As tecnologias e descobertas modernas estão levando a exploração espacial a um nível completamente diferente, mas as viagens interestelares ainda são um sonho. Mas é tão irrealista e inatingível? O que podemos fazer agora e o que podemos esperar no futuro próximo?
Ao estudar dados do telescópio Kepler, os astrônomos descobriram 54 exoplanetas potencialmente habitáveis. Esses mundos distantes estão na zona habitável, ou seja. a uma certa distância da estrela central, o que permite manter a água líquida na superfície do planeta.
No entanto, a resposta para pergunta principal, se estamos sozinhos no universo é difícil de obter - por causa da enorme distância que separa o sistema solar e nossos vizinhos mais próximos. Por exemplo, o planeta "promissor" Gliese 581g está a 20 anos-luz de distância - perto o suficiente para os padrões cósmicos, mas ainda muito longe para instrumentos terrestres.
A abundância de exoplanetas em um raio de 100 ou menos anos-luz da Terra e o enorme interesse científico e até civilizacional que eles representam para a humanidade nos fazem rever a ideia até então fantástica dos voos interestelares.
Voar para outras estrelas é, obviamente, uma questão de tecnologia. Além disso, existem várias possibilidades para atingir um objetivo tão distante, e a escolha por um ou outro método ainda não foi feita.
A humanidade já enviou veículos interestelares para o espaço: as sondas Pioneer e Voyager. Atualmente, eles deixaram o sistema solar, mas sua velocidade não nos permite falar sobre qualquer conquista rápida do objetivo. Assim, a Voyager 1, movendo-se a uma velocidade de cerca de 17 km / s, mesmo para a estrela mais próxima de nós, Proxima Centauri (4,2 anos-luz), voará por um tempo incrivelmente longo - 17 mil anos.
Obviamente, com motores de foguete modernos, não chegaremos a lugar algum além do sistema solar: para transportar 1 kg de carga, mesmo para a vizinha Proxima Centauri, são necessárias dezenas de milhares de toneladas de combustível. Ao mesmo tempo, com o aumento da massa do navio, a quantidade de combustível necessária aumenta e é necessário combustível adicional para seu transporte. Círculo vicioso que acaba com os tanques de combustível químico - a construção de uma espaçonave pesando bilhões de toneladas parece ser um empreendimento absolutamente incrível. Cálculos simples usando a fórmula de Tsiolkovsky demonstram que, para acelerar naves espaciais movidas a foguetes, combustível químico até cerca de 10% a velocidade da luz exigiria mais combustível do que o disponível no universo conhecido.
Uma reação de fusão produz energia por unidade de massa, em média, um milhão de vezes mais do que os processos de combustão química. Por isso, na década de 1970, a NASA chamou a atenção para a possibilidade de usar motores de foguetes termonucleares. O projeto da espaçonave não tripulada Daedalus envolveu a criação de um motor no qual pequenas pelotas de combustível termonuclear seriam alimentadas na câmara de combustão e inflamadas por feixes de elétrons. Os produtos de uma reação termonuclear saem do bico do motor e dão aceleração ao navio.
A nave espacial Daedalus em comparação com o Empire State Building
A Daedalus deveria levar a bordo 50 mil toneladas de pellets de combustível com diâmetro de 4 e 2 mm. Os grânulos consistem em um núcleo com deutério e trítio e uma casca de hélio-3. Este último representa apenas 10-15% da massa do pellet de combustível, mas, na verdade, é o combustível. O hélio-3 é abundante na Lua e o deutério é amplamente utilizado na indústria nuclear. O núcleo de deutério serve como detonador para acender a reação de fusão e provoca uma poderosa reação com a liberação de um jato de plasma reativo, que é controlado por um poderoso campo magnético. A principal câmara de combustão de molibdênio do motor Daedalus deveria ter um peso de mais de 218 toneladas, a câmara do segundo estágio - 25 toneladas. As bobinas supercondutoras magnéticas também combinam com um reator enorme: o primeiro pesa 124,7 toneladas e o segundo - 43,6 toneladas. Para comparação: o peso seco do ônibus espacial é inferior a 100 toneladas.
O voo do Daedalus foi planejado para ser em dois estágios: o motor do primeiro estágio deveria funcionar por mais de 2 anos e queimar 16 milhões de pellets de combustível. Após a separação do primeiro estágio, o motor do segundo estágio funcionou por quase dois anos. Assim, em 3,81 anos de aceleração contínua, Daedalus teria atingido uma velocidade máxima de 12,2% da velocidade da luz. A distância até a estrela de Barnard (5,96 anos-luz) será superada por tal nave em 50 anos e poderá, voando através de um sistema estelar distante, transmitir os resultados de suas observações por rádio para a Terra. Assim, toda a missão levará cerca de 56 anos.
Apesar das grandes dificuldades em garantir a confiabilidade de inúmeros sistemas da Daedalus e seu enorme custo, este projeto está sendo implementado ao nível da tecnologia moderna. Além disso, em 2009, uma equipe de entusiastas reviveu o trabalho no projeto de um navio termonuclear. Atualmente, o projeto Icarus inclui 20 tópicos científicos sobre o desenvolvimento teórico de sistemas e materiais para uma espaçonave interestelar.
Assim, voos interestelares não tripulados a até 10 anos-luz de distância já são possíveis hoje, o que levará cerca de 100 anos de voo mais o tempo para o sinal de rádio viajar de volta à Terra. Dentro deste raio estão sistemas estelares Alpha Centauri, Estrela de Barnard, Sirius, Epsilon Eridani, UV Ceti, Ross 154 e 248, CN Leo, WISE 1541-2250. Como você pode ver, existem objetos suficientes perto da Terra para estudar com a ajuda de missões não tripuladas. Mas e se os robôs encontrarem algo realmente incomum e único, como uma biosfera complexa? Uma expedição envolvendo pessoas poderá ir a planetas distantes?
