Csillagközi űrutazás: definíció, technológiák és kihívások

A csillagközi utazás fő kihívása a hatalmas távolságok, amelyeket meg kell tenni. Ez azt jelenti, hogy nagyon nagy sebességre és/vagy nagyon hosszú utazási időre van szükség. A legreálisabb meghajtási módszerekkel az utazási idő évtizedektől évezredekig terjedhet.

Ezért egy csillagközi hajó sokkal inkább ki lenne téve a bolygóközi utazás során előforduló veszélyeknek, beleértve a vákuumot, a sugárzást, a súlytalanságot és a mikrometeoroidákat. Nagy sebességnél a járművet sok mikroszkopikus anyagrészecske érné, hacsak nem lenne erősen árnyékolva. A pajzs hordozása jelentősen megnövelné a meghajtási problémákat.

Kozmikus sugárzás

A kozmikus sugárzás azért érdekes, mert a légkörön és a mágneses mezőn kívül nincs védelem. A legintenzívebb ultra-nagyenergiájú kozmikus sugárzás (UHECR) energiája a megfigyelések szerint megközelíti a 3 × 10 ²⁰eV-ot, ami körülbelül 40 milliószorosa a Nagy Hadronütköztető által felgyorsított részecskék energiájának. A legnagyobb energiájú ultra-nagyenergiájú kozmikus sugárzás energiája 50 J-nál egy 90 km/órás sebességű baseball-labda mozgási energiájához hasonlítható. E felfedezések eredményeképpen érdeklődés mutatkozott a még nagyobb energiájú kozmikus sugárzások vizsgálata iránt. A legtöbb kozmikus sugárzás azonban nem rendelkezik ilyen extrém energiával. A kozmikus sugárzás energiaeloszlása 0,3 gigaelektronvoltnál (4,8×10⁻¹¹ J) tetőzik.

Szükséges energia

Jelentős tényező az ésszerű utazási időhöz szükséges energia. A szükséges energia alsó határa a kinetikus energia K = ½ mv², ahol m a végső tömeg. Ha az érkezéskor lassítást kívánunk elérni, és ezt a hajó motorjain kívül mással nem lehet elérni, akkor a szükséges energia legalább megduplázódik, mert a hajó megállításához szükséges energia megegyezik az utazási sebességre való felgyorsításához szükséges energiával.

Egy néhány évtizedes, ember által végrehajtott körutazás sebessége még a legközelebbi csillaghoz is több ezerrel nagyobb, mint a jelenlegi űrjárműveké. Ez azt jelenti, hogy a mozgási energia képletében szereplő v² kifejezés miatt több milliószor annyi energiára van szükség. Egy tonna felgyorsításához a fénysebesség tizedére legalább 450 PJ vagy 4,5 ×¹⁷ 10 J vagy 125 milliárd kWh szükséges, a veszteségeket nem számítva.

Az energiaforrást szállítani kell, mivel a napelemek nem működnek a Naptól és más csillagoktól távol. Az energia nagysága lehetetlenné teheti a csillagközi utazást. Egy mérnök szerint "Az utazáshoz (az Alfa Centaurihoz) az egész világ [egy adott évben] teljes energiatermelésének legalább százszorosára lenne szükség".

Csillagközi közeg

a csillagközi por és gáz jelentős károkat okozhat az űrhajóban a nagy relatív sebesség és a nagy kinetikus energiák miatt. Nagyobb objektumok (például nagyobb porszemek) sokkal ritkábban fordulnak elő, de sokkal nagyobb pusztítást végeznek. .

Utazási idő

A hosszú utazási idő megnehezíti az emberes küldetések tervezését. A téridő alapvető korlátai további kihívást jelentenek. A csillagközi utazásokat gazdasági okokból is nehéz lenne igazolni.

Azzal lehet érvelni, hogy egy olyan csillagközi missziót, amelyet nem lehet 50 éven belül befejezni, egyáltalán nem kellene elkezdeni. Ehelyett az erőforrásokat egy jobb meghajtórendszer megtervezésébe kellene fektetni. Egy lassú űrhajót ugyanis valószínűleg megelőzne egy később küldött, fejlettebb meghajtással rendelkező másik küldetés.

Másrészt, a küldetés késedelem nélküli megkezdése mellett szólhat, mivel a nem hajtóműves problémák nehezebbnek bizonyulhatnak, mint a hajtóműves mérnöki feladatok.

Az intergalaktikus utazás a csillagközi távolságoknál körülbelül egymilliószor nagyobb távolságokat jelent, ami még a csillagközi utazásnál is radikálisan nehezebbé teszi.

Kennedy számítása

Andrew Kennedy kimutatta, hogy a minimális várakozási idő előtt induló utakat megelőzik azok, akik a minimális várakozási időnél indulnak, míg azok, akik a minimális várakozási idő után indulnak, soha nem fogják megelőzni azokat, akik a minimális várakozási időnél indultak.

Kennedy számítása az r-től, a világ energiatermelésének átlagos éves növekedésétől függ. Bármely időponttól egy adott célállomásig a teljes célállomásig eltelt időnek van egy minimuma. Az utazók valószínűleg úgy érkeznének meg anélkül, hogy a későbbi utazók megelőznék őket, ha t időt várnának az indulással. A célállomás eléréséhez szükséges idő (most, T_now, vagy várakozás után, T_t) és az utazási sebesség növekedése közötti kapcsolat a következő

T n o w T t = ( +1 r ) t {\displaystyle2 {\frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}}}

A hat fényévre lévő Barnard-csillaghoz vezető utat véve példának, Kennedy kimutatja, hogy a világ átlagos éves gazdasági növekedési rátája 1,4% és az utazási sebesség megfelelő növekedése mellett az emberi civilizáció 2007-től számítva 1110 év alatt juthat el a csillaghoz a leggyorsabban.

