Le moderne tecnologie e scoperte stanno portando l'esplorazione dello spazio a un livello completamente diverso, ma il viaggio interstellare è ancora un sogno. Ma è così irrealistico e irraggiungibile? Cosa possiamo fare ora e cosa possiamo aspettarci nel prossimo futuro?
Studiando i dati del telescopio Kepler, gli astronomi hanno scoperto 54 esopianeti potenzialmente abitabili. Questi mondi lontani sono nella zona abitabile, cioè. ad una certa distanza dalla stella centrale, che permette di mantenere l'acqua liquida sulla superficie del pianeta.
Tuttavia, la risposta a domanda principale, è difficile capire se siamo soli nell'universo, a causa dell'enorme distanza che separa il sistema solare dai nostri vicini più prossimi. Ad esempio, il pianeta "promettente" Gliese 581g si trova a 20 anni luce di distanza, abbastanza vicino per gli standard cosmici, ma ancora troppo lontano per gli strumenti terrestri.
L'abbondanza di esopianeti entro un raggio di 100 o meno anni luce dalla Terra e l'enorme interesse scientifico e persino di civiltà che rappresentano per l'umanità ci fanno dare uno sguardo nuovo all'idea finora fantastica dei voli interstellari.
Volare verso altre stelle è, ovviamente, una questione di tecnologia. Inoltre, ci sono diverse possibilità per raggiungere un obiettivo così lontano e la scelta a favore dell'uno o dell'altro metodo non è stata ancora fatta.
L'umanità ha già inviato nello spazio veicoli interstellari: le sonde Pioneer e Voyager. Allo stato attuale hanno lasciato il sistema solare, ma la loro velocità non ci permette di parlare di un rapido raggiungimento dell'obiettivo. Quindi, Voyager 1, muovendosi a una velocità di circa 17 km / s, anche verso la stella più vicina a noi, Proxima Centauri (4,2 anni luce), volerà per un tempo incredibilmente lungo - 17 mila anni.
Ovviamente, con i moderni motori a razzo, non andremo da nessuna parte oltre il sistema solare: per trasportare 1 kg di carico, anche nella vicina Proxima Centauri, servono decine di migliaia di tonnellate di carburante. Allo stesso tempo, con l'aumento della massa della nave, la quantità di carburante richiesta aumenta ed è necessario carburante aggiuntivo per il suo trasporto. Circolo vizioso che mette fine ai serbatoi di carburante chimico - la costruzione di un veicolo spaziale del peso di miliardi di tonnellate sembra essere un'impresa assolutamente incredibile. Semplici calcoli che utilizzano la formula di Tsiolkovsky lo dimostrano per accelerare la navicella spaziale a razzo combustibile chimico fino a circa il 10% della velocità della luce richiederebbe più carburante di quello disponibile nell'universo conosciuto.
Una reazione di fusione produce energia per unità di massa, in media, un milione di volte in più rispetto ai processi di combustione chimica. Ecco perché, negli anni '70, la NASA ha attirato l'attenzione sulla possibilità di utilizzare motori a razzo termonucleare. Il progetto del veicolo spaziale senza equipaggio Daedalus prevedeva la creazione di un motore in cui piccole palline di combustibile termonucleare sarebbero state alimentate nella camera di combustione e accese da fasci di elettroni. I prodotti di una reazione termonucleare volano fuori dall'ugello del motore e danno accelerazione alla nave.
L'astronave Daedalus a confronto con l'Empire State Building
Daedalus avrebbe dovuto imbarcare 50mila tonnellate di pellet di carburante con un diametro di 4 e 2 mm. I granuli sono costituiti da un nucleo con deuterio e trizio e un guscio di elio-3. Quest'ultimo costituisce solo il 10-15% della massa del pellet di combustibile, ma, di fatto, è il combustibile. L'elio-3 è abbondante sulla Luna e il deuterio è ampiamente utilizzato nell'industria nucleare. Il nucleo di deuterio funge da detonatore per innescare la reazione di fusione e provoca una potente reazione con il rilascio di un getto di plasma reattivo, che è controllato da un potente campo magnetico. La principale camera di combustione al molibdeno del motore Daedalus doveva avere un peso di oltre 218 tonnellate, la camera del secondo stadio - 25 tonnellate. Le bobine magnetiche superconduttive sono anche all'altezza di un enorme reattore: il primo pesa 124,7 tonnellate e il secondo - 43,6 tonnellate Per fare un confronto: il peso a secco della navetta è inferiore a 100 tonnellate.
Il volo di Daedalus doveva essere in due fasi: il motore del primo stadio avrebbe dovuto funzionare per più di 2 anni e bruciare 16 milioni di pellet di carburante. Dopo la separazione del primo stadio, il motore del secondo stadio ha funzionato per quasi due anni. Così, in 3,81 anni di accelerazione continua, Daedalus avrebbe raggiunto una velocità massima del 12,2% della velocità della luce. La distanza dalla stella di Barnard (5,96 anni luce) sarà superata da una nave del genere in 50 anni e sarà in grado, volando attraverso un sistema stellare lontano, di trasmettere via radio alla Terra i risultati delle sue osservazioni. Pertanto, l'intera missione richiederà circa 56 anni.
Nonostante le grandi difficoltà nel garantire l'affidabilità di numerosi sistemi di Daedalus e il suo enorme costo, questo progetto viene implementato al livello moderno della tecnologia. Inoltre, nel 2009 un team di appassionati ha ripreso il lavoro sul progetto di una nave termonucleare. Attualmente, il progetto Icarus comprende 20 argomenti scientifici sullo sviluppo teorico di sistemi e materiali per un veicolo spaziale interstellare.
Pertanto, voli interstellari senza equipaggio fino a 10 anni luce di distanza sono già possibili oggi, che impiegheranno circa 100 anni di volo più il tempo necessario affinché il segnale radio ritorni sulla Terra. All'interno di questo raggio sono sistemi stellari Alpha Centauri, Barnard's Star, Sirius, Epsilon Eridani, UV Ceti, Ross 154 e 248, CN Leo, WISE 1541-2250. Come puoi vedere, ci sono abbastanza oggetti vicino alla Terra da studiare con l'aiuto di missioni senza pilota. Ma cosa accadrebbe se i robot trovassero qualcosa di veramente insolito e unico, come una complessa biosfera? Una spedizione che coinvolge persone sarà in grado di andare su pianeti lontani?