Se podemos começar a construir um navio não tripulado hoje, então com um tripulado, a situação é mais complicada. Em primeiro lugar, a questão do tempo de voo é aguda. Vamos pegar a mesma estrela de Barnard. Os cosmonautas terão que estar preparados para um voo tripulado da escola, porque mesmo que o lançamento da Terra ocorra no seu 20º aniversário, a nave atingirá a meta de voo no 70º ou mesmo 100º aniversário (dada a necessidade de frenagem, que é não é necessário em um voo não tripulado). A seleção de uma tripulação em tenra idade é repleta de incompatibilidades psicológicas e conflitos interpessoais, e a idade de 100 anos não dá esperança de um trabalho frutífero na superfície do planeta e de voltar para casa.
No entanto, faz sentido voltar? Numerosos estudos da NASA levam a uma conclusão decepcionante: uma longa permanência em gravidade zero destruirá irreversivelmente a saúde dos astronautas. Assim, o trabalho do professor de biologia Robert Fitts com os astronautas da ISS mostra que mesmo apesar dos exercícios físicos ativos a bordo da espaçonave, após uma missão de três anos a Marte grandes músculos, como bezerros, ficarão 50% mais fracos. Da mesma forma, a densidade mineral óssea também diminui. Como resultado, a capacidade de trabalhar e sobreviver em situações extremas diminui muitas vezes, e o período de adaptação à gravidade normal será de pelo menos um ano. Voar em gravidade zero por décadas colocará em questão a própria vida dos astronautas. Talvez o corpo humano possa se recuperar, por exemplo, no processo de frenagem com o aumento gradual da gravidade. No entanto, o risco de morte ainda é muito alto e requer uma solução radical.
Stanford Tor é uma estrutura colossal com cidades inteiras dentro de uma borda giratória.
Infelizmente, não é tão fácil resolver o problema da ausência de peso em uma espaçonave interestelar. A possibilidade disponível para nós de criar gravidade artificial girando o módulo habitável tem várias dificuldades. Para criar a gravidade da Terra, mesmo uma roda com um diâmetro de 200 m terá que ser girada a uma velocidade de 3 rotações por minuto. Com uma rotação tão rápida, a força de Cariolis criará cargas completamente insuportáveis para o aparelho vestibular humano, causando náuseas e ataques agudos de enjoo. Apenas decisão deste problema é o Stanford Tor, desenvolvido por cientistas da Universidade de Stanford em 1975. Isto - anel enorme com um diâmetro de 1,8 km, no qual poderiam viver 10 mil cosmonautas. Devido ao seu tamanho, fornece uma gravidade de 0,9-1,0 g e é bastante acomodação confortável de pessoas. No entanto, mesmo em velocidades de rotação inferiores a uma revolução por minuto, as pessoas ainda sentirão um desconforto leve, mas perceptível. Além disso, se um compartimento de vida tão gigantesco for construído, mesmo pequenas mudanças na distribuição de peso do toro afetarão a velocidade de rotação e causarão vibrações em toda a estrutura.
O problema da radiação permanece complexo. Mesmo perto da Terra (a bordo da ISS), os astronautas não passam mais de seis meses por causa do perigo de exposição à radiação. A nave interplanetária terá que ser equipada com proteção pesada, mas a questão do efeito da radiação no corpo humano permanece. Em particular, sobre o risco de doenças oncológicas, cujo desenvolvimento na ausência de peso praticamente não é estudado. No início deste ano, o cientista Krasimir Ivanov, do Centro Aeroespacial Alemão em Colônia, publicou os resultados pesquisa interessante comportamento das células de melanoma (a forma mais perigosa de câncer de pele) na ausência de peso. Em comparação com as células cancerosas cultivadas sob gravidade normal, as células que passaram 6 e 24 horas na ausência de peso são menos propensas a metástase. Parece ser boas notícias, Mas apenas à primeira vista. O fato é que esse tipo de câncer “espacial” pode ficar adormecido por décadas e se espalhar inesperadamente em grande escala se o sistema imunológico for interrompido. Além disso, o estudo deixa claro que ainda sabemos pouco sobre a reação do corpo humano a uma longa permanência no espaço. Astronautas hoje, saudáveis pessoas fortes, passam muito pouco tempo lá para transferir sua experiência para um longo voo interestelar.
De qualquer forma, um navio para 10 mil pessoas é um empreendimento duvidoso. Para criar um ecossistema confiável para um número tão grande de pessoas, você precisa de um grande número de plantas, 60 mil galinhas, 30 mil coelhos e um rebanho de gado. Só isso pode fornecer uma dieta no nível de 2400 calorias por dia. No entanto, todos os experimentos para criar esses ecossistemas fechados invariavelmente terminam em fracasso. Assim, durante a maior experiência “Biosphere-2” da Space Biosphere Ventures, foi construída uma rede de edifícios herméticos com uma área total de 1,5 hectares com 3 mil espécies de plantas e animais. Todo o ecossistema deveria se tornar um pequeno "planeta" autossustentável no qual 8 pessoas viviam. O experimento durou 2 anos, mas depois de algumas semanas começaram a surgir sérios problemas: microorganismos e insetos começaram a se multiplicar descontroladamente, consumindo oxigênio e plantas em excesso grandes quantidades, descobriu-se também que, sem vento, as plantas ficavam muito frágeis. Como resultado de uma catástrofe ambiental local, as pessoas começaram a perder peso, a quantidade de oxigênio diminuiu de 21% para 15% e os cientistas tiveram que violar as condições do experimento e fornecer oxigênio e comida a oito “cosmonautas”.
