojądrową i wywołuje potężną reakcję polegającą na uwolnieniu reaktywnego strumienia plazmy, kontrolowanego przez silne pole magnetyczne. Główna komora spalania molibdenu silnika Daedalus miała ważyć ponad 218 ton, komora drugiego stopnia – 25 ton. Cewki nadprzewodzące magnetyczne pasują również do ogromnego reaktora: pierwszy waży 124,7 tony, a drugi - 43,6 tony. Dla porównania sucha masa wahadłowca wynosi niecałe 100 ton.

Lot Daedalusa miał być dwuetapowy: silnik pierwszego stopnia miał pracować ponad 2 lata i spalić 16 milionów granulek paliwa. Po wydzieleniu pierwszego stopnia silnik drugiego stopnia pracował prawie dwa lata. Zatem w ciągu 3,81 lat ciągłego przyspieszania Dedal osiągnąłby maksymalną prędkość wynoszącą 12,2% prędkości światła. Taki statek pokona dystans do gwiazdy Barnarda (5,96 lat świetlnych) za 50 lat i będzie mógł przelatując przez odległy układ gwiezdny transmitować drogą radiową na Ziemię wyniki swoich obserwacji. Cała misja zajmie zatem około 56 lat.

Pomimo dużych trudności w zapewnieniu niezawodności licznych systemów Daedalusa i jego ogromnych kosztów, projekt ten można zrealizować na obecnym poziomie technologii. Ponadto w 2009 roku zespół pasjonatów wznowił prace nad projektem statku termojądrowego. Projekt Icarus obejmuje obecnie 20 tematów naukowych dotyczących teoretycznego rozwoju systemów i materiałów międzygwiazdowych statków kosmicznych.

Tym samym możliwe są już dziś bezzałogowe loty międzygwiezdne na odległości do 10 lat świetlnych, co zajmie około 100 lat lotu plus czas, zanim sygnał radiowy dotrze z powrotem na Ziemię. Układy gwiezdne Alpha Centauri, Gwiazda Barnarda, Syriusz, Epsilon Eridani, UV Ceti, Ross 154 i 248, CN Leo, WISE 1541-2250 mieszczą się w tym promieniu. Jak widzimy, w pobliżu Ziemi znajduje się wystarczająca liczba obiektów, które można badać za pomocą misji bezzałogowych. Ale co, jeśli roboty znajdą coś naprawdę niezwykłego i wyjątkowego, na przykład złożoną biosferę? Czy wyprawa z udziałem człowieka będzie mogła dotrzeć na odległe planety?

Lot na całe życie

Jeśli już dziś możemy rozpocząć budowę statku bezzałogowego, to sytuacja z załogowym jest bardziej skomplikowana. Przede wszystkim paląca jest kwestia czasu lotu. Weźmy tę samą gwiazdę Barnarda. Kosmonauci będą musieli przygotować się na załogowy lot ze szkoły, gdyż nawet jeśli start z Ziemi nastąpi w 20. rocznicę ich powstania, statek kosmiczny dotrze do celu misji przed 70., a nawet 100. rocznicą (biorąc pod uwagę konieczność hamowania, co nie jest konieczne w locie bezzałogowym). Wybór załogi w młodym wieku jest obarczony niezgodnością psychologiczną i konflikty interpersonalne, a wiek 100 lat nie daje nadziei na owocną pracę na powierzchni planety i powrót do domu.

Czy jednak jest sens wracać? Liczne badania NASA prowadzą do rozczarowującego wniosku: długotrwałe narażenie na nieważkość nieodwracalnie zniszczy zdrowie astronautów. Zatem praca profesora biologii Roberta Fittsa z astronautami ISS pokazuje, że nawet pomimo aktywności ćwiczenia fizyczne na pokładzie statku kosmicznego po trzyletniej misji na Marsa duże mięśnie, takie jak mięśnie łydek, staną się o 50% słabsze. Gęstość mineralna kości również zmniejsza się w podobny sposób. W rezultacie zdolność do pracy i przetrwania w sytuacjach ekstremalnych znacznie spada, a okres przystosowania się do normalnej grawitacji wyniesie co najmniej rok. Loty w stanie nieważkości przez dziesięciolecia postawią pod znakiem zapytania samo życie astronautów. Być może organizm ludzki będzie w stanie zregenerować się np. podczas hamowania przy stopniowo rosnącej grawitacji. Ryzyko śmierci jest jednak nadal zbyt wysokie i wymaga radykalnego rozwiązania.

Stanford Tor to kolosalna konstrukcja z całymi miastami wewnątrz obracającej się obręczy.

Niestety rozwiązanie problemu nieważkości na statku międzygwiezdnym nie jest takie proste. Dostępna nam możliwość wytworzenia sztucznej grawitacji poprzez obrót modułu mieszkalnego wiąże się z wieloma trudnościami. Aby wytworzyć ziemską grawitację, nawet koło o średnicy 200 m musiałoby się obracać z prędkością 3 obrotów na minutę. Przy tak szybkim obrocie siła Cariolisa wytworzy obciążenia całkowicie nie do zniesienia dla ludzkiego układu przedsionkowego, powodując nudności i ostre ataki choroby morskiej. Jedynym rozwiązaniem tego problemu jest Stanford Tor, opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda w 1975 roku. To ogromny pierścień o średnicy 1,8 km, w którym mogłoby żyć 10 tysięcy astronautów. Ze względu na swój rozmiar zapewnia siłę grawitacji 0,9-1,0 g i jest dość komfortowe zakwaterowanie ludzie. Jednak nawet przy prędkościach obrotowych niższych niż jeden obrót na minutę ludzie nadal będą odczuwać łagodny, ale zauważalny dyskomfort. Co więcej, jeśli zbuduje się tak gigantyczny przedział mieszkalny, nawet niewielkie zmiany w rozkładzie ciężaru torusa będą miały wpływ na prędkość obrotową i będą powodować wibracje całej konstrukcji.

Problem promieniowania również pozostaje trudny. Nawet w pobliżu Ziemi (na pokładzie ISS) astronauci przebywają nie dłużej niż sześć miesięcy ze względu na niebezpieczeństwo narażenia na promieniowanie. Międzyplanetarny statek kosmiczny będzie musiał być wyposażony w ciężką ochronę, ale pozostaje kwestia wpływu promieniowania na organizm ludzki. W szczególności ryzyko raka, którego rozwój w stanie nieważkości praktycznie nie było badane. Na początku tego roku naukowiec Krasimir Iwanow z Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki w Kolonii opublikował wyniki interesującego badania zachowania komórek czerniaka (najniebezpieczniejszej formy raka skóry) w stanie nieważkości. W porównaniu z komórkami nowotworowymi hodowanymi w normalnej grawitacji, komórki hodowane w zerowej grawitacji przez 6 i 24 godziny były mniej podatne na przerzuty. Wydaje się, że to dobra wiadomość, ale tylko na pierwszy rzut oka. Faktem jest, że taki „kosmiczny” rak może pozostawać w stanie uśpienia przez dziesięciolecia i nieoczekiwanie rozprzestrzenić się na dużą skalę, gdy układ odpornościowy zostanie zakłócony. Ponadto z badania jasno wynika, że ​​nadal niewiele wiemy na temat reakcji organizmu ludzkiego na długotrwałe przebywanie w przestrzeni kosmicznej. Dziś astronauci są zdrowi silni ludzie, spędzają tam zbyt mało czasu, aby przenieść swoje doświadczenia na długi lot międzygwiezdny.