Se possiamo iniziare a costruire una nave senza equipaggio oggi, con una con equipaggio, la situazione è più complicata. Innanzitutto, la questione del tempo di volo è acuta. Prendiamo la stessa stella di Barnard. I cosmonauti dovranno essere preparati per un volo con equipaggio da scuola, perché anche se il lancio dalla Terra avviene nel giorno del loro 20° compleanno, la nave raggiungerà l'obiettivo del volo entro il 70° o addirittura il 100° anniversario (data la necessità di frenare, che è non necessario in un volo senza pilota). La selezione di un equipaggio in giovane età è irta di incompatibilità psicologica e conflitti interpersonali, e l'età di 100 anni non dà speranza per un lavoro fruttuoso sulla superficie del pianeta e per il ritorno a casa.
Tuttavia, ha senso tornare? Numerosi studi della NASA portano a una conclusione deludente: una lunga permanenza a gravità zero distruggerà irreversibilmente la salute degli astronauti. Pertanto, il lavoro del professore di biologia Robert Fitts con gli astronauti della ISS mostra che, nonostante gli esercizi fisici attivi a bordo della navicella, dopo una missione di tre anni su Marte grandi muscoli, come i vitelli, diventeranno più deboli del 50%. Allo stesso modo, diminuisce anche la densità minerale ossea. Di conseguenza, la capacità di lavorare e sopravvivere situazioni estreme diminuisce molte volte e il periodo di adattamento alla gravità normale sarà di almeno un anno. Volare a gravità zero per decenni metterà in discussione la vita stessa degli astronauti. Forse il corpo umano sarà in grado di riprendersi, ad esempio, nel processo di frenata con gravità gradualmente crescente. Tuttavia, il rischio di morte è ancora troppo alto e richiede una soluzione radicale.
Stanford Tor è una struttura colossale con intere città all'interno di un cerchio rotante.
Sfortunatamente, non è così facile risolvere il problema dell'assenza di gravità su un veicolo spaziale interstellare. La possibilità a nostra disposizione di creare gravità artificiale ruotando il modulo abitabile presenta una serie di difficoltà. Per creare la gravità terrestre, anche una ruota con un diametro di 200 m dovrà essere ruotata ad una velocità di 3 giri al minuto. Con una rotazione così rapida, la forza di Cariolis creerà carichi del tutto insopportabili per l'apparato vestibolare umano, provocando nausea e attacchi acuti di mal di mare. Unica decisione di questo problema è lo Stanford Tor, sviluppato dagli scienziati della Stanford University nel 1975. Esso - enorme anello con un diametro di 1,8 km, in cui potrebbero vivere 10mila cosmonauti. A causa delle sue dimensioni, fornisce una gravità di 0,9-1,0 g ed è abbastanza alloggio confortevole delle persone. Tuttavia, anche a velocità di rotazione inferiori a un giro al minuto, le persone avvertiranno comunque un lieve ma evidente disagio. Inoltre, se viene costruito un vano abitativo così gigantesco, anche piccoli spostamenti nella distribuzione del peso del toro influenzeranno la velocità di rotazione e causeranno vibrazioni dell'intera struttura.
Il problema delle radiazioni rimane complesso. Anche vicino alla Terra (a bordo della ISS), gli astronauti trascorrono non più di sei mesi a causa del pericolo di esposizione alle radiazioni. La nave interplanetaria dovrà essere dotata di una protezione pesante, ma rimane la questione dell'effetto delle radiazioni sul corpo umano. In particolare, sul rischio di malattie oncologiche, il cui sviluppo in assenza di gravità non è praticamente studiato. All'inizio di quest'anno, lo scienziato Krasimir Ivanov del Centro aerospaziale tedesco di Colonia ha pubblicato i risultati ricerca interessante comportamento delle cellule di melanoma (la forma più pericolosa di cancro della pelle) in assenza di gravità. Rispetto alle cellule tumorali cresciute in condizioni di gravità normale, le cellule che hanno trascorso 6 e 24 ore in assenza di gravità hanno meno probabilità di metastatizzare. Sembra essere buone notizie, Ma solo a prima vista. Il fatto è che un tale cancro "spaziale" può rimanere dormiente per decenni e diffondersi inaspettatamente su larga scala se il sistema immunitario viene interrotto. Inoltre, lo studio chiarisce che sappiamo ancora poco sulla reazione del corpo umano a una lunga permanenza nello spazio. Astronauti oggi, in salute persone forti, trascorrono troppo poco tempo lì per trasferire la loro esperienza in un lungo volo interstellare.
In ogni caso, una nave per 10mila persone è un'impresa dubbia. Per creare un ecosistema affidabile per un numero così elevato di persone, è necessario un numero enorme di piante, 60 mila polli, 30 mila conigli e una mandria di bovini. Solo questo può fornire una dieta al livello di 2400 calorie al giorno. Tuttavia, tutti gli esperimenti per creare ecosistemi così chiusi finiscono invariabilmente con un fallimento. Così, durante il più grande esperimento "Biosphere-2" di Space Biosphere Ventures, è stata costruita una rete di edifici ermetici con una superficie totale di 1,5 ettari con 3mila specie di piante e animali. L'intero ecosistema doveva diventare un piccolo "pianeta" autosufficiente in cui vivevano 8 persone. L'esperimento è durato 2 anni, ma dopo poche settimane sono iniziati seri problemi: microrganismi e insetti hanno iniziato a moltiplicarsi in modo incontrollabile, consumando troppo ossigeno e piante grandi quantità, si è anche scoperto che senza vento le piante diventavano troppo fragili. A seguito di una catastrofe ambientale locale, le persone hanno iniziato a perdere peso, la quantità di ossigeno è diminuita dal 21% al 15% e gli scienziati hanno dovuto violare le condizioni dell'esperimento e fornire ossigeno e cibo a otto "cosmonauti".