Assim, a criação de ecossistemas complexos parece ser uma maneira errônea e perigosa de fornecer oxigênio e nutrição à tripulação de uma espaçonave interestelar. Resolver esse problema exigirá organismos especialmente projetados com genes alterados que possam se alimentar de luz, resíduos e substâncias simples. Por exemplo, grandes plantas modernas para a produção de algas alimentares chlorella podem produzir até 40 toneladas de suspensão por dia. Um biorreator completamente autônomo pesando várias toneladas pode produzir até 300 litros de suspensão de chlorella por dia, o que é suficiente para alimentar uma equipe de várias dezenas de pessoas. A chlorella geneticamente modificada não só poderia atender às necessidades da tripulação em nutrientes mas também reciclar resíduos, incluindo dióxido de carbono. Hoje, o processo de engenharia genética de microalgas tornou-se comum, e existem vários projetos desenvolvidos para tratamento de águas residuais, geração de biocombustíveis e muito mais.
Quase todos os problemas acima do voo interestelar tripulado poderiam ser resolvidos por uma tecnologia muito promissora - animação suspensa, ou como também é chamada de criostase. A anabiose é uma desaceleração dos processos da vida humana pelo menos várias vezes. Se for possível mergulhar uma pessoa em uma letargia tão artificial, que desacelera o metabolismo em 10 vezes, em um voo de 100 anos ele envelhecerá dormindo apenas 10 anos. Isso facilita a solução de problemas de nutrição, suprimento de oxigênio, Transtornos Mentais, Desordem Mental, a destruição do corpo como resultado do impacto da falta de peso. Além disso, é mais fácil proteger um compartimento com câmaras de animação suspensa de micrometeoritos e radiação do que uma grande zona habitável.
Infelizmente, desacelerar os processos da vida humana é uma tarefa extremamente difícil. Mas na natureza existem organismos que podem hibernar e aumentar sua expectativa de vida centenas de vezes. Por exemplo, um pequeno lagarto chamado salamandra siberiana é capaz de hibernar em Tempos difíceis e permanecer vivo por décadas, mesmo sendo congelado em um bloco de gelo com uma temperatura de 35-40 ° C negativos. Há casos em que as salamandras hibernaram por cerca de 100 anos e, como se nada tivesse acontecido, descongelaram e fugiram de pesquisadores surpresos. Ao mesmo tempo, a expectativa de vida "contínua" usual de um lagarto não excede 13 anos. Habilidade incrível salamandra se explica pelo fato de seu fígado sintetizar uma grande quantidade de glicerol, quase 40% do peso corporal, que protege as células das baixas temperaturas.
O principal obstáculo para a imersão de uma pessoa em criostase é a água, que compõe 70% do nosso corpo. Quando congela, transforma-se em cristais de gelo, aumentando em volume em 10%, devido ao qual a membrana celular se rompe. Além disso, à medida que congela, substâncias dissolvidas dentro da célula migram para a água restante, interrompendo os processos de troca iônica intracelular, bem como a organização de proteínas e outras estruturas intercelulares. Em geral, a destruição das células durante o congelamento torna impossível para uma pessoa retornar à vida.
No entanto, existe uma maneira promissora de resolver esse problema - hidratos de clatrato. Eles foram descobertos em 1810, quando o cientista britânico Sir Humphry Davy injetou cloro sob alta pressão na água e testemunhou a formação de estruturas sólidas. Estes eram hidratos de clatrato - uma das formas de gelo de água, na qual o gás estranho está incluído. Ao contrário dos cristais de gelo, as treliças de clatrato são menos duras, não possuem bordas afiadas, mas possuem cavidades nas quais as substâncias intracelulares podem “se esconder”. A tecnologia de animação suspensa de clatrato seria simples: um gás inerte, como xenônio ou argônio, uma temperatura um pouco abaixo de zero, e o metabolismo celular começa a desacelerar gradualmente até que uma pessoa caia em criostase. Infelizmente, a formação de hidratos de clatrato requer alta pressão(cerca de 8 atmosferas) e uma concentração muito elevada de gás dissolvido em água. Como criar tais condições em um organismo vivo ainda é desconhecido, embora existam alguns sucessos nesta área. Assim, os clatratos são capazes de proteger o tecido do músculo cardíaco da destruição das mitocôndrias mesmo em temperaturas criogênicas (abaixo de 100 graus Celsius), bem como evitar danos às membranas celulares. Experimentos sobre anabiose de clatratos em humanos ainda não são discutidos, pois a demanda comercial por tecnologias de criostase é pequena e as pesquisas sobre esse tema são realizadas principalmente por pequenas empresas que oferecem serviços de congelamento de cadáveres.
Em 1960, o físico Robert Bassard propôs o conceito original de um motor de fusão ramjet que resolve muitos dos problemas das viagens interestelares. A linha inferior é usar o hidrogênio e a poeira interestelar presentes no espaço sideral. Uma espaçonave com esse motor primeiro acelera com seu próprio combustível e, em seguida, implanta um enorme funil de campo magnético, com milhares de quilômetros de diâmetro, que captura hidrogênio de espaço sideral. Este hidrogênio é usado como uma fonte inesgotável de combustível para um motor de foguete de fusão.
A utilização do motor Bussard promete enormes vantagens. Em primeiro lugar, devido ao combustível "gratuito", é possível se mover com uma aceleração constante de 1 g, o que significa que todos os problemas associados à falta de peso desaparecem. Além disso, o motor permite acelerar a uma velocidade tremenda - 50% da velocidade da luz e ainda mais. Teoricamente, movendo-se com uma aceleração de 1 g, uma nave com motor Bussard pode percorrer uma distância de 10 anos-luz em cerca de 12 anos terrestres, e para a tripulação devido à efeitos relativísticos apenas 5 anos de tempo de navio teriam se passado.