W każdym razie statek na 10 tysięcy osób to wątpliwy pomysł. Aby stworzyć niezawodny ekosystem dla tak wielu ludzi, potrzeba ogromnej liczby roślin, 60 tysięcy kurczaków, 30 tysięcy królików i stada bydła. Samo to może zapewnić dietę o wartości 2400 kalorii dziennie. Jednak wszystkie eksperymenty mające na celu utworzenie takich zamkniętych ekosystemów niezmiennie kończą się niepowodzeniem. Tym samym podczas największego eksperymentu „Biosfera-2” przeprowadzonego przez Space Biosfera Ventures zbudowano sieć hermetycznych budynków o łącznej powierzchni 1,5 ha, w których znalazło się 3 tysiące gatunków roślin i zwierząt. Cały ekosystem miał stać się samowystarczalną małą „planetą” zamieszkałą przez 8 osób. Eksperyment trwał 2 lata, ale już po kilku tygodniach zaczęły się poważne problemy: mikroorganizmy i owady zaczęły się niekontrolowanie rozmnażać, zużywając w zbyt dużych ilościach tlen i rośliny; okazało się też, że bez wiatru rośliny stają się zbyt kruche. W wyniku lokalnych katastrofa ekologiczna ludzie zaczęli tracić na wadze, ilość tlenu spadła z 21% do 15%, a naukowcy musieli złamać warunki eksperymentu i zaopatrzyć ośmiu „kosmonautów” w tlen i żywność.

Zatem tworzenie złożonych ekosystemów wydaje się błędnym i niebezpiecznym sposobem zapewnienia tlenu i pożywienia załodze międzygwiezdnego statku kosmicznego. Aby rozwiązać ten problem, potrzebne będą specjalnie zaprojektowane organizmy ze zmodyfikowanymi genami, które będą mogły odżywiać się światłem, odpadami i prostymi substancjami. Na przykład duże nowoczesne warsztaty do produkcji jadalnych alg chlorella mogą wyprodukować do 40 ton zawiesiny dziennie. Jeden całkowicie autonomiczny bioreaktor o wadze kilku ton może wyprodukować do 300 litrów zawiesiny chlorelli dziennie, co wystarcza na wyżywienie kilkudziesięciu osobowej załogi. Genetycznie modyfikowana chlorella mogła nie tylko zaspokoić potrzeby załogi składniki odżywcze, ale także poddawać recyklingowi odpady, w tym dwutlenek węgla. Obecnie proces inżynierii genetycznej mikroalg stał się powszechny i ​​istnieje wiele próbek przeznaczonych do oczyszczania ścieki, produkcja biopaliw itp.

zamrożony sen

Prawie wszystkie powyższe problemy załogowych lotów międzygwiezdnych można rozwiązać za pomocą jednej bardzo obiecującej technologii - animacji zawieszonej lub, jak to się nazywa, kriostazy. Anabioza to co najmniej kilkukrotne spowolnienie procesów życiowych człowieka. Jeśli uda się pogrążyć człowieka w takim sztucznym letargu, który 10-krotnie spowalnia metabolizm, to podczas 100-letniego lotu zestarzeje się we śnie zaledwie o 10 lat. Dzięki temu łatwiej jest rozwiązać problemy odżywiania, zaopatrzenia w tlen, zaburzenia psychiczne i wyniszczenie organizmu na skutek działania nieważkości. Ponadto łatwiej jest chronić przedział z podwieszonymi komorami animacyjnymi przed mikrometeorytami i promieniowaniem niż dużą strefę mieszkalną.

Niestety spowolnienie procesów życiowych człowieka jest zadaniem niezwykle trudnym. Ale w naturze istnieją organizmy, które mogą zapadać w sen zimowy i setki razy zwiększać swoją średnią długość życia. Na przykład mała jaszczurka zwana salamandrą syberyjską jest w stanie zapaść w sen zimowy w trudnych czasach i przeżyć dziesiątki lat, nawet po zamrożeniu w bryłę lodu o temperaturze minus 35-40°C. Znane są przypadki, gdy salamandry spędziły około 100 lat w stanie hibernacji i jak gdyby nic się nie stało, rozmroziły się i uciekły przed zaskoczonymi badaczami. Co więcej, zwykła „ciągła” długość życia jaszczurki nie przekracza 13 lat. Niesamowita zdolność salamandrę tłumaczy się tym, że jej wątroba syntetyzuje dużą ilość gliceryny, prawie 40% jej masy ciała, która chroni komórki przed niskimi temperaturami.

Główną przeszkodą w zanurzeniu człowieka w kriostazę jest woda, która stanowi 70% naszego ciała. Po zamrożeniu zamienia się w kryształki lodu, zwiększając swoją objętość o 10%, co powoduje pęknięcie błony komórkowej. Ponadto, gdy komórka zamarza, substancje rozpuszczone w komórce migrują do pozostałej wody, zakłócając wewnątrzkomórkowe procesy wymiany jonowej, a także organizację białek i innych struktur międzykomórkowych. Ogólnie rzecz biorąc, zniszczenie komórek podczas zamrażania uniemożliwia powrót człowieka do życia.

Istnieje jednak obiecujący sposób rozwiązania tego problemu – hydraty klatratu. Odkryto je już w 1810 roku, kiedy brytyjski naukowiec Sir Humphry Davy wprowadził do wody chlor pod wysokim ciśnieniem i był świadkiem powstawania stałych struktur. Były to hydraty klatratów – jedna z form lodu wodnego, zawierająca obcy gaz. W przeciwieństwie do kryształków lodu, sieci klatratowe są mniej trwałe, nie mają ostrych krawędzi, ale mają wnęki, w których mogą „ukrywać się” substancje wewnątrzkomórkowe. Technologia animacji w zawieszeniu klatratowym byłaby prosta: przy użyciu gazu obojętnego, takiego jak ksenon lub argon, temperatura jest tuż poniżej zera, a metabolizm komórkowy zaczyna stopniowo zwalniać, aż do momentu, w którym człowiek popada w kriostazę. Niestety powstawanie hydratów klatratów wymaga wysokiego ciśnienia (około 8 atmosfer) i bardzo dużego stężenia gazu rozpuszczonego w wodzie. Wciąż nie wiadomo, jak stworzyć takie warunki w żywym organizmie, chociaż odnotowano w tej dziedzinie pewne sukcesy. Tym samym klatraty są w stanie chronić tkankę mięśnia sercowego przed zniszczeniem mitochondriów nawet w temperaturach kriogenicznych (poniżej 100 stopni Celsjusza), a także zapobiegać uszkodzeniom błon komórkowych. Nie ma jeszcze mowy o eksperymentach nad anabiozą klatratów u ludzi, gdyż komercyjne zapotrzebowanie na technologie kriostazy jest niewielkie i prowadzone są głównie badania na ten temat małe firmy, oferującą usługi zamrażania zwłok zmarłych.