Pertanto, la creazione di ecosistemi complessi sembra essere un modo errato e pericoloso per fornire ossigeno e nutrimento all'equipaggio di un'astronave interstellare. Risolvere questo problema richiederà organismi appositamente progettati con geni alterati in grado di nutrirsi di luce, rifiuti e sostanze semplici. Ad esempio, i grandi impianti moderni per la produzione di alghe alimentari clorella possono produrre fino a 40 tonnellate di sospensione al giorno. Un bioreattore completamente autonomo del peso di diverse tonnellate può produrre fino a 300 litri di sospensione di clorella al giorno, sufficienti per sfamare un equipaggio di diverse dozzine di persone. La clorella geneticamente modificata non poteva solo soddisfare le esigenze dell'equipaggio nutrienti ma anche riciclare i rifiuti, compresi diossido di carbonio. Oggi, il processo di ingegneria genetica delle microalghe è diventato un luogo comune e sono stati sviluppati numerosi progetti per il trattamento delle acque reflue, la generazione di biocarburanti e altro ancora.
Quasi tutti i suddetti problemi di volo interstellare con equipaggio potrebbero essere risolti da una tecnologia molto promettente: l'animazione sospesa, o come viene anche chiamata criostasi. L'anabiosi è un rallentamento dei processi della vita umana almeno diverse volte. Se è possibile immergere una persona in una tale letargia artificiale, che rallenta il metabolismo di 10 volte, in un volo di 100 anni invecchierà nel sonno di soli 10 anni. Questo facilita la soluzione di problemi di alimentazione, apporto di ossigeno, disordini mentali, la distruzione del corpo a causa dell'impatto dell'assenza di gravità. Inoltre, è più facile proteggere un compartimento con camere di animazione sospese da micrometeoriti e radiazioni rispetto a un'ampia zona abitabile.
Purtroppo, rallentare i processi della vita umana è un compito estremamente difficile. Ma in natura ci sono organismi che possono andare in letargo e aumentare la loro aspettativa di vita centinaia di volte. Ad esempio, una piccola lucertola chiamata salamandra siberiana è in grado di ibernarsi Tempi duri e rimanere in vita per decenni, anche congelando in un blocco di ghiaccio con una temperatura di meno 35-40 ° C. Ci sono casi in cui le salamandre sono andate in letargo per circa 100 anni e, come se nulla fosse, si sono scongelate e sono scappate da ricercatori sorpresi. Allo stesso tempo, la consueta aspettativa di vita "continua" di una lucertola non supera i 13 anni. Abilità incredibile la salamandra si spiega con il fatto che il suo fegato sintetizza una grande quantità di glicerolo, quasi il 40% del peso corporeo, che protegge le cellule dalle basse temperature.
L'ostacolo principale all'immersione di una persona nella criostasi è l'acqua, che costituisce il 70% del nostro corpo. Quando si congela, si trasforma in cristalli di ghiaccio, aumentando di volume del 10%, a causa dei quali la membrana cellulare si rompe. Inoltre, mentre si congela, le sostanze disciolte all'interno della cellula migrano nell'acqua rimanente, interrompendo i processi di scambio ionico intracellulare, nonché l'organizzazione delle proteine e di altre strutture intercellulari. In generale, la distruzione delle cellule durante il congelamento rende impossibile il ritorno in vita di una persona.
Tuttavia, esiste un modo promettente per risolvere questo problema: gli idrati di clatrato. Sono stati scoperti nel 1810, quando lo scienziato britannico Sir Humphry Davy ha iniettato cloro ad alta pressione nell'acqua e ha assistito alla formazione di strutture solide. Si trattava di idrati di clatrato, una delle forme di ghiaccio d'acqua, in cui è incluso il gas estraneo. A differenza dei cristalli di ghiaccio, i reticoli di clatrato sono meno duri, non hanno spigoli vivi, ma hanno cavità in cui le sostanze intracellulari possono "nascondersi". La tecnologia dell'animazione sospesa del clatrato sarebbe semplice: un gas inerte, come lo xeno o l'argon, ha una temperatura appena sotto lo zero e il metabolismo cellulare inizia a rallentare gradualmente fino a quando una persona cade in criostasi. Sfortunatamente, la formazione di idrati di clatrato richiede alta pressione(circa 8 atmosfere) e un'altissima concentrazione di gas disciolto in acqua. Come creare tali condizioni in un organismo vivente è ancora sconosciuto, sebbene ci siano alcuni successi in quest'area. Pertanto, i clatrati sono in grado di proteggere il tessuto muscolare cardiaco dalla distruzione dei mitocondri anche a temperature criogeniche (inferiori a 100 gradi Celsius), oltre a prevenire danni alle membrane cellulari. Gli esperimenti sull'anabiosi del clatrato nell'uomo non sono ancora discussi, poiché la domanda commerciale di tecnologie di criostasi è piccola e la ricerca su questo argomento è svolta principalmente da piccole aziende che offrono servizi per il congelamento dei corpi dei morti.
Nel 1960, il fisico Robert Bassard propose il concetto originale di un motore a fusione ramjet che risolve molti dei problemi dei viaggi interstellari. La linea di fondo è usare l'idrogeno e la polvere interstellare presenti nello spazio. Un veicolo spaziale con un tale motore accelera prima con il proprio carburante, quindi dispiega un enorme imbuto di un campo magnetico, di migliaia di chilometri di diametro, che cattura l'idrogeno da spazio. Questo idrogeno viene utilizzato come fonte inesauribile di carburante per un motore a razzo a fusione.
L'uso del motore Bussard promette enormi vantaggi. Innanzitutto, grazie al carburante "gratuito", è possibile muoversi con un'accelerazione costante di 1 g, il che significa che tutti i problemi legati all'assenza di gravità scompaiono. Inoltre, il motore ti consente di accelerare a un'incredibile velocità: il 50% della velocità della luce e anche di più. Teoricamente, muovendosi con un'accelerazione di 1 g, una nave con motore Bussard può coprire una distanza di 10 anni luce in circa 12 anni terrestri, e per l'equipaggio a causa di effetti relativistici sarebbero passati solo 5 anni di tempo dalla nave.