Infelizmente, há uma série de problemas sérios que não podem ser resolvidos no nível atual de tecnologia. Em primeiro lugar, é necessário criar uma gigantesca e confiável armadilha de hidrogênio que gere campos magnéticos gigantescos. Ao mesmo tempo, deve garantir perdas mínimas e transporte eficiente de hidrogênio para um reator termonuclear. O próprio processo de uma reação termonuclear de transformação de quatro átomos de hidrogênio em um átomo de hélio, proposto por Bussard, levanta muitas questões. O fato é que essa reação mais simples é difícil de implementar em um reator de passagem única, pois ocorre muito lentamente e, em princípio, só é possível dentro das estrelas.
No entanto, o progresso no estudo da fusão termonuclear nos permite esperar que o problema possa ser resolvido, por exemplo, usando isótopos "exóticos" e antimatéria como catalisador de reação.
Até agora, a pesquisa sobre o motor de Bussard está exclusivamente no plano teórico. São necessários cálculos baseados em tecnologias reais. Em primeiro lugar, é necessário desenvolver um motor capaz de gerar energia suficiente para alimentar uma armadilha magnética e manter uma reação termonuclear, produzir antimatéria e vencer a resistência do meio interestelar, o que desacelerará a enorme "vela" eletromagnética.
Pode parecer estranho, mas hoje a humanidade está mais perto de criar um motor de antimatéria do que do intuitivo e simples motor ramjet de Bussard.
A sonda, desenvolvida pela Hbar Technologies, terá uma vela fina feita de fibra de carbono revestida com urânio 238. Ao colidir com a vela, o anti-hidrogênio aniquilará e criará empuxo a jato.
Como resultado da aniquilação de hidrogênio e anti-hidrogênio, um poderoso fluxo de fótons é formado, cuja velocidade de exaustão atinge um máximo para um motor de foguete, ou seja, A velocidade da luz. Este é um indicador ideal que permite atingir velocidades muito altas próximas à luz de uma espaçonave com um motor de fótons. Infelizmente, é muito difícil usar antimatéria como combustível de foguete, pois durante a aniquilação ocorrem flashes da mais poderosa radiação gama, que matará os astronautas. Além disso, ainda não existem tecnologias de armazenamento um grande número antimatéria, e o próprio fato do acúmulo de toneladas de antimatéria, mesmo no espaço distante da Terra, é uma séria ameaça, pois a aniquilação de um quilograma de antimatéria equivale a explosão nuclear com capacidade de 43 megatons (uma explosão dessa força é capaz de transformar um terço do território dos Estados Unidos em deserto). O custo da antimatéria é outro fator que complica o voo interestelar movido a fótons. Tecnologias modernas para a produção de antimatéria permitem produzir um grama de anti-hidrogênio a um custo de dezenas de trilhões de dólares.
No entanto grandes projetos a pesquisa de antimatéria está dando frutos. Atualmente, foram criadas instalações especiais de armazenamento de pósitrons, “garrafas magnéticas”, que são recipientes resfriados por hélio líquido com paredes feitas de campos magnéticos. Em junho deste ano, os cientistas do CERN conseguiram preservar os átomos de anti-hidrogênio por 2.000 segundos. O maior repositório de antimatéria do mundo está sendo construído na Universidade da Califórnia (EUA), que poderá acumular mais de um trilhão de pósitrons. Um dos objetivos dos cientistas da Universidade da Califórnia é criar recipientes portáteis para antimatéria que possam ser usados para fins científicos longe de grandes aceleradores. Este projeto é apoiado pelo Pentágono, que está interessado em aplicações militares de antimatéria, portanto, é improvável que a maior variedade de garrafas magnéticas do mundo seja subfinanciada.
Os aceleradores modernos serão capazes de produzir um grama de anti-hidrogênio em algumas centenas de anos. Isso é muito longo, então a única saída é desenvolver nova tecnologia produção de antimatéria ou unir os esforços de todos os países do nosso planeta. Mas mesmo neste caso, com tecnologia moderna, não se pode nem sonhar em produzir dezenas de toneladas de antimatéria para voos tripulados interestelares.
No entanto, nem tudo é tão triste. Especialistas da NASA desenvolveram vários projetos para naves espaciais que poderiam ir ao espaço profundo com apenas um micrograma de antimatéria. A NASA acredita que equipamentos aprimorados tornarão possível produzir antiprótons a um custo de cerca de US$ 5 bilhões por grama.
A empresa americana Hbar Technologies, com o apoio da NASA, está desenvolvendo o conceito de sondas não tripuladas acionadas por um motor anti-hidrogênio. O primeiro objetivo deste projeto é criar uma espaçonave não tripulada que possa voar para o cinturão de Kuiper, na borda do sistema solar, em menos de 10 anos. Hoje, é impossível voar para pontos tão remotos em 5-7 anos, em particular, a sonda New Horizons da NASA voará pelo cinturão de Kuiper 15 anos após o lançamento.
Uma sonda que percorre uma distância de 250 UA em 10 anos, será muito pequeno, com uma carga útil de apenas 10 mg, mas também precisará de um pouco de anti-hidrogênio - 30 mg. O Tevatron produzirá essa quantidade em algumas décadas, e os cientistas poderão testar o conceito de um novo motor durante uma missão espacial real.
Cálculos preliminares também mostram que uma pequena sonda pode ser enviada para Alpha Centauri de maneira semelhante. Com um grama de anti-hidrogênio, ele voará para uma estrela distante em 40 anos.