Lot na wodorze

W 1960 roku fizyk Robert Bussard zaproponował oryginalną koncepcję termojądrowego silnika strumieniowego, który rozwiązuje wiele problemów związanych z podróżami międzygwiezdnymi. Pomysł polega na wykorzystaniu wodoru i pyłu międzygwiazdowego obecnego w przestrzeni kosmicznej. Statek kosmiczny z takim silnikiem najpierw przyspiesza na własnym paliwie, a następnie rozwija ogromny lej pola magnetycznego o średnicy tysięcy kilometrów, który wychwytuje wodór z kosmosu. Wodór ten służy jako niewyczerpane źródło paliwa do silnika rakiety termojądrowej.

Zastosowanie silnika Bussarda obiecuje ogromne korzyści. Przede wszystkim dzięki „darmowemu” paliwu można poruszać się ze stałym przyspieszeniem rzędu 1 g, co sprawia, że ​​znikają wszelkie problemy związane z nieważkością. Ponadto silnik pozwala rozpędzić się do ogromnych prędkości - 50% prędkości światła, a nawet więcej. Teoretycznie, poruszając się z przyspieszeniem 1 g, statek z silnikiem Bussarda może pokonać odległość 10 lat świetlnych w ciągu około 12 lat ziemskich, a dla załogi, ze względu na efekty relatywistyczne, minęłoby zaledwie 5 lat czasu statku.

Niestety droga do stworzenia statku z silnikiem Bussarda napotyka szereg poważnych problemów, których nie da się rozwiązać przy obecnym poziomie technologii. Przede wszystkim konieczne jest stworzenie gigantycznej i niezawodnej pułapki wodorowej, która generuje pola magnetyczne gigantyczna siła. Jednocześnie musi zapewniać minimalne straty i sprawny transport wodoru do reaktora termojądrowego. Sam proces reakcji termojądrowej przemiany czterech atomów wodoru w atom helu, zaproponowany przez Bussarda, rodzi wiele pytań. Faktem jest, że ta najprostsza reakcja jest trudna do przeprowadzenia w reaktorze jednoprzejściowym, ponieważ przebiega zbyt wolno i w zasadzie jest możliwa tylko wewnątrz gwiazd.

Postęp w badaniach nad syntezą termojądrową daje jednak nadzieję, że problem uda się rozwiązać np. wykorzystując „egzotyczne” izotopy i antymaterię jako katalizator reakcji.

Dotychczasowe badania na temat silnika Bussarda toczą się wyłącznie w płaszczyźnie teoretycznej. Obliczenia na podstawie prawdziwe technologie. Przede wszystkim konieczne jest opracowanie silnika zdolnego wytworzyć energię wystarczającą do zasilenia pułapki magnetycznej i utrzymania reakcji termojądrowej, wytworzenia antymaterii oraz pokonania oporu ośrodka międzygwiazdowego, co spowolni ogromny elektromagnetyczny „żagiel”.

Antymateria na ratunek

Może to zabrzmieć dziwnie, ale dziś ludzkości bliżej jest stworzenia silnika na antymaterię niż intuicyjnego i pozornie prostego silnika odrzutowego Bussarda.

Sonda opracowana przez Hbar Technologies będzie miała cienki żagiel wykonany z włókna węglowego pokrytego uranem 238. Kiedy przeciwwodór uderzy w żagiel, ulegnie anihilacji i wytworzy ciąg odrzutowy.

W wyniku anihilacji wodoru i antywodoru powstaje potężny strumień fotonów, którego prędkość wypływu osiąga maksimum dla silnika rakietowego, tj. prędkość światła. Jest to idealny wskaźnik pozwalający osiągnąć bardzo duże prędkości bliskie światła statku kosmicznego napędzanego fotonami. Niestety wykorzystanie antymaterii jako paliwa rakietowego jest bardzo trudne, ponieważ podczas anihilacji powstają wybuchy potężnego promieniowania gamma, które zabiją astronautów. Nie ma też jeszcze technologii magazynowania dużych ilości antymaterii, a sam fakt gromadzenia ton antymaterii, nawet w przestrzeni kosmicznej odległej od Ziemi, stanowi poważne zagrożenie, gdyż anihilacja choćby jednego kilograma antymaterii jest równoznaczna z wybuchem nuklearnym. eksplozja o mocy 43 megaton (eksplozja o takiej sile może zamienić jedną trzecią w pustynne terytorium USA). Koszt antymaterii to kolejny czynnik komplikujący loty międzygwiazdowe napędzane fotonami. Nowoczesne technologie produkcji antymaterii umożliwiają wyprodukowanie jednego grama antywodoru kosztem kilkudziesięciu bilionów dolarów.

Jednakże duże projekty badawcze dotyczące antymaterii przynoszą owoce. Obecnie powstają specjalne magazyny pozytonów, „butelki magnetyczne”, czyli pojemniki chłodzone ciekłym helem, których ścianki wykonane są z pól magnetycznych. W czerwcu tego roku naukowcom z CERN udało się zachować atomy antywodoru przez 2000 sekund. Na Uniwersytecie Kalifornijskim (USA) powstaje największy na świecie magazyn antymaterii, który będzie w stanie zgromadzić ponad bilion pozytonów. Jednym z celów naukowców z UC jest stworzenie przenośnych zbiorników na antymaterię, które można wykorzystać do celów naukowych z dala od dużych akceleratorów. Projekt ma wsparcie Pentagonu, który jest zainteresowany wojskowymi zastosowaniami antymaterii, dlatego jest mało prawdopodobne, aby fundusze na największą na świecie gamę butelek magnetycznych zabrakło.

Nowoczesne akceleratory będą w stanie wyprodukować jeden gram antywodoru w ciągu kilkuset lat. To bardzo długi czas, dlatego jedynym wyjściem jest opracowanie nowej technologii produkcji antymaterii lub zjednoczenie wysiłków wszystkich krajów naszej planety. Ale nawet w tym przypadku, przy nowoczesnych technologiach, nie można nawet marzyć o wyprodukowaniu dziesiątek ton antymaterii na potrzeby międzygwiezdnego załogowego lotu.