Sfortunatamente, ci sono un certo numero di problemi seri che non può essere risolto al livello attuale della tecnologia. Innanzitutto è necessario creare una gigantesca e affidabile trappola per l'idrogeno che generi campi magnetici giganteschi. Allo stesso tempo, dovrebbe garantire perdite minime e un trasporto efficiente dell'idrogeno a un reattore termonucleare. Il processo stesso di una reazione termonucleare di trasformazione di quattro atomi di idrogeno in un atomo di elio, proposto da Bussard, solleva molte domande. Il fatto è che questa reazione più semplice è difficile da implementare in un reattore a passaggio singolo, poiché procede troppo lentamente e, in linea di principio, è possibile solo all'interno delle stelle.
Tuttavia, i progressi nello studio della fusione termonucleare lasciano sperare che il problema possa essere risolto, ad esempio, utilizzando isotopi "esotici" e antimateria come catalizzatore di reazione.
Finora, la ricerca sul motore Bussard si trova esclusivamente sul piano teorico. Servono calcoli basati su tecnologie reali. Innanzitutto è necessario sviluppare un motore in grado di generare energia sufficiente per alimentare una trappola magnetica e mantenere una reazione termonucleare, produrre antimateria e vincere la resistenza del mezzo interstellare, che rallenterà l'enorme "vela" elettromagnetica.
Può sembrare strano, ma oggi l'umanità è più vicina alla creazione di un motore di antimateria che all'intuitivo e semplice motore a reazione di Bussard a prima vista.
La sonda, sviluppata da Hbar Technologies, avrà una vela sottile in fibra di carbonio rivestita con uranio 238. Schiantandosi contro la vela, l'antiidrogeno si annienterà e creerà la spinta del getto.
Come risultato dell'annichilazione dell'idrogeno e dell'antiidrogeno, si forma un potente flusso di fotoni, la cui velocità di scarico raggiunge un massimo per un motore a razzo, ad es. la velocità della luce. Questo è un indicatore ideale che ti consente di raggiungere velocità vicino alla luce molto elevate di un veicolo spaziale con un motore fotonico. Sfortunatamente, è molto difficile usare l'antimateria come carburante per razzi, poiché durante l'annientamento si verificano lampi delle radiazioni gamma più potenti, che uccideranno gli astronauti. Inoltre, non ci sono ancora tecnologie di archiviazione un largo numero antimateria, e il fatto stesso dell'accumulo di tonnellate di antimateria, anche in uno spazio lontano dalla Terra, è una seria minaccia, poiché l'annientamento anche di un chilogrammo di antimateria equivale a esplosione nucleare con una capacità di 43 megatoni (un'esplosione di tale forza è in grado di trasformare un terzo del territorio degli Stati Uniti in un deserto). Il costo dell'antimateria è un altro fattore che complica il volo interstellare alimentato da fotoni. Le moderne tecnologie per la produzione di antimateria consentono di produrre un grammo di antiidrogeno al costo di decine di trilioni di dollari.
Tuttavia grandi progetti la ricerca sull'antimateria sta dando i suoi frutti. Attualmente sono state realizzate speciali strutture di stoccaggio per i positroni, le “bottiglie magnetiche”, che sono contenitori raffreddati da elio liquido con pareti costituite da campi magnetici. Nel giugno di quest'anno, gli scienziati del CERN sono riusciti a preservare gli atomi di antiidrogeno per 2.000 secondi. Il più grande deposito di antimateria del mondo è in costruzione presso l'Università della California (USA), che sarà in grado di accumulare più di un trilione di positroni. Uno degli obiettivi degli scienziati dell'Università della California è creare contenitori portatili per l'antimateria che possano essere utilizzati per scopi scientifici lontano dai grandi acceleratori. Questo progetto è supportato dal Pentagono, che è interessato alle applicazioni militari dell'antimateria, quindi è improbabile che la più grande gamma al mondo di bombole magnetiche sia sottofinanziata.
I moderni acceleratori saranno in grado di produrre un grammo di antiidrogeno in poche centinaia di anni. Questo è molto lungo, quindi l'unica via d'uscita è lo sviluppo nuova tecnologia produzione di antimateria o unire gli sforzi di tutti i paesi del nostro pianeta. Ma anche in questo caso, con la tecnologia moderna, non ci si può nemmeno sognare di produrre decine di tonnellate di antimateria per il volo interstellare con equipaggio.
Tuttavia, non tutto è così triste. Gli specialisti della NASA hanno sviluppato diversi progetti per veicoli spaziali che potrebbero andare nello spazio profondo con un solo microgrammo di antimateria. La NASA ritiene che un equipaggiamento migliorato consentirà di produrre antiprotoni a un costo di circa 5 miliardi di dollari al grammo.
L'azienda americana Hbar Technologies, con il supporto della NASA, sta sviluppando il concetto di sonde senza pilota azionate da un motore antiidrogeno. Il primo obiettivo di questo progetto è creare un veicolo spaziale senza equipaggio che possa volare nella cintura di Kuiper ai margini del sistema solare in meno di 10 anni. Oggi è impossibile volare in punti così remoti in 5-7 anni, in particolare, la sonda New Horizons della NASA volerà attraverso la cintura di Kuiper 15 anni dopo il lancio.
Una sonda che percorre una distanza di 250 UA tra 10 anni sarà molto piccolo, con un carico utile di soli 10 mg, ma avrà anche bisogno di un po' di antiidrogeno - 30 mg. Il Tevatron produrrà questa quantità in pochi decenni e gli scienziati potrebbero testare il concetto di un nuovo motore durante una vera missione spaziale.
Calcoli preliminari mostrano anche che una piccola sonda può essere inviata ad Alpha Centauri in modo simile. Con un grammo di antiidrogeno, tra 40 anni volerà verso una stella lontana.