Pode parecer que tudo isso é ficção e não tem nada a ver com o futuro próximo. Felizmente, este não é o caso. Enquanto a atenção do público está voltada para crises globais, fracassos de estrelas pop e outros eventos atuais, permanecem à sombra de iniciativas que marcaram época. Lançada agência espacial da NASA projeto grandioso 100 Year Starship, que envolve a criação gradual e de longo prazo de uma base científica e tecnológica para voos interplanetários e interestelares. Este programa é único na história da humanidade e deve atrair cientistas, engenheiros e entusiastas de outras profissões de todo o mundo. De 30 de setembro a 2 de outubro de 2011, será realizado um simpósio em Orlando, Flórida, onde serão discutidas diversas tecnologias de voo espacial. Com base nos resultados de tais eventos, especialistas da NASA desenvolverão um plano de negócios para auxiliar certas indústrias e empresas que estão desenvolvendo tecnologias que ainda não estão disponíveis, mas necessárias para futuros voos interestelares. Se o ambicioso programa da NASA for bem-sucedido, dentro de 100 anos a humanidade será capaz de construir uma espaçonave interestelar, e nos moveremos pelo sistema solar com a mesma facilidade com que voamos de continente a continente hoje.
O sistema solar não tem sido de interesse particular para escritores de ficção científica há muito tempo. Mas, surpreendentemente, nossos planetas “nativos” não causam muita inspiração para alguns cientistas, embora ainda não tenham sido explorados na prática.
Mal tendo aberto uma janela para o espaço, a humanidade é dilacerada em distâncias desconhecidas, e não apenas em sonhos, como antes.
Sergei Korolev também prometeu voar em breve para o espaço “com um bilhete sindical”, mas essa frase já tem meio século, e uma odisseia no espaço ainda é o destino da elite - muito cara. No entanto, há dois anos, a HACA lançou um projeto grandioso nave estelar de 100 anos, que envolve a criação gradual e a longo prazo de uma base científica e técnica para voos espaciais.
Então, quais são os problemas que precisam ser resolvidos para tornar o voo estelar uma realidade?
TEMPO E VELOCIDADE SÃO RELATIVAS
Por mais estranho que pareça, a astronomia dos veículos automáticos parece para alguns cientistas um problema quase resolvido. E isso apesar do fato de que não há absolutamente nenhum ponto em lançar autômatos para as estrelas com velocidades de caracol atuais (cerca de 17 km / s) e outros equipamentos primitivos (para estradas tão desconhecidas).
Agora que as espaçonaves americanas Pioneer 10 e Voyager 1 deixaram o sistema solar, não há mais nenhuma conexão com elas. A Pioneer 10 está se movendo em direção à estrela Aldebaran. Se nada acontecer com ele, ele chegará à vizinhança desta estrela... em 2 milhões de anos. Da mesma forma, rasteje pelas extensões do Universo e outros dispositivos.
Então, independentemente de uma nave ser habitável ou não, para voar até as estrelas, ela precisa de uma velocidade alta próxima à velocidade da luz. No entanto, isso ajudará a resolver o problema de voar apenas para as estrelas mais próximas.
“Mesmo que conseguíssemos construir uma nave estelar que pudesse voar a uma velocidade próxima à da luz”, escreveu K. Feoktistov, “o tempo de viagem apenas em nossa galáxia será calculado em milênios e dezenas de milênios, já que seu diâmetro é de cerca de 100.000 anos-luz. Mas na Terra, muito mais vai passar durante este tempo.
De acordo com a teoria da relatividade, o curso do tempo em dois sistemas que se movem um em relação ao outro é diferente. Como a grandes distâncias a nave terá tempo para desenvolver uma velocidade muito próxima da velocidade da luz, a diferença de tempo na Terra e na nave será especialmente grande.
Supõe-se que o primeiro objetivo dos voos interestelares será alfa Centauri (um sistema de três estrelas) - o mais próximo de nós. Na velocidade da luz, você pode voar para lá em 4,5 anos, na Terra dez anos se passarão durante esse tempo. Mas quanto maior a distância, maior a diferença de tempo.
Lembra da famosa Nebulosa de Andrômeda de Ivan Efremov? Lá, o vôo é medido em anos, e os terrestres. Uma bela história, para dizer o mínimo. No entanto, esta nebulosa cobiçada (mais precisamente, a galáxia de Andrômeda) está localizada a uma distância de 2,5 milhões de anos-luz de nós.
Isso significa que mesmo voos na velocidade da luz são justificados apenas para estrelas relativamente próximas. No entanto, veículos voando na velocidade da luz, até agora vivem apenas em uma teoria que lembra a ficção científica, porém, científica.
UM NAVIO DO TAMANHO DE UM PLANETA
Naturalmente, em primeiro lugar, os cientistas tiveram a ideia de usar a reação termonuclear mais eficiente no motor do navio - como já parcialmente dominada (para fins militares). No entanto, para viagens de ida e volta perto da velocidade da luz, mesmo com um projeto de sistema ideal, é necessária uma razão entre a massa inicial e a massa final de pelo menos 10 elevado à trigésima potência. Ou seja, a espaçonave se parecerá com um trem enorme com combustível do tamanho de um pequeno planeta. É impossível lançar um colosso desses no espaço da Terra. Sim, e coletar em órbita - também, não é à toa que os cientistas não discutem essa opção.
A ideia de um motor de fótons usando o princípio da aniquilação da matéria é muito popular.
Aniquilação é a transformação de uma partícula e uma antipartícula durante sua colisão em quaisquer outras partículas diferentes das originais. A mais estudada é a aniquilação de um elétron e de um pósitron, que gera fótons, cuja energia movimentará a espaçonave. Cálculos dos físicos americanos Ronan Keane e Wei-ming Zhang mostram que, com base em tecnologias modernasé possível criar um motor de aniquilação capaz de acelerar uma nave espacial a 70% da velocidade da luz.
No entanto, outros problemas começam. Infelizmente, usar antimatéria como combustível de foguete é muito difícil. Durante a aniquilação, ocorrem flashes da radiação gama mais poderosa, que são prejudiciais aos astronautas. Além disso, o contato do combustível pósitron com o navio é repleto de uma explosão fatal. Por fim, ainda não existem tecnologias para obter antimatéria suficiente e armazená-la por muito tempo: por exemplo, um átomo de anti-hidrogênio "vive" agora por menos de 20 minutos, e a produção de um miligrama de pósitrons custa US$ 25 milhões.