Jednak nie wszystko jest takie smutne. Specjaliści z NASA opracowali kilka projektów statków kosmicznych, które mogłyby wyruszyć w przestrzeń kosmiczną za pomocą zaledwie jednego mikrograma antymaterii. NASA wierzy, że udoskonalony sprzęt umożliwi produkcję antyprotonów kosztem około 5 miliardów dolarów za gram.

Amerykańska firma Hbar Technologies przy wsparciu NASA opracowuje koncepcję bezzałogowych sond napędzanych silnikiem zasilanym antywodorem. Pierwszym celem tego projektu jest stworzenie bezzałogowego statku kosmicznego, który w niecałe 10 lat mógłby polecieć do Pasa Kuipera na obrzeżach Układu Słonecznego. Dziś nie da się dolecieć do tak odległych punktów w ciągu 5-7 lat, w szczególności sonda NASA New Horizons przeleci przez Pas Kuipera 15 lat po wystrzeleniu.

Sonda podróżująca na odległość 250 jednostek astronomicznych. za 10 lat będzie bardzo mały, o ładowności zaledwie 10 mg, ale będzie też potrzebował trochę antywodoru - 30 mg. Tevatron wyprodukuje taką ilość w ciągu kilku dziesięcioleci, a naukowcy będą mogli przetestować nową koncepcję silnika podczas prawdziwej misji kosmicznej.

Wstępne obliczenia pokazują również, że w podobny sposób można wysłać małą sondę do Alpha Centauri. Na jednym gramie antywodoru dotrze do odległej gwiazdy za 40 lat.

Może się wydawać, że wszystko to jest fantazją i nie ma nic wspólnego z najbliższą przyszłością. Na szczęście tak nie jest. Podczas gdy uwaga społeczna skupia się na globalnych kryzysach, niepowodzeniach gwiazd popu i innych bieżących wydarzeniach, epokowe inicjatywy pozostają w cieniu. Agencja kosmiczna NASA uruchomiła ambitny projekt 100 Year Starship, który zakłada stopniowe i wieloletnie tworzenie podstaw naukowo-technologicznych dla lotów międzyplanetarnych i międzygwiezdnych. Program ten nie ma sobie równych w historii ludzkości i powinien przyciągać naukowców, inżynierów i pasjonatów innych zawodów z całego świata. W dniach 30 września–2 października 2011 r. w Orlando na Florydzie odbędzie się sympozjum, którego celem będzie omówienie różnych technologii lotów kosmicznych. Na podstawie wyników takich wydarzeń specjaliści NASA opracują biznesplan, który ma pomóc określonym branżom i firmom opracowującym technologie, których obecnie brakuje, ale są niezbędne do przyszłych podróży międzygwiezdnych. Jeśli ambitny program NASA zakończy się sukcesem, w ciągu 100 lat ludzkość będzie w stanie zbudować międzygwiezdny statek kosmiczny i będziemy poruszać się po Układzie Słonecznym z taką samą łatwością, jak dzisiaj latamy z kontynentu na kontynent.

Pokolenia ludzi patrzących na odległe gwiazdy mogły jedynie zastanawiać się nad istnieniem tam planet i warunkami życia, jakie znali. W ciągu ostatnich 25 lat nastąpiła rewolucja w poszukiwaniu planet; znanych jest już tysiące z nich, potwierdzono ich obecność, a wśród nich są nawet potencjalnie nadające się do zamieszkania światy podobne do Ziemi. Ale czy możemy się tam dostać? Czytelnik pyta:

Czy uważasz, że loty międzygwiezdne są możliwe (dla dowolnej cywilizacji). Dla mnie wszystkie możliwe rozwiązania to bilety w jedną stronę.

Zdecydowanie uważam, że podróże międzygwiezdne są możliwe. Ale są też ograniczenia, w zależności od wybranej przez nas metody.



Główny silnik wahadłowca podczas startu próbnego, 1981

1) Technologie konwencjonalne.

Korzystając z dzisiejszych osiągnięć, teoretycznie moglibyśmy dotrzeć do innej gwiazdy. Zbuduj statek wystarczająco duży, aby utrzymać życie mini-cywilizacji - statek pokoleń - osiągaj prędkość dziesiątek lub setek km/s, uprawiaj własną żywność i poddawaj recyklingowi wodę. Alternatywą jest opracowanie technologii kriogenicznego zamrażania i rozmrażania, dzięki której ludzie, rośliny i inne żywe istoty będą mogły być transportowane w stanie zawieszenia i ożywiane po przybyciu.

Serial telewizyjny „Zagubieni w kosmosie”, 1965-1968

Zwykłe problemy, takie jak zderzenia z obiektami międzyplanetarnymi i międzygwiazdowymi, asteroidami czy planetami, są w rzeczywistości praktycznie nieistotne. Chociaż takich obiektów jest wiele, ich gęstość jest tak mała, że ​​nawet zderzenia gwiazd są niezwykle rzadkie, nawet w skali milionów lat. Taka podróż, zanim dotrze do najbliższego układu gwiezdnego, zajęłaby setki tysięcy lat i wydaje się wykonalna.

Ale to naprawdę jest bilet w jedną stronę i rozwiązanie jest niezadowalające.

Domowy reaktor termojądrowy, www.tidbit77.blogspot.com

2) Przyszłe technologie oparte na znanej fizyce.

Jeśli będziemy chcieli rozważyć inne możliwości techniczne, znajdziemy lepsze sposoby. Na przykład:

Poprawa paliwa. Zamiast rakiet chemicznych, które zamieniają 0,001% masy w energię potrzebną do przyspieszenia, można zastosować paliwo nuklearne (o wydajności 1%), a nawet paliwo na antymaterię o wydajności 100%.

Poprawiona przyczepność. Gdyby na pokładzie można było przewozić duże ilości materii i antymaterii jako paliwa, możliwe byłoby dalsze przyspieszanie podróży. Ponieważ ludzie mogą wytrzymać, a nawet wolą, ciąg podobny do grawitacji na Ziemi, możemy skierować statek w stronę celu, uruchomić silniki z prędkością 9,8 m/s 2 , obrócić silniki do połowy i uruchomić je ponownie, zmniejszając prędkość do przyjazd.

Tymczasowe ulepszenia. Taki ruch zbliży nas do prędkości światła w ciągu zaledwie kilku lat przyspieszenia; będziemy mogli polecieć do niemal każdej gwiazdy w ciągu zaledwie 20-40 lat podróży.

Byłoby fajnie i nie wymagałoby budowy statku generacji. Statek musi oczywiście przetrwać podróżowanie z bardzo dużymi prędkościami przez ośrodek międzygwiazdowy, ale pomoże nam w tym odpowiednio silne pole magnetyczne i mapa obłoków gazu, których należy unikać. A jeśli opanujemy także technologię krio-mrożenia, nie będziemy musieli zabierać ze sobą żadnych surowców poza nasionami do sadzenia i jajami do uprawy.