Può sembrare che tutto quanto sopra sia finzione e non abbia nulla a che fare con il prossimo futuro. Fortunatamente, non è questo il caso. Mentre l'attenzione del pubblico è inchiodata alle crisi globali, ai fallimenti delle pop star e altro eventi attuali, restano all'ombra di iniziative epocali. Lanciata l'agenzia spaziale della NASA progetto grandioso 100 Year Starship, che prevede la creazione graduale ea lungo termine di una base scientifica e tecnologica per i voli interplanetari e interstellari. Questo programma è unico nella storia dell'umanità e dovrebbe attrarre scienziati, ingegneri e appassionati di altre professioni da tutto il mondo. Dal 30 settembre al 2 ottobre 2011 si terrà un simposio a Orlando, in Florida, dove verranno discusse varie tecnologie di volo spaziale. Sulla base dei risultati di tali eventi, gli specialisti della NASA svilupperanno un piano aziendale per assistere alcuni settori e aziende che stanno sviluppando tecnologie non ancora disponibili, ma necessarie per il futuro volo interstellare. Se l'ambizioso programma della NASA avrà successo, entro 100 anni l'umanità sarà in grado di costruire un veicolo spaziale interstellare e ci sposteremo nel sistema solare con la stessa facilità con cui voliamo oggi dalla terraferma alla terraferma.
Il sistema solare non è stato di particolare interesse per gli scrittori di fantascienza per molto tempo. Ma, sorprendentemente, i nostri pianeti "nativi" non sono fonte di grande ispirazione per alcuni scienziati, sebbene non siano stati ancora esplorati praticamente.
Avendo appena tagliato una finestra nello spazio, l'umanità è lacerata in distanze sconosciute, e non solo nei sogni, come prima.
Sergei Korolev ha anche promesso di volare presto nello spazio "con un biglietto sindacale", ma questa frase ha già mezzo secolo e un'odissea nello spazio è ancora il destino dell'élite - troppo costosa. Tuttavia, due anni fa, HACA ha lanciato un progetto grandioso 100 anni di astronave, che comporta la creazione graduale ea lungo termine di una base scientifica e tecnica per i voli spaziali.
Quindi quali sono i problemi che devono essere risolti per rendere il volo stellare una realtà?
TEMPO E VELOCITÀ SONO RELATIVI
Per quanto strano possa sembrare, l'astronomia dei veicoli automatici sembra ad alcuni scienziati un problema quasi risolto. E questo nonostante il fatto che non abbia assolutamente senso lanciare automi verso le stelle con le attuali velocità delle lumache (circa 17 km / s) e altre apparecchiature primitive (per strade così sconosciute).
Ora le navicelle americane Pioneer 10 e Voyager 1 hanno lasciato il sistema solare, non c'è più alcun collegamento con loro. Pioneer 10 si sta dirigendo verso la stella Aldebaran. Se non gli succede nulla, raggiungerà le vicinanze di questa stella... in 2 milioni di anni. Allo stesso modo, striscia attraverso le distese dell'Universo e altri dispositivi.
Quindi, indipendentemente dal fatto che una nave sia abitabile o meno, per volare verso le stelle ha bisogno di un'alta velocità vicina a quella della luce. Tuttavia, questo aiuterà a risolvere il problema del volo solo verso le stelle più vicine.
"Anche se fossimo riusciti a costruire una nave stellare in grado di volare a una velocità prossima a quella della luce", scrisse K. Feoktistov, "il tempo di viaggio solo nella nostra Galassia sarà calcolato in millenni e decine di millenni, dal momento che il suo diametro è di circa 100.000 anni luce. Ma sulla Terra, molto altro passerà durante questo periodo.
Secondo la teoria della relatività, il corso del tempo in due sistemi che si muovono l'uno rispetto all'altro è diverso. Poiché a grandi distanze la nave avrà il tempo di sviluppare una velocità molto vicina alla velocità della luce, la differenza di tempo sulla Terra e sulla nave sarà particolarmente grande.
Si presume che il primo obiettivo dei voli interstellari sarà l'alfa Centauri (un sistema di tre stelle), il più vicino a noi. Alla velocità della luce, puoi volare lì in 4,5 anni, sulla Terra passeranno dieci anni durante questo periodo. Ma maggiore è la distanza, maggiore è la differenza di tempo.
Ricordate la famosa Nebulosa Andromeda di Ivan Efremov? Là, il volo si misura in anni, e in quelli terreni. Una bella storia, per non dire altro. Tuttavia, questa ambita nebulosa (più precisamente, la galassia di Andromeda) si trova a una distanza di 2,5 milioni di anni luce da noi.
Ciò significa che anche i voli alla velocità della luce sono giustificati solo fino a stelle relativamente vicine. Tuttavia, i veicoli che volano alla velocità della luce, finora vivono solo in una teoria che ricorda la fantascienza, tuttavia scientifica.
UNA NAVE DELLE DIMENSIONI DI UN PIANETA
Naturalmente, prima di tutto, gli scienziati hanno avuto l'idea di utilizzare la reazione termonucleare più efficiente nel motore della nave, come già parzialmente padroneggiato (per scopi militari). Tuttavia, per viaggi di andata e ritorno a velocità prossime a quelle della luce, anche con un progetto di sistema ideale, è richiesto un rapporto tra massa iniziale e massa finale di almeno 10 alla trentesima potenza. Cioè, l'astronave sembrerà un enorme treno con carburante delle dimensioni di un piccolo pianeta. È impossibile lanciare un simile colosso nello spazio dalla Terra. Sì, e raccogli in orbita, inoltre, non per niente gli scienziati non discutono di questa opzione.
L'idea di un motore fotonico che utilizza il principio dell'annientamento della materia è molto popolare.
L'annientamento è la trasformazione di una particella e di un'antiparticella durante la loro collisione in qualsiasi altra particella diversa da quelle originali. La più studiata è l'annichilazione di un elettrone e di un positrone, che genera fotoni, la cui energia muoverà l'astronave. I calcoli dei fisici americani Ronan Keane e Wei-ming Zhang mostrano che, sulla base di moderne tecnologieè possibile creare un motore di annientamento in grado di accelerare un veicolo spaziale al 70% della velocità della luce.
Tuttavia, iniziano altri problemi. Sfortunatamente, usare l'antimateria come carburante per missili è molto difficile. Durante l'annientamento, si verificano lampi delle più potenti radiazioni gamma, che sono dannose per gli astronauti. Inoltre, il contatto del carburante di positroni con la nave è irto di un'esplosione fatale. Infine, non ci sono ancora tecnologie per ottenere una quantità sufficiente di antimateria e conservarla a lungo: ad esempio, un atomo di antiidrogeno "vive" ora per meno di 20 minuti e la produzione di un milligrammo di positroni costa 25 milioni di dollari.