Csillagközi távolságok

A csillagászati távolságokat gyakran abban az időben mérik, amely alatt egy fénysugár két pont között halad (lásd fényév). A fény vákuumban körülbelül 300 000 kilométert tesz meg másodpercenként, azaz 186 000 mérföldet másodpercenként.

A Föld és a Hold távolsága 1,3 fénymásodperc. A jelenlegi űrhajóhajtási technológiákkal egy űrhajó körülbelül nyolc óra alatt képes megtenni a Föld és a Hold közötti távolságot (New Horizons). Ez azt jelenti, hogy a fény körülbelül harmincezerrel gyorsabban terjed, mint a jelenlegi űrhajóhajtási technológiák. A Föld és a Naprendszer más bolygói közötti távolság három fényperctől körülbelül négy fényóráig terjed. A bolygótól és a Földhöz való igazodásától függően egy tipikus pilóta nélküli űrhajó számára ezek az utak néhány hónaptól valamivel több mint egy évtizedig tartanak. Más csillagok távolsága ennél jóval nagyobb. Ha a Föld és a Nap közötti távolságot egy méteresre méretezzük, akkor az Alpha Centauri A távolság 271 kilométer, azaz körülbelül 169 mérföld lenne.

A Naphoz legközelebbi ismert csillag a Proxima Centauri, amely 4,23 fényévre van tőlünk. A Voyager 1, az eddigi leggyorsabb küldetésű űrszonda 30 év alatt 1/600 fényévnyi távolságot tett meg, és jelenleg a fénysebesség 1/18 000-ed részével halad. Ezzel a sebességgel a Proxima Centauri felé 72 000 évig tartana az utazás. Persze ez a küldetés nem kifejezetten a gyors csillagutazásra irányult, és a jelenlegi technológia ennél sokkal jobbra is képes lenne. Az utazási időt napvitorlákkal néhány évezredre, nukleáris impulzusmeghajtással pedig egy évszázadra vagy még kevesebbre lehetne csökkenteni.

A speciális relativitáselmélet lehetőséget kínál az utazási idő lerövidítésére: ha egy kellően fejlett hajtóművekkel rendelkező csillaghajó a fénysebességhez közeli sebességet tudna elérni, a relativisztikus idődilatáció sokkal rövidebbé tenné az utazó számára az utazást. A Földön maradó emberek szemszögéből nézve azonban még mindig sok év telne el. A Földre visszatérve az utazók azt tapasztalnák, hogy a Földön sokkal több idő telt el, mint számukra (ikerparadoxon).

Sok probléma megoldódna, ha léteznének féreglyukak. Az általános relativitáselmélet nem zárja ki őket, de jelenlegi tudásunk szerint nem léteznek.

Kommunikáció

Az oda-vissza késleltetési idő az a minimális idő, amely a szonda jelének a Földre érkezése és a szonda által a Földről kapott utasítások között telik el. Mivel az információ nem haladhat gyorsabban a fénysebességnél, ez a Voyager 1 esetében körülbelül 32 óra, a Proxima Centauri közelében ez 8 év lenne. A gyorsabb reakciókat be kellene programozni, hogy automatikusan végrehajtsák. Persze egy emberes repülés esetén a legénység azonnal reagálhat a megfigyeléseire. Az oda-visszaút késleltetési ideje azonban nemcsak rendkívül messzire, hanem a kommunikáció szempontjából a Földtől is rendkívül elszigetelté teszi őket. Egy másik tényező a csillagközi kommunikációhoz szükséges energia, amely megbízhatóan érkezik. Nyilvánvaló, hogy a gázok és részecskék rontanák a jeleket (csillagközi kihalás), és a jelek küldéséhez rendelkezésre álló energia is korlátozott lenne.

Emberesített küldetések

Bármely ember szállítására alkalmas űrhajó tömege elkerülhetetlenül lényegesen nagyobb lenne, mint egy pilóta nélküli csillagközi szonda tömege. A jóval hosszabb utazási idő miatt szükség lenne egy létfenntartó rendszerre. Az első csillagközi küldetések valószínűleg nem fognak életformákat szállítani.

A Naptól 20 fényéven belül 59 ismert csillagrendszer van, amelyek 81 látható csillagot tartalmaznak. A csillagközi küldetések elsődleges célpontjainak a következők tekinthetők: A sugárzási veszélyek kizárnának minden szerves lényt a Szíriuszra irányuló expedícióból. Mindenesetre a valószínűsíthető utazási idők miatt nehéz elképzelni, hogy egyáltalán induljanak emberes expedíciók.

A csillagközi utazás talán akkor lenne a legvalószínűbb, amikor egy csillag áthalad az Oort-felhőnkön. Erre jó 10.000 évnyi figyelmeztetést kellene kapnunk, így részletesen megtervezhetnénk az eseményt. Lásd Scholz csillagát, amikor utoljára jött át egy.

A meglévő és a közeljövőben elérhető csillagászati technológia képes arra, hogy bolygórendszereket találjon ezen objektumok körül, ami növeli a felfedezésük lehetőségét.