Międzygwiezdny silnik strumieniowy Bussarda

A gdybyśmy chcieli poszerzyć możliwości ludzkości: coś na wzór tego, co pokazują w Star Trek?

Trajektorie Bohma dla elektronu przechodzącego przez dwie szczeliny

3) Technologie spekulacyjne.

Czy możemy zbudować transporter? Czy możliwy jest silnik deformacji przestrzeni? A co z komunikacją podprzestrzenną? Na razie są to wszystko wymarzone technologie oparte na współczesnej fizyce teoretycznej, jednak możliwość ich istnienia w naszym Wszechświecie nie została jeszcze ustalona.

Teoretycznie transporter może wykorzystać splątanie kwantowe do transportu dowolnego układu kwantowego z jednego punktu do drugiego, o ile funkcja falowa układu ma niezerowe prawdopodobieństwo, że znajdzie się gdzie indziej. Nie wiadomo jednak jeszcze, czy układ makroskopowy może mieć taką właściwość.

Silnik zakrzywienia przestrzeni i natychmiastowa komunikacja opierają się na krzywiźnie czasoprzestrzeni i możliwości wysyłania sygnału lub materii przez tę przestrzeń bez zniekształceń i zniszczeń. W zasadzie dla ogólnej teorii względności można znaleźć rozwiązanie, w którym tak się dzieje. Nie jest jednak jasne, czy można to osiągnąć w naszym Wszechświecie, aby:

Nie potrzebowaliście energii porównywalnej z tą zgromadzoną w całym Słońcu;
Siły pływowe nie zniszczyłyby materii, którą próbujesz przesłać przez zakrzywioną przestrzeń;
Nie niszczcie materii tworząc zakrzywioną przestrzeń i prostując ją;
Ogólnie rzecz biorąc, możliwe było połączenie dwóch bardzo odległych punktów w przestrzeni.

Wykres matematyczny czarnej dziury Schwarzschilda

Na razie, choć może to zabrzmieć nieprzyjemnie, najlepiej będzie, jeśli skupimy się na umożliwieniu podróży w jedną stronę. Lepiej gdzieś polecieć, niż siedzieć i czekać, aż pojawi się nowa technologia, jeśli w ogóle jest to możliwe w naszym Wszechświecie. Ale nie zamykaj się na nowe pomysły - bo to, co dziś wydaje się nieprawdopodobne, może doprowadzić do spełnienia naszego międzygwiezdnego marzenia. Wymagaj fizycznej precyzji i bądź sceptyczny wobec nadzwyczajnych roszczeń, ale nie zamykaj się na możliwości. Nasza największa podróż do Wszechświata z pewnością się odbędzie.

Tysiące powieści science fiction opisuje gigantyczne statki fotonowe wielkości małego (lub dużego) miasta, wyruszające w lot międzygwiezdny z orbity naszej planety (rzadziej z powierzchni Ziemi). Ale według autorów projektu Breakthrough Starshot wszystko wydarzy się zupełnie inaczej: pewnego znaczącego dnia dwa tysiące pewnego roku, nie jeden czy dwa, ale setki i tysiące małych statków kosmicznych wielkości paznokcia wystrzelą na jeden z najbliższych gwiazd, Alpha Centauri i waży 1 g. A każdy z nich będzie miał najcieńszy żagiel słoneczny o powierzchni 16 m 2, który będzie niósł statek kosmiczny z coraz większą prędkością do przodu – do gwiazd.

Olinowanie. Aby zachować kształt żagla, planuje się wzmocnienie go grafenem. Niektóre materiały kompozytowe na bazie grafenu może kurczyć się pod przyłożonym napięciem elektrycznym w celu aktywnej kontroli. Aby ustabilizować żagiel można rozwinąć lub uformować w odwrócony stożek, co zapewnia pasywną samostabilizację w terenie promieniowanie laserowe. Żagiel słoneczny. Jednym z głównych elementów projektu jest żagiel solarny o powierzchni 16 m² i masie zaledwie 1 g. Materiał żagla to wielowarstwowe lustra dielektryczne, które odbijają 99,999% padającego światła (wg wstępnych obliczeń to właśnie tyle). powinno wystarczyć, aby zapobiec stopieniu żagla w laserze polowym o mocy 100 GW). Bardziej obiecującym podejściem, pozwalającym na zmniejszenie grubości żagla w stosunku do długości fali światła odbitego, jest zastosowanie jako podstawy żagla monowarstwy metamateriału o ujemnym współczynniku załamania światła (taki materiał również posiada nanoperforację, co dodatkowo zmniejsza jego masę). Drugą możliwością jest zastosowanie materiału nie o wysokim współczynniku odbicia, ale o niskim współczynniku absorpcji (10-9), np. materiałów optycznych na światłowody.

„Strzał w gwiazdy”

Projekt Breakthrough Starshot powstał na podstawie artykułu profesora fizyki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Philipa Lubina, „A Roadmap to Interstellar Flight”. Głównym deklarowanym celem projektu jest umożliwienie lotów międzygwiezdnych w ciągu życia następnego pokolenia ludzi, czyli nie za stulecia, ale za dziesięciolecia.

Plan lotu

1. Rakieta wystrzeliwuje statek-matkę zawierającą dziesiątki, setki, tysiące lub dziesiątki tysięcy sond na niską orbitę okołoziemską. 2. Sondy opuszczają statek-matkę, rozwijają żagle, orientują się i zajmują pozycję wyjściową. 3. Na Ziemi zaczyna działać układ fazowy o wymiarach 1 x 1 km, składający się z 20 milionów małych (o średnicy 20−25 cm) emiterów laserowych, skupiających wiązkę lasera na powierzchni żagla. 4. Aby skompensować zniekształcenia atmosferyczne, stosuje się boje pomocnicze - „sztuczne gwiazdy” w górnych warstwach atmosfery, na statku-matce, a także odbity sygnał z żagla. 5. Sonda jest przyspieszana wiązką lasera w ciągu kilku minut do 20% prędkości światła, osiągając przyspieszenie dochodzące do 30 000 g. Przez cały lot, który potrwa około 20 lat, laser okresowo śledzi położenie sondy. 6. Po dotarciu do celu, w układzie Alfa Centauri, sondy próbują wykryć planety i wykonać ich zdjęcia podczas przelotu. 7. Wykorzystując żagiel jako soczewkę Fresnela i diodę laserową jako nadajnik, sonda orientuje się i przesyła odebrane dane w kierunku Ziemi. 8. Po pięciu latach dane te są odbierane na Ziemi.

Zaraz po oficjalnym ogłoszeniu programu Starshot na autorów projektu spadła fala krytyki ze strony naukowców i naukowców specjaliści techniczni w różnych obszarach. Krytyczni eksperci zwrócili uwagę na liczne błędne oceny i po prostu „białe plamy” w planie programu. Niektóre uwagi zostały wzięte pod uwagę i plan lotu został nieznacznie skorygowany w pierwszej iteracji.