Mas, vamos supor, com o tempo, esses problemas podem ser resolvidos. No entanto, ainda será necessário muito combustível, e a massa inicial de uma nave estelar de fótons será comparável à massa da Lua (de acordo com Konstantin Feoktistov).
QUEBROU A VELA!
A nave estelar mais popular e realista hoje é considerada um veleiro solar, cuja ideia pertence ao cientista soviético Friedrich Zander.
A vela solar (luz, fóton) é um dispositivo que usa pressão luz solar ou um laser em uma superfície de espelho para impulsionar a espaçonave.
Em 1985, o físico americano Robert Forward propôs o projeto de uma sonda interestelar acelerada por energia de micro-ondas. O projeto previa que a sonda chegaria às estrelas mais próximas em 21 anos.
No XXXVI Congresso Astronômico Internacional, foi proposto um projeto para uma nave estelar a laser, cujo movimento é fornecido pela energia de lasers ópticos localizados em órbita ao redor de Mercúrio. De acordo com os cálculos, o caminho de uma nave deste projeto até a estrela Epsilon Eridani (10,8 anos-luz) e de volta levaria 51 anos.
“É improvável que possamos fazer progressos significativos na compreensão do mundo em que vivemos, com base em dados obtidos de viagens em nosso sistema solar. Naturalmente, o pensamento se volta para as estrelas. Afinal, antes se entendia que os voos ao redor da Terra, os voos para outros planetas do nosso sistema solar não são o objetivo final. Pavimentar o caminho para as estrelas parecia ser a tarefa principal.Essas palavras não pertencem a um escritor de ficção científica, mas ao designer de espaçonaves e cosmonauta Konstantin Feoktistov. Segundo o cientista, nada de particularmente novo no sistema solar será encontrado. E isso apesar do fato de que o homem até agora só voou para a lua ...
Tudo isso ainda é teoria, mas os primeiros passos já estão sendo dados.
Em 1993, uma vela solar de 20 metros de largura foi implantada pela primeira vez no navio russo Progress M-15 como parte do projeto Znamya-2. Ao acoplar o Progress com a estação Mir, sua tripulação instalou uma unidade de implantação de refletor a bordo do Progress. Como resultado, o refletor criou um ponto brilhante de 5 km de largura, que passou pela Europa até a Rússia a uma velocidade de 8 km/s. A mancha de luz tinha uma luminosidade aproximadamente equivalente à da lua cheia.
A versão de vela pode ser adequada para o lançamento de sondas robóticas, estações e navios de carga, mas não é adequada para voos tripulados de retorno. Existem outros designs de naves estelares, mas eles de alguma forma se assemelham aos acima (com os mesmos problemas enormes).
SURPRESAS NO ESPAÇO INTERSTELLAR
Parece que muitas surpresas aguardam os viajantes no universo. Por exemplo, mal se inclinando para fora do sistema solar, o aparelho americano "Pioneer-10" começou a experimentar a força origem desconhecida causando frenagem fraca. Muitas sugestões foram feitas, até efeitos ainda desconhecidos de inércia ou mesmo tempo. Ainda não há explicação inequívoca para este fenômeno, uma variedade de hipóteses são consideradas: desde simples técnicas (por exemplo, a força reativa de um vazamento de gás em um aparelho) até a introdução de novas leis físicas.
Outra espaçonave, a Voyager 1, detectou uma área com um forte campo magnético na borda do sistema solar. Nele, a pressão das partículas carregadas do espaço interestelar faz com que o campo criado pelo Sol engrosse. O dispositivo também registrou:
O espaço entre as estrelas não está vazio. Em todos os lugares há restos de gás, poeira, partículas. Ao tentar se mover a uma velocidade próxima à velocidade da luz, cada átomo colidindo com a nave será como uma partícula de raios cósmicos de alta energia. O nível de radiação dura durante esse bombardeio aumentará inaceitavelmente mesmo durante voos para as estrelas mais próximas.
E o impacto mecânico de partículas em tais velocidades será comparado a balas explosivas. De acordo com alguns cálculos, cada centímetro da tela protetora da espaçonave seria disparado continuamente a uma taxa de 12 tiros por minuto. É claro que nenhuma tela pode resistir a essa exposição por vários anos de voo. Ou terá que ter uma espessura inaceitável (dezenas e centenas de metros) e massa (centenas de milhares de toneladas).
Acontece que é impossível resolver o problema de transportar corpos materiais por distâncias galácticas a velocidades próximas à velocidade da luz. Não faz sentido romper o espaço e o tempo com a ajuda de uma estrutura mecânica.
FURO DE TOUPEIRA
A ficção científica, tentando superar o tempo inexorável, inventou como "roer buracos" no espaço (e no tempo) e "dobrá-lo". Eles criaram uma variedade de saltos no hiperespaço de um ponto do espaço para outro, ignorando áreas intermediárias. Agora os cientistas se juntaram aos escritores de ficção científica.
Os físicos começaram a procurar estados extremos da matéria e brechas exóticas no universo, onde você pode se mover a uma velocidade superluminal contrária à teoria da relatividade de Einstein.
No entanto, para criar buracos de minhoca estáveis, você pode usar o efeito descoberto pelo holandês Hendrik Casimir. Consiste na atração mútua de corpos não carregados condutores sob a ação de oscilações quânticas no vácuo. Acontece que o vácuo não está completamente vazio, existem flutuações no campo gravitacional em que partículas e buracos de minhoca microscópicos aparecem e desaparecem espontaneamente.