Ma, supponiamo, nel tempo, questi problemi possono essere risolti. Tuttavia, sarà ancora necessario molto carburante e la massa iniziale di un'astronave fotonica sarà paragonabile alla massa della Luna (secondo Konstantin Feoktistov).
ROTTA LA VELE!
L'astronave più popolare e realistica oggi è considerata una barca a vela solare, la cui idea appartiene allo scienziato sovietico Friedrich Zander.
La vela solare (luce, fotonica) è un dispositivo che utilizza la pressione luce del sole o un laser su una superficie a specchio per azionare il veicolo spaziale.
Nel 1985, il fisico americano Robert Forward ha proposto il progetto di una sonda interstellare accelerata dall'energia delle microonde. Il progetto prevedeva che la sonda avrebbe raggiunto le stelle più vicine in 21 anni.
Al XXXVI Congresso Astronomico Internazionale è stato proposto un progetto per un'astronave laser, il cui movimento è fornito dall'energia di laser ottici situati in orbita attorno a Mercurio. Secondo i calcoli, il percorso di un'astronave di questo tipo verso la stella Epsilon Eridani (10,8 anni luce) e ritorno richiederebbe 51 anni.
“È improbabile che saremo in grado di compiere progressi significativi nella comprensione del mondo in cui viviamo, sulla base dei dati ottenuti dai viaggi nel nostro sistema solare. Naturalmente, il pensiero si rivolge alle stelle. Dopotutto, prima si era capito che i voli intorno alla Terra, i voli verso altri pianeti del nostro sistema solare non sono l'obiettivo finale. Aprire la strada alle stelle sembrava essere il compito principale.Queste parole non appartengono a uno scrittore di fantascienza, ma al designer di veicoli spaziali e cosmonauta Konstantin Feoktistov. Secondo lo scienziato, non si troverà nulla di particolarmente nuovo nel sistema solare. E questo nonostante il fatto che l'uomo finora sia volato solo sulla luna ...
Tutto questo è ancora teoria, ma i primi passi sono già in corso.
Nel 1993, una vela solare larga 20 metri è stata dispiegata per la prima volta sulla nave russa Progress M-15 nell'ambito del progetto Znamya-2. Durante l'attracco del Progress alla stazione Mir, il suo equipaggio ha installato un'unità di dispiegamento di riflettori a bordo del Progress. Di conseguenza, il riflettore ha creato un punto luminoso largo 5 km, che è passato attraverso l'Europa fino alla Russia a una velocità di 8 km/s. La macchia di luce aveva una luminosità più o meno equivalente a quella della luna piena.
La versione a vela può essere adatta per il lancio di sonde robotiche, stazioni e navi mercantili, ma non è adatta per voli di ritorno con equipaggio. Ci sono altri modelli di astronavi, ma in qualche modo assomigliano a quelli sopra (con gli stessi enormi problemi).
SORPRESE NELLO SPAZIO INTERSTELLARE
Sembra che molte sorprese attendono i viaggiatori nell'universo. Ad esempio, sporgendosi a malapena dal sistema solare, l'apparato americano "Pioneer-10" iniziò a sperimentare la forza origine sconosciuta provocando una frenata debole. Molti sono stati i suggerimenti, fino a effetti ancora sconosciuti dell'inerzia o addirittura del tempo. Non c'è ancora una spiegazione univoca per questo fenomeno, si prendono in considerazione diverse ipotesi: da semplici tecniche (ad esempio la forza reattiva di una fuga di gas in un apparato) all'introduzione di nuove leggi fisiche.
Un altro veicolo spaziale, Voyager 1, ha rilevato un'area con un forte campo magnetico ai margini del sistema solare. In esso, la pressione delle particelle cariche dallo spazio interstellare fa addensare il campo creato dal Sole. Il dispositivo ha inoltre registrato:
Lo spazio tra le stelle non è vuoto. Ovunque ci sono resti di gas, polvere, particelle. Quando si cerca di muoversi a una velocità vicina a quella della luce, ogni atomo che entra in collisione con la nave sarà come una particella di raggi cosmici ad alta energia. Il livello di radiazione dura durante un tale bombardamento aumenterà in modo inaccettabile anche durante i voli verso le stelle più vicine.
E l'impatto meccanico delle particelle a tali velocità sarà paragonato a proiettili esplosivi. Secondo alcuni calcoli, ogni centimetro dello schermo protettivo dell'astronave verrebbe sparato continuamente a una velocità di 12 colpi al minuto. È chiaro che nessuno schermo può resistere a tale esposizione per diversi anni di volo. Oppure dovrà avere uno spessore (decine e centinaia di metri) e una massa (centinaia di migliaia di tonnellate) inaccettabili.
Si scopre che è impossibile risolvere il problema del trasporto di corpi materiali su distanze galattiche a velocità vicine alla velocità della luce. Non ha senso sfondare lo spazio e il tempo con l'aiuto di una struttura meccanica.
TOLLO FORO
La fantascienza, cercando di superare l'inesorabile tempo, ha inventato come "rosicchiare buchi" nello spazio (e nel tempo) e "piegarlo". Hanno escogitato una varietà di salti nell'iperspazio da un punto all'altro dello spazio, aggirando le aree intermedie. Ora gli scienziati si sono uniti agli scrittori di fantascienza.
I fisici iniziarono a cercare stati estremi della materia e scappatoie esotiche nell'universo, dove puoi muoverti a una velocità superluminale contraria alla teoria della relatività di Einstein.
Tuttavia, per creare wormhole stabili, puoi utilizzare l'effetto scoperto dall'olandese Hendrik Casimir. Consiste nell'attrazione reciproca di condurre corpi non carichi sotto l'azione di oscillazioni quantistiche nel vuoto. Si scopre che il vuoto non è completamente vuoto, ci sono fluttuazioni nel campo gravitazionale in cui appaiono e scompaiono spontaneamente particelle e microscopici wormhole.