Tak więc sondą międzygwiazdową będzie żaglówka kosmiczna z modułem elektronicznym StarChip o wadze 1 g, połączona wytrzymałymi paskami z żaglem słonecznym o powierzchni 16 m 2, grubości 100 nm i masie 1 g Oczywiście światło naszego Słońca nie wystarczy, aby przyspieszyć nawet takie lekka konstrukcja do prędkości, przy których podróże międzygwiezdne nie będą trwać przez tysiąclecia. Dlatego główną atrakcją projektu StarShot jest przyspieszenie za pomocą silnego promieniowania laserowego, które jest skupione na żaglu. Według szacunków Lubina, z mocą promień lasera Przyspieszenie 50−100 GW wyniesie około 30 000 g, a za kilka minut sonda osiągnie prędkość 20% światła. Lot do Alpha Centauri potrwa około 20 lat.

Pod rozgwieżdżonymi żaglami

Jednym z kluczowych szczegółów projektu jest żagiel słoneczny. W oryginalnej wersji powierzchnia żagla wynosiła początkowo zaledwie 1 m 2 i z tego powodu nie wytrzymywała nagrzewania się podczas przyspieszania w polu promieniowania laserowego. W nowej wersji zastosowano żagiel o powierzchni 16 m2, więc reżim termiczny, choć dość surowy, nie sprawi, że według wstępnych szacunków żagiel się stopi i zniszczy. Jak pisze sam Philip Lubin, jako podstawę żagla planuje się zastosować nie powłoki metalizowane, ale całkowicie dielektryczne wielowarstwowe lustra: „Takie materiały charakteryzują się umiarkowanym współczynnikiem odbicia i wyjątkowo niską absorpcją. Załóżmy, że okulary optyczne do światłowodów są przeznaczone do dużych strumieni świetlnych i mają absorpcję około dwudziestu bilionowych części na 1 mikron grubości. Nie jest łatwo uzyskać dobry współczynnik odbicia od dielektryka o grubości żagla 100 nm, czyli znacznie mniejszej niż długość fali. Autorzy projektu pokładają jednak nadzieję w zastosowaniu nowych podejść, takich jak monowarstwy metamateriału o ujemnym współczynniku załamania światła. „Należy wziąć pod uwagę, że odbicie od zwierciadeł dielektrycznych jest dostrojone do wąskiego zakresu długości fal, a w miarę przyspieszania sondy efekt Dopplera przesuwa długość fali o ponad 20%” – mówi Lubin. „Wzięliśmy to pod uwagę, dlatego reflektor zostanie dostosowany do około dwudziestu procent szerokości pasma promieniowania”. Zaprojektowaliśmy takie odbłyśniki. W razie potrzeby dostępne są również reflektory o większej szerokości pasma.

Yuri Milner, rosyjski biznesmen i filantrop, założyciel fundacji Breakthrough Initiatives: W ciągu ostatnich 15 lat nastąpił znaczący, można powiedzieć, rewolucyjny postęp w trzech obszarach technologicznych: miniaturyzacja komponentów elektronicznych, stworzenie nowej generacji materiałów, oraz zmniejszenie kosztów i zwiększenie mocy lasera. Połączenie tych trzech trendów prowadzi do teoretycznej możliwości przyspieszenia nanosatelity do prędkości niemal relatywistycznych. W pierwszym etapie (5-10 lat) planujemy przeprowadzić bardziej pogłębione badania naukowo-techniczne, aby zrozumieć, na ile ten projekt jest wykonalny. Na stronie projektu znajduje się lista około 20 poważnych problemów technicznych, bez rozwiązania których nie będziemy mogli ruszyć dalej. Nie jest to ostateczna lista, ale na podstawie opinii rady naukowej uważamy, że pierwszy etap projektu ma wystarczającą motywację. Wiem, że projekt żagla gwiaździstego spotyka się z poważną krytyką ze strony ekspertów, jednak uważam, że stanowisko części krytycznych ekspertów wiąże się z nie do końca trafnym zrozumieniem tego, co tak naprawdę proponujemy. Nie finansujemy lotu do innej gwiazdy, ale raczej realistyczne, wielozadaniowe opracowania związane z ideą sondy międzygwiazdowej tylko w ogólnym kierunku. Technologie te będą wykorzystywane zarówno do lotów w Układzie Słonecznym, jak i do ochrony przed niebezpiecznymi asteroidami. Jednak postawienie tak ambitnego celu strategicznego, jakim jest lot międzygwiezdny, wydaje się uzasadnione w tym sensie, że rozwój technologiczny, jaki nastąpił w ciągu ostatnich 10–20 lat, prawdopodobnie umożliwi osiągnięcie podobny projekt nie jest to kwestia stuleci, jak wielu przypuszczało, ale raczej dziesięcioleci.

Instalacja laserowa

Główny punkt mocy Statek kosmiczny nie poleci do gwiazd - będzie zlokalizowany na Ziemi. Jest to naziemny fazowany układ emiterów laserowych o wymiarach 1x1 km. Całkowita moc lasera powinna wynosić od 50 do 100 GW (co odpowiada mocy 10–20 elektrowni wodnych w Krasnojarsku). Ma on wykorzystywać fazowanie (czyli zmianę faz na każdym pojedynczym emiterze) w celu skupienia promieniowania o długości fali 1,06 mikrona z całej siatki w plamkę o średnicy kilku metrów w odległościach sięgających wielu milionów kilometrów (tzw. maksymalna dokładność ogniskowania wynosi 10-9 radianów). Jednak takie ogniskowanie jest znacznie utrudniane przez burzliwą atmosferę, która rozmywa wiązkę w plamkę wielkości mniej więcej sekundy łukowej (10-5 radianów). Oczekuje się, że ulepszenia o cztery rzędy wielkości zostaną osiągnięte dzięki zastosowaniu optyki adaptacyjnej (AO), która kompensuje zniekształcenia atmosferyczne. Najlepsze systemy optyka adaptacyjna we współczesnych teleskopach zmniejsza rozmycie do 30 milisekund łuku, co oznacza, że ​​do zamierzonego celu pozostało jeszcze około dwóch i pół rzędów wielkości.