Resta apenas encontrar um dos buracos e esticá-lo, colocando-o entre duas bolas supercondutoras. Uma boca do buraco de minhoca permanecerá na Terra, a outra será movida pela espaçonave na velocidade da luz até a estrela - o objeto final. Ou seja, a espaçonave irá, por assim dizer, perfurar um túnel. Quando a nave chegar ao seu destino, o buraco de minhoca se abrirá para uma viagem interestelar realmente rápida, cuja duração será calculada em minutos.
BOLHA DE FORMAÇÃO
Semelhante à teoria da curvatura da bolha dos buracos de minhoca. Em 1994, o físico mexicano Miguel Alcubierre realizou cálculos de acordo com as equações de Einstein e descobriu a possibilidade teórica de deformação ondulatória do contínuo espacial. Nesse caso, o espaço encolherá na frente da espaçonave e simultaneamente se expandirá atrás dela. A nave estelar, por assim dizer, é colocada em uma bolha de curvatura, capaz de se mover a uma velocidade ilimitada. A genialidade da ideia é que a espaçonave repousa em uma bolha de curvatura e as leis da teoria da relatividade não são violadas. Ao mesmo tempo, a própria bolha de curvatura se move, distorcendo localmente o espaço-tempo.
Apesar da impossibilidade de viajar mais rápido que a luz, nada impede que o espaço se mova ou propague a deformação do espaço-tempo mais rápido que a luz, o que se acredita ter acontecido imediatamente após o Big Bang na formação do Universo.
Todas essas ideias ainda não se encaixam no quadro Ciência moderna No entanto, em 2012, representantes da NASA anunciaram a preparação de um teste experimental da teoria do Dr. Alcubierre. Quem sabe, talvez a teoria da relatividade de Einstein algum dia se torne parte de um novo teoria global. Afinal, o processo de aprendizagem é interminável. Assim, um dia seremos capazes de romper os espinhos até as estrelas.
Irina GROMOVA
Korznikov calcula que, a uma velocidade superior a 0,1 C, a espaçonave não terá tempo de mudar sua trajetória de voo e evitar uma colisão. Ele acredita que em velocidade subluz a espaçonave entrará em colapso antes de atingir o alvo. Em sua opinião, a viagem interestelar só é possível em velocidades significativamente mais baixas (até 0,01 C). De 1950-60. nos Estados Unidos, uma espaçonave com um motor de foguete de pulso nuclear foi desenvolvida para explorar o espaço interplanetário "Orion".
O voo interestelar é uma viagem entre as estrelas de veículos tripulados ou estações automáticas. Segundo o diretor do Centro de Pesquisa Ames (NASA) Simon P. Warden, o projeto de um motor para voos ao espaço profundo pode ser desenvolvido dentro de 15 a 20 anos.
Deixe que o voo de ida e o voo de volta consistam em três fases: aceleração uniformemente acelerada, voo com velocidade constante e desaceleração uniformemente acelerada. Deixe a nave se mover metade do caminho com aceleração unitária e desacelere a outra metade com a mesma aceleração (). Então o navio dá meia volta e repete os estágios de aceleração e desaceleração.
Nem todos os tipos de motores são adequados para voos interestelares. Os cálculos mostram que com a ajuda do sistema espacial considerado neste trabalho, é possível alcançar a estrela Alpha Centauri... em cerca de 10 anos. Como uma das soluções para o problema, propõe-se a utilização de um foguete como substância de trabalho partículas elementares movendo-se na velocidade da luz ou próximo dela.
A velocidade de exaustão das partículas está entre 15 e 35 quilômetros por segundo. Portanto, surgiram ideias para abastecer as naves interestelares com energia de uma fonte externa. No este momento este projeto não é viável: o motor deve ter uma velocidade de exaustão de 0,073 s (impulso específico 2 milhões de segundos), enquanto seu empuxo deve atingir 1570 N (ou seja, 350 libras).
A colisão com a poeira interestelar ocorrerá a velocidades próximas da luz e se assemelhará a microexplosões em termos de impacto físico. Em obras de ficção científica, os métodos de viagem interestelar baseados em movimento são frequentemente mencionados. velocidade mais rápida luz no vácuo. A maior tripulação consistia de 8 cosmonautas (incluindo 1 mulher), que foram lançados em 30 de outubro de 1985 na espaçonave reutilizável Challenger.
A distância até a estrela mais próxima (Proxima Centauri) é de cerca de 4.243 anos-luz, ou seja, cerca de 268 mil vezes a distância da Terra ao Sol. O voo da nave estelar tem um lugar significativo na ficção científica.
Nessa situação, o tempo de voo no sistema de referência da Terra será de aproximadamente 12 anos, enquanto, segundo o relógio do navio, passarão 7,3 anos. Ginástica Vários tipos motores para vôos interestelares em particular foi considerado em uma reunião da Sociedade Interplanetária Britânica em 1973 pelo Dr. Tony Martin (Tony Martin).
No decorrer do trabalho, foram propostos projetos para grandes e pequenas naves (“navios de gerações”), capazes de atingir a estrela Alpha Centauri em 1800 e 130 anos, respectivamente. Em 1971, em um relatório de G. Marx em um simpósio em Byurakan, foi proposto o uso de lasers de raios X para voos interestelares. Em 1985, R. Forward propôs o projeto de uma sonda interestelar acelerada por energia de micro-ondas.
O principal componente da massa mísseis modernosé a massa de combustível necessária para o foguete acelerar. Se for possível usar de alguma forma o ambiente ao redor do foguete como fluido de trabalho e combustível, é possível reduzir significativamente a massa do foguete e conseguir devido a isso altas velocidades movimento.
Na década de 1960, Bussard propôs o projeto de um motor ramjet interestelar (MPRE). O meio interestelar consiste principalmente de hidrogênio. Em 1994, Jeffrey Landis propôs um projeto para uma sonda de íons interestelar, que seria alimentada por um feixe de laser na estação.