Resta solo da trovare uno dei fori e allungarlo, posizionandolo tra due sfere superconduttrici. Una bocca del wormhole rimarrà sulla Terra, l'altra sarà spostata dalla navicella spaziale a velocità quasi pari a quella della luce verso la stella, l'oggetto finale. Cioè, l'astronave, per così dire, sfonda un tunnel. Una volta che l'astronave raggiunge la sua destinazione, il wormhole si aprirà per veri e propri viaggi interstellari fulminei, la cui durata sarà calcolata in minuti.
BOLLA DI ORDITO
Simile alla teoria della curvatura delle bolle dei wormhole. Nel 1994, il fisico messicano Miguel Alcubierre ha eseguito calcoli secondo le equazioni di Einstein e ha scoperto la possibilità teorica della deformazione delle onde del continuum spaziale. In questo caso, lo spazio si restringe davanti al veicolo spaziale e contemporaneamente si espande dietro di esso. L'astronave, per così dire, è collocata in una bolla di curvatura, in grado di muoversi a velocità illimitata. Il genio dell'idea è che l'astronave riposa in una bolla di curvatura e le leggi della teoria della relatività non vengono violate. Allo stesso tempo, la bolla di curvatura stessa si muove, distorcendo localmente lo spazio-tempo.
Nonostante l'impossibilità di viaggiare più velocemente della luce, nulla impedisce allo spazio di muoversi o propagare la curvatura dello spazio-tempo più velocemente della luce, cosa che si crede sia avvenuta subito dopo il Big Bang alla formazione dell'Universo.
Tutte queste idee non rientrano ancora nel quadro scienza moderna Tuttavia, nel 2012, i rappresentanti della NASA hanno annunciato la preparazione di un test sperimentale della teoria del dottor Alcubierre. Chissà, forse la teoria della relatività di Einstein un giorno diventerà parte di un nuovo teoria globale. Dopotutto, il processo di apprendimento è infinito. Così, un giorno saremo in grado di sfondare le spine fino alle stelle.
Irina Gromova
Korznikov calcola che a una velocità superiore a 0,1 C, il veicolo spaziale non avrà il tempo di cambiare la sua traiettoria di volo ed evitare una collisione. Crede che a velocità subluce il veicolo spaziale collasserà prima di raggiungere l'obiettivo. A suo avviso, il viaggio interstellare è possibile solo a velocità significativamente inferiori (fino a 0,01 °C). Dagli anni '50-'60. negli Stati Uniti, è stata sviluppata una navicella spaziale con un motore a razzo a impulsi nucleari per esplorare lo spazio interplanetario "Orion".
Il volo interstellare è un viaggio tra le stelle di veicoli con equipaggio o stazioni automatiche. Secondo il direttore dell'Ames Research Center (NASA) Simon P. Warden, il progetto di un motore per voli nello spazio profondo può essere sviluppato entro 15-20 anni.
Lascia che il volo di andata e il volo di ritorno siano costituiti da tre fasi: accelerazione uniformemente accelerata, volo a velocità costante e decelerazione uniformemente accelerata. Lascia che l'astronave si muova per metà con accelerazione unitaria e rallenti l'altra metà con la stessa accelerazione (). Quindi la nave si gira e ripete le fasi di accelerazione e decelerazione.
Non tutti i tipi di motori sono adatti al volo interstellare. I calcoli mostrano che con l'aiuto del sistema spaziale considerato in questo articolo, è possibile raggiungere la stella Alpha Centauri... in circa 10 anni. Come una delle soluzioni al problema, si propone di utilizzare un razzo come sostanza di lavoro particelle elementari muovendosi alla velocità della luce o vicino a essa.
La velocità di scarico delle particelle è compresa tra 15 e 35 chilometri al secondo. Pertanto, sono emerse idee per fornire alle navi interstellari energia da una fonte esterna. Sul questo momento questo progetto non è fattibile: il motore deve avere una velocità di scarico di 0,073 s (impulso specifico 2 milioni di secondi), mentre la sua spinta deve raggiungere i 1570 N (cioè 350 libbre).
La collisione con la polvere interstellare avverrà a velocità prossime alla luce e assomiglierà a microesplosioni in termini di impatto fisico. Nelle opere di fantascienza vengono spesso citati metodi di viaggio interstellare basati sul movimento. velocità maggiore luce nel vuoto. L'equipaggio più numeroso era composto da 8 cosmonauti (inclusa 1 donna), che si lanciarono il 30 ottobre 1985 sulla navicella spaziale riutilizzabile Challenger.
La distanza dalla stella più vicina (Proxima Centauri) è di circa 4.243 anni luce, ovvero circa 268 mila volte la distanza dalla Terra al Sole. Il volo dell'astronave ha un posto significativo nella fantascienza.
In questa situazione, il tempo di volo nel sistema di riferimento terrestre sarà di circa 12 anni, mentre secondo l'orologio della nave passeranno 7,3 anni. Fitness vari tipi motori per voli interstellari in particolare è stato considerato in una riunione della British Interplanetary Society nel 1973 dal Dr. Tony Martin (Tony Martin).
Nel corso dei lavori sono stati proposti progetti per navi stellari grandi e piccole (“navi di generazioni”), in grado di raggiungere la stella Alpha Centauri rispettivamente in 1800 e 130 anni. Nel 1971, in un rapporto di G. Marx a un simposio a Byurakan, fu proposto di utilizzare i laser a raggi X per i voli interstellari. Nel 1985, R. Forward ha proposto il progetto di una sonda interstellare accelerata dall'energia delle microonde.
Il componente principale della massa missili moderniè la massa di carburante necessaria al razzo per accelerare. Se è possibile utilizzare in qualche modo l'ambiente che circonda il razzo come fluido di lavoro e carburante, è possibile ridurre significativamente la massa del razzo e ottenere grazie a ciò alte velocità movimento.
Negli anni '60, Bussard propose il progetto di un motore ramjet interstellare (MPRE). Il mezzo interstellare è costituito principalmente da idrogeno. Nel 1994, Jeffrey Landis ha proposto un progetto per una sonda ionica interstellare, che sarebbe stata alimentata da un raggio laser nella stazione.