Filip Lubin w swoim artykule podaje szacunki liczbowe punktów planu, jednak wielu naukowców i specjalistów odnosi się do tych danych bardzo krytycznie. Oczywiście opracowanie tak ambitnego projektu jak Breakthrough Starshot wymaga lat pracy, a 100 milionów dolarów to nie jest aż tak duża suma jak na prace na taką skalę. Dotyczy to zwłaszcza infrastruktury naziemnej – fazowanego układu emiterów laserowych. Zainstalowanie takiej mocy (50-100 GW) będzie wymagało gigantycznej ilości energii, czyli w pobliżu trzeba będzie zbudować co najmniej kilkanaście dużych elektrowni. Ponadto konieczne będzie usunięcie ogromnej ilości ciepła z emiterów w ciągu kilku minut, a sposób w jaki to zrobić jest nadal całkowicie niejasny. Takich pytań bez odpowiedzi w projekcie Breakthrough Starshot jest mnóstwo, ale na razie prace dopiero się rozpoczęły. „Rada naukowa naszego projektu składa się z czołowych ekspertów, naukowców i inżynierów z różnych istotnych dziedzin, w tym dwóch laureatów Nagrody Nobla” – mówi Yuri Milner. „I słyszałem bardzo wyważone oceny wykonalności tego projektu. Czyniąc to, z pewnością opieramy się na połączonej wiedzy wszystkich członków naszej rady naukowej, ale jednocześnie jesteśmy otwarci na szerszą dyskusję naukową”.

„Aby przezwyciężyć turbulencje atmosferyczne na małą skalę, układ fazowy musi zostać rozbity na bardzo małe elementy, a wielkość elementu emitującego dla naszej długości fali nie powinna przekraczać 20–25 cm” – wyjaśnia Philip Lubin. — To co najmniej 20 milionów emiterów, ale taka liczba mnie nie przeraża. Dla informacja zwrotna w systemie AO planujemy wykorzystać wiele źródeł odniesienia – beaconów – zarówno na sondzie, na statku-matce, jak i w atmosferze. Ponadto będziemy śledzić sondę w drodze do celu. Chcemy także użyć gwiazd jako boi, aby dostosować fazowanie układu po otrzymaniu sygnału z sondy po przybyciu na miejsce, ale dla pewności będziemy śledzić sondę”.

Przyjazd

Ale wtedy sonda przybyła do układu Alfa Centauri, sfotografowała otoczenie układu i planetę (jeśli takie istnieją). Informacje te muszą zostać w jakiś sposób przesłane na Ziemię, a moc nadajnika laserowego sondy jest ograniczona do kilku watów. A pięć lat później to słaby sygnał muszą być akceptowane na Ziemi, izolując gwiazdy od promieniowania tła. Według autorów projektu sonda manewruje na celu w taki sposób, że żagiel zamienia się w soczewkę Fresnela, skupiając sygnał sondy w kierunku Ziemi. Szacuje się, że idealny obiektyw z idealną ostrością i idealną orientacją wzmacnia sygnał o mocy 1 W do 10 ekwiwalentu izotropowego 13 W. Jak jednak rozpatrywać ten sygnał na tle znacznie silniejszego (o 13−14 rzędów wielkości!) promieniowania gwiazdy? „Światło gwiazdy jest w rzeczywistości dość słabe, ponieważ szerokość linii naszego lasera jest bardzo mała. Wąska linia jest kluczem do zmniejszenia tła – mówi Lubin. „Pomysł wykonania soczewki Fresnela z żagla w oparciu o cienkowarstwowy element dyfrakcyjny jest dość złożony i wymaga wielu wstępnych prac, aby dokładnie zrozumieć, jak najlepiej to zrobić. Ten punkt jest właściwie jednym z głównych punktów naszego planu projektu.”

Z drugiej strony fazowany układ emiterów optycznych/odbiorników promieniowania o całkowitej aperturze kilometra to instrument umożliwiający obserwację egzoplanet z odległości kilkudziesięciu parseków. Za pomocą odbiorników o przestrajalnych długościach fal można określić skład atmosfery egzoplanet. Czy w tym przypadku sondy są w ogóle potrzebne? „Z pewnością użycie układu fazowanego jako bardzo dużego teleskopu otwiera nowe możliwości w astronomii. „Ale” – dodaje Lubin – „w ramach programu długoterminowego, oprócz kamery i innych czujników, planujemy dodanie do sondy spektrometru podczerwieni”. Mamy świetną grupę zajmującą się fotoniką na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, która jest częścią naszej współpracy”.

Ale w każdym razie zdaniem Lubina pierwsze loty odbędą się w obrębie Układu Słonecznego: „Ponieważ możemy wysłać ogromną liczbę sond, daje nam to wiele różnych możliwości. Możemy także wysyłać podobne małe sondy (w skali płytki, czyli na chipie) na konwencjonalne rakiety i wykorzystywać te same technologie do badania Ziemi lub planet i ich satelitów w Układzie Słonecznym”.

Redakcja dziękuje dziennikowi „Trinity Variant – Science” i jego redaktorowi naczelnemu Borisowi Sternowi za pomoc w przygotowaniu artykułu.

Naukowcy twierdzą, że ludzkość podejmuje małe kroki w stronę przyszłości, w której loty z jednego układu planetarnego do drugiego staną się wreszcie rzeczywistością. Według najnowszych szacunków ekspertów taka przyszłość może nadejść w ciągu jednego lub dwóch stuleci, jeśli postęp naukowy nie będzie wyznaczał czasu. Kiedyś, tylko za pomocą ultrapotężnego teleskopu Keplera, astronomom udało się odkryć 54 egzoplanety potencjalnie nadające się do zamieszkania. Wszystkie te odległe od nas światy znajdują się w tak zwanej strefie mieszkalnej, w pewnej odległości od gwiazdy centralnej, co pozwala na utrzymanie wody na planecie w stanie ciekłym.

Jednocześnie uzyskanie odpowiedzi na najważniejsze pytanie – czy jesteśmy sami we Wszechświecie – jest dość trudne. Ze względu na bardzo duże odległości dzielące Układ Słoneczny od naszych najbliższych sąsiadów. Na przykład jedna z „obiecujących” planet, Gliese 581g, znajduje się w odległości 20 lat świetlnych, czyli dość blisko jak na standardy kosmiczne, ale wciąż bardzo daleko w przypadku konwencjonalnych technologii ziemskich. Obfitość egzoplanet w promieniu 100 lat świetlnych lub mniej od naszej planeta domowa a bardzo duże zainteresowanie naukowe, a nawet cywilizacyjne, jakie stanowią dla całej ludzkości, sprawia, że ​​na fantastyczną dotychczas koncepcję lotów międzygwiezdnych patrzymy w zupełnie nowy sposób.

Głównym zadaniem stojącym dziś przed kosmologami i inżynierami jest stworzenie zasadniczo nowego silnika, który umożliwiłby Ziemianom pokonywanie ogromnych kosmicznych odległości w stosunkowo krótkim czasie. Jednocześnie z pewnością nie ma jeszcze mowy o lotach międzygalaktycznych. Na początek ludzkość mogłaby zbadać naszą macierzystą galaktykę – Drogę Mleczną.