O foguete projetado pelo projeto Daedalus acabou sendo tão grande que teria que ser construído no espaço sideral. Uma das desvantagens das naves interestelares é a necessidade de transportar uma rede elétrica com elas, o que aumenta a massa e reduz a velocidade de acordo. Tão elétrico motor de foguete tem uma velocidade característica de 100 km/s, que é muito lenta para viajar para estrelas distantes em um tempo razoável.
No entanto, no espaço tudo é diferente, alguns fenômenos são simplesmente inexplicáveis e desafiam qualquer lei em princípio. Por exemplo, um satélite lançado há alguns anos, ou outros objetos irão girar em sua órbita e nunca cair. Por que isso está acontecendo, quão rápido um foguete voa para o espaço? Os físicos sugerem que existe uma força centrífuga que neutraliza o efeito da gravidade.
Tendo feito um pequeno experimento, nós mesmos podemos entender e sentir isso sem sair de casa. Para fazer isso, você precisa pegar um fio e amarrar uma pequena carga em uma extremidade e depois desenrolar o fio ao redor da circunferência. Sentiremos que quanto maior a velocidade, mais clara a trajetória da carga e mais tensão no fio, se a força for enfraquecida, a velocidade de rotação do objeto diminuirá e o risco de a carga cair aumenta várias vezes . Com uma experiência tão pequena, começaremos a desenvolver nosso tópico - velocidade no espaço.
Fica claro que a alta velocidade permite que qualquer objeto supere a força da gravidade. Relativo objetos espaciais, qualquer um deles cada um tem sua própria velocidade, é diferente. Quatro tipos principais de tal velocidade são determinados, e o menor deles é o primeiro. É nessa velocidade que a nave voa para a órbita da Terra.
A fim de voar para fora dele, você precisa de um segundo velocidade no espaço. Na terceira velocidade, a gravidade é completamente superada e você pode voar para fora dos limites. sistema solar. Quarto velocidade do foguete no espaço permitirá que você deixe a própria galáxia, isso é cerca de 550 km / s. Sempre nos interessamos velocidade do foguete no espaço km/h, ao entrar em órbita, é de 8 km / s, além disso - 11 km / s, ou seja, desenvolvendo suas capacidades até 33.000 km / h. O foguete aumenta gradualmente sua velocidade, a aceleração total começa a partir de uma altura de 35 km. Velocidadecaminhada espacialé de 40.000 km/h.
Velocidade máxima no espaço- o recorde, estabelecido há 46 anos, ainda se mantém, foi feito por astronautas que participaram da missão Apollo 10. Tendo circundado a lua, eles retornaram quando velocidade da nave no espaço foi de 39.897 km/h. Em um futuro próximo, está planejado enviar a espaçonave Orion para o espaço da ausência de peso, que levará os astronautas à órbita baixa da Terra. Talvez então seja possível quebrar o recorde de 46 anos. A velocidade da luz no espaço- 1 bilhão de km/h. Gostaria de saber se podemos superar tal distância com nossa velocidade máxima disponível de 40.000 km/h. Aqui qual é a velocidade no espaço desenvolve perto da luz, mas não a sentimos aqui.
Teoricamente, uma pessoa pode se mover a uma velocidade ligeiramente menor que a velocidade da luz. No entanto, isso acarretará enormes danos, especialmente para um organismo despreparado. De fato, para começar, essa velocidade deve ser desenvolvida, um esforço deve ser feito para reduzi-la com segurança. Porque aceleração e desaceleração rápidas podem ser fatais para uma pessoa.
Nos tempos antigos, acreditava-se que a Terra era imóvel, ninguém estava interessado na questão da velocidade de sua rotação em órbita, porque tais conceitos não existiam em princípio. Mas mesmo agora é difícil dar uma resposta inequívoca à pergunta, porque o valor não é o mesmo em diferentes pontos geográficos. Mais perto do equador, a velocidade será maior, na região do sul da Europa é de 1200 km/h, esta é a média A velocidade da Terra no espaço.
Quão rápido um foguete voa para o espaço?
A maior velocidade em que uma pessoa já se moveu (39.897 km/h) foi desenvolvida pelo módulo principal da Apollo 10 a uma altitude de 121,9 km da superfície da Terra durante o retorno da expedição em 26 de maio de 1969. A bordo do naves espaciais eram o comandante da tripulação, Coronel da Força Aérea dos EUA (agora Brigadeiro General) Thomas Patten Stafford (nascido em Weatherford, Oklahoma, EUA, 17 de setembro de 1930), Capitão da Marinha dos EUA 3º Rank Eugene Andrew Cernan (nascido em Chicago, Illinois, EUA, 14 de março de 1934 d.) e o capitão do 3º escalão da Marinha dos EUA (agora capitão do 1º escalão, aposentado) John Watt Young (nascido em San Francisco, Califórnia, EUA, 24 de setembro de 1930 ).
Das mulheres, a velocidade mais alta (28.115 km / h) foi alcançada pelo tenente júnior da Força Aérea da URSS (agora tenente-coronel-engenheiro, piloto-cosmonauta da URSS) Valentina Vladimirovna Tereshkova (nascida em 6 de março de 1937) no soviético nave espacial Leste 6 de junho de 1963
O foguete ganha velocidade gradualmente. Por exemplo, o veículo lançador Soyuz tem uma velocidade de 1,8 km/s em 117,6 s após o lançamento a uma altitude de 47,0 km e 3,9 km/s em 286,4 s de voo a uma altitude de 171,4 km. Aproximadamente 8,8 minutos. após o lançamento a uma altitude de 198,8 km, a velocidade da espaçonave é de 7,8 km/s.
E o lançamento da nave orbital em órbita próxima à Terra a partir do ponto superior do vôo do veículo lançador já é realizado por manobras ativas do próprio OK. E sua velocidade depende dos parâmetros da órbita.