La nave spaziale progettata dal progetto Daedalus si è rivelata così grande che avrebbe dovuto essere costruita nello spazio. Uno degli svantaggi dei veicoli spaziali interstellari è la necessità di portare con sé una rete elettrica, che aumenta la massa e riduce di conseguenza la velocità. Così elettrico motore a razzo ha una velocità caratteristica di 100 km/s, che è troppo lenta per viaggiare verso stelle lontane in un tempo ragionevole.
Tuttavia, nello spazio tutto è diverso, alcuni fenomeni sono semplicemente inspiegabili e in linea di principio sfidano qualsiasi legge. Ad esempio, un satellite lanciato qualche anno fa, o altri oggetti ruoteranno nella loro orbita e non cadranno mai. Perché sta succedendo, quanto velocemente vola un razzo nello spazio? I fisici suggeriscono che esiste una forza centrifuga che neutralizza l'effetto della gravità.
Dopo aver fatto un piccolo esperimento, noi stessi possiamo capirlo e sentirlo senza uscire di casa. Per fare ciò, devi prendere un filo e legare un piccolo carico a un'estremità, quindi svolgere il filo attorno alla circonferenza. Sentiremo che maggiore è la velocità, più chiara è la traiettoria del carico e maggiore è la tensione sul filo, se la forza si indebolisce, la velocità di rotazione dell'oggetto diminuirà e il rischio che il carico cada aumenta più volte . Con una così piccola esperienza, inizieremo a sviluppare il nostro argomento - velocità nello spazio.
Diventa chiaro che l'alta velocità consente a qualsiasi oggetto di superare la forza di gravità. Riguardo oggetti spaziali, ognuno di loro ha la propria velocità, è diverso. Vengono determinati quattro tipi principali di tale velocità e il più piccolo è il primo. È a questa velocità che la nave vola nell'orbita terrestre.
Per uscirne, hai bisogno di un secondo velocità nello spazio. Alla terza velocità, la gravità è completamente superata e puoi volare fuori dai limiti. sistema solare. Il quarto velocità del razzo nello spazio ti permetterà di lasciare la galassia stessa, si tratta di circa 550 km / s. Siamo sempre stati interessati velocità del razzo nello spazio km/h, quando entra in orbita, è di 8 km / s, oltre - 11 km / s, ovvero sviluppando le sue capacità fino a 33.000 km / h. Il razzo aumenta gradualmente la sua velocità, la piena accelerazione inizia da un'altezza di 35 km. Velocitàpasseggiata nello spazioè di 40.000 km/h.
Massima velocità nello spazio- il record, stabilito 46 anni fa, è ancora in vigore, è stato realizzato dagli astronauti che hanno preso parte alla missione Apollo 10. Dopo aver fatto il giro della luna, sono tornati indietro quando velocità dell'astronave nello spazio era 39.897 km/h. Nel prossimo futuro, si prevede di inviare la navicella spaziale Orion nello spazio dell'assenza di gravità, che porterà gli astronauti nell'orbita terrestre bassa. Forse allora sarà possibile battere il record di 46 anni. La velocità della luce nello spazio- 1 miliardo di km/h. Mi chiedo se riusciamo a superare una tale distanza con la nostra velocità massima disponibile di 40.000 km/h. Qui qual è la velocità nello spazio si sviluppa vicino alla luce, ma qui non la sentiamo.
Teoricamente, una persona può muoversi a una velocità leggermente inferiore a quella della luce. Tuttavia, ciò comporterà un danno enorme, soprattutto per un organismo impreparato. In effetti, per cominciare, una tale velocità deve essere sviluppata, deve essere compiuto uno sforzo per ridurla in sicurezza. Perché una rapida accelerazione e decelerazione può essere fatale per una persona.
Nei tempi antichi si credeva che la Terra fosse immobile, nessuno era interessato alla questione della velocità della sua rotazione in orbita, perché tali concetti non esistevano in linea di principio. Ma anche adesso è difficile dare una risposta univoca alla domanda, perché il valore non è lo stesso in diversi punti geografici. Più vicino all'equatore, la velocità sarà maggiore, nella regione dell'Europa meridionale è di 1200 km/h, questa è la media La velocità della Terra nello spazio.
Quanto velocemente vola un razzo nello spazio?
La velocità più alta alla quale una persona si sia mai mossa (39897 km/h) è stata sviluppata dal modulo principale dell'Apollo 10 a un'altitudine di 121,9 km dalla superficie terrestre durante il ritorno della spedizione il 26 maggio 1969. A bordo della veicoli spaziali erano il comandante dell'equipaggio, il colonnello della US Air Force (ora generale di brigata) Thomas Patten Stafford (nato a Weatherford, Oklahoma, USA, 17 settembre 1930), il capitano della Marina degli Stati Uniti 3° grado Eugene Andrew Cernan (nato a Chicago, Illinois, USA, 14 marzo 1934 d.) e il capitano del 3° grado della US Navy (ora capitano del 1° grado, in pensione) John Watt Young (nato a San Francisco, California, USA, 24 settembre 1930 ).
Delle donne, la velocità più alta (28115 km / h) è stata raggiunta dal giovane tenente dell'aeronautica militare dell'URSS (ora tenente colonnello ingegnere, pilota cosmonauta dell'URSS) Valentina Vladimirovna Tereshkova (nata il 6 marzo 1937) nel sovietico navicella spaziale Est 6 16 giugno 1963
Il razzo prende velocità gradualmente. Ad esempio, il veicolo di lancio Soyuz ha una velocità di 1,8 km/s in 117,6 s dopo il lancio a un'altitudine di 47,0 km e 3,9 km/s in 286,4 s di volo a un'altitudine di 171,4 km. Circa 8,8 min. dopo il lancio ad un'altitudine di 198,8 km, la velocità del veicolo spaziale è di 7,8 km/s.
E il lancio della nave orbitale nell'orbita vicino alla Terra dal punto superiore del volo del veicolo di lancio è già effettuato mediante la manovra attiva dell'OK stesso. E la sua velocità dipende dai parametri dell'orbita.