Droga Mleczna składa się z dużej liczby gwiazd, wokół których krążą planety. Gwiazda najbliższa Słońcu nazywa się Alfa Centauri. Gwiazda ta znajduje się 4,3 lat świetlnych lub 40 bilionów kilometrów od Ziemi. Jeśli założymy, że rakieta z konwencjonalnym silnikiem wystartuje dzisiaj z naszej planety, to będzie w stanie pokonać tę odległość dopiero za 40 tysięcy lat! Oczywiście taka misja kosmiczna wygląda zupełnie absurdalnie. Mark Millis, były szef NASA najnowsze technologie w dziedzinie budowy silników i założyciel Fundacji Tau Zero uważa, że ​​ludzkość musi przyjąć długie i metodyczne podejście do stworzenia nowego typu silnika. W dzisiejszych czasach istnieje już ogromna liczba teorii na temat tego, jak będzie wyglądał ten silnik, ale nie wiemy, która teoria się sprawdzi. Dlatego Millis uważa, że ​​nie ma sensu skupiać się tylko na jednej technologii.

Dziś naukowcy doszli do wniosku, że przyszłe statki kosmiczne będą mogły latać za pomocą napędu termojądrowego, żagla słonecznego, napędu na antymaterię czy napędu czasoprzestrzennego (lub napędu warp, który jest dobrze znany fanom serialu Star Trek). Najnowszy silnik teoretycznie powinien umożliwić latanie z prędkością większą niż prędkość światła, a co za tym idzie podróżowanie w czasie na małą skalę.

Jednocześnie wszystkie wymienione technologie są jedynie opisane; nikt jeszcze nie wie, jak je wdrożyć w praktyce. Z tego samego powodu nie jest jasne, która technologia ma największe szanse na wdrożenie. To prawda, że ​​​​wiele żagli słonecznych udało się już polecieć w kosmos, ale do przeprowadzenia załogowej misji lotów międzygwiezdnych potrzebny będzie ogromny żagiel wielkości regionu Archangielska. Zasada działania żagla słonecznego praktycznie nie różni się od żagla wiatrowego, tyle że zamiast strumieni powietrza wychwytuje superskupione promienie światła emitowane przez potężny maszyna laserowa, krążący wokół Ziemi.

Mark Millis w notatce prasowej swojej fundacji Tau Zero twierdzi, że prawda leży gdzieś pośrodku między prawie nam znanymi żaglami słonecznymi a całkowicie fantastycznymi osiągnięciami, takimi jak silnik warp. „Trzeba dokonywać odkryć naukowych i powoli, ale pewnie zmierzać do zamierzonego celu. Im więcej osób zainteresujemy, tym większą kwotę przyciągniemy; to właśnie tych środków obecnie bardzo brakuje” – mówi Millis. Mark Millis uważa, że ​​finansowanie duże projekty trzeba zbierać po trochu, nie spodziewając się, że ktoś niespodziewanie zainwestuje fortunę w realizację ambitnych planów naukowców.

Dziś na całym świecie jest wielu entuzjastów, którzy wierzą i są przekonani, że przyszłość należy budować już teraz. Richard Obusie, prezes i współzałożyciel Icarus Interstellar, zauważa: „Podróże międzygwiezdne to międzynarodowe, wielopokoleniowe przedsięwzięcie, które wymaga ogromnych inwestycji intelektualnych i finansowych. Już dziś musimy zainicjować niezbędne programy, aby za sto lat ludzkość mogła uciec poza granice naszego Układu Słonecznego.

W sierpniu tego roku firma Icarus Interstellar zorganizuje konferencję naukową Starship Congress, podczas której czołowi światowi eksperci w tej dziedzinie będą dyskutować nie tylko o możliwościach, ale także konsekwencjach lotów międzygwiezdnych. Organizatorzy zaznaczają, że na konferencji nie zabraknie m.in część praktyczna, w ramach którego zbadane zostaną zarówno krótkoterminowe, jak i długoterminowe perspektywy eksploracji głębokiego kosmosu przez człowieka.

Warto zaznaczyć, że taka podróż kosmiczna wymaga wydatku kolosalnych ilości energii, o czym ludzkość w dzisiejszych czasach nawet nie myśli. Naraz nadużywanie energia może wyrządzić nieodwracalne szkody zarówno Ziemi, jak i planetom, na powierzchni których człowiek chce wylądować. Pomimo wszystkich nierozwiązanych problemów i przeszkód, zarówno Obuzi, jak i Millis w to wierzą cywilizacja ludzka jest szansa na opuszczenie granic swojej „kołyski”. Bezcenne dane na temat egzoplanet, układów gwiezdnych i obcych światów zebrane przez obserwatoria kosmiczne Herschela i Keplera pomogą naukowcom dokładnie zaplanować misje.

Do chwili obecnej odkryto i potwierdzono istnienie około 850 egzoplanet, z których wiele to super-Ziemie, czyli planety o masie porównywalnej z masą Ziemi. Eksperci uważają, że niedaleki jest dzień, w którym astronomowie będą mogli potwierdzić obecność egzoplanety podobnej do naszej, przypominającej dwa groszki w strąku. W tym przypadku znacząco wzrosłoby finansowanie projektów tworzenia nowych silników rakietowych. Wydobywanie z asteroid powinno również odgrywać rolę w eksploracji kosmosu, co obecnie nie wydaje się już tak niezwykłe jak loty międzygwiezdne. Eksperci uważają, że ludzkość musi nauczyć się korzystać z zasobów nie tylko Ziemi, ale całego Układu Słonecznego.

Do problemu lotów międzygwiezdnych włączyli się naukowcy i inżynierowie z amerykańskiej agencji kosmicznej NASA, a także amerykańskiej Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA). Są gotowi połączyć siły w ramach realizacji projektu „100-letniego statku kosmicznego”, a to nawet nie jest projekt, ale projekt projektu. „Statek kosmiczny 100-letni” jest statek kosmiczny, który mógłby wykonywać loty międzygwiezdne. Zadaniem obecnego etapu badań jest stworzenie „sumy technologii”, które są niezbędne, aby podróże międzygwiezdne stały się rzeczywistością. Ponadto tworzony jest model biznesowy, który przyciągnie inwestycje w projekt.

Według rzecznika DARPA Pawła Eremenko projekt ten będzie wymagał „stabilnych inwestycji w kapitał finansowy i intelektualny” z różnych źródeł. Eremenko podkreślił także, że celem projektu „100-letniego statku kosmicznego” jest nie tylko opracowanie i późniejsza budowa statku kosmicznego. „Ciężko pracujemy, aby wzbudzić zainteresowanie wielu pokoleń innowacjami i przełomowymi technologiami w wielu dyscyplinach”.

Eksperci DARPA mają nadzieję, że wyniki, które zostaną uzyskane w wyniku pracy nad tym projektem, będą mogły zostać wykorzystane przez Departament Obrony USA w różnych dziedzinach, takich jak systemy podtrzymywania życia, energetyka i technologia komputerowa.

Źródła informacji:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1100469
-http://rnd.cnews.ru/reviews/index_science.shtml?2011/10/11/459501
-http://www.nkj.ru/news/18905