Concetti di razzo
Tutti i concetti di razzo sono limitati dall’equazione del razzo, che imposta la velocità caratteristica disponibile in funzione della velocità di scarico e del rapporto di massa, il rapporto tra massa iniziale (M0, incluso il carburante) e massa finale (M1, combustibile esaurito).
La potenza specifica molto elevata, il rapporto tra la spinta e la massa totale del veicolo, è necessaria per raggiungere obiettivi interstellari entro periodi di tempo inferiori al secolo. Un certo trasferimento di calore è inevitabile e un enorme carico di riscaldamento deve essere adeguatamente gestito.,
Quindi, per i concetti di razzi interstellari di tutte le tecnologie, un problema ingegneristico chiave (raramente discusso esplicitamente) è limitare il trasferimento di calore dal flusso di scarico al veicolo.
Motore ionomodifica
Un tipo di propulsione elettrica, veicoli spaziali come Dawn utilizzare un motore ionico. In un motore a ioni, l’energia elettrica viene utilizzata per creare particelle cariche del propellente, di solito il gas xenon, e accelerarle a velocità estremamente elevate., La velocità di scarico dei razzi convenzionali è limitata dall’energia chimica immagazzinata nei legami molecolari del combustibile, che limita la spinta a circa 5 km/s. Producono una spinta elevata (circa 10 N N), ma hanno un impulso specifico basso e ciò limita la loro velocità massima. Al contrario, i motori a ioni hanno una forza bassa, ma la velocità massima in linea di principio è limitata solo dalla potenza elettrica disponibile sul veicolo spaziale e sugli ioni gas che vengono accelerati. La velocità di scarico delle particelle cariche varia da 15 km / s a 35 km/s.,
Motori a fissione nuclearemodifica
Fissione-elettricamodifica
I motori nucleari-elettrici o al plasma, funzionanti per lunghi periodi a bassa spinta e alimentati da reattori a fissione, hanno il potenziale per raggiungere velocità molto superiori ai veicoli alimentati chimicamente o ai razzi nucleari-termici. Tali veicoli probabilmente hanno il potenziale per alimentare l’esplorazione del sistema solare con tempi di viaggio ragionevoli entro il secolo attuale. A causa della loro propulsione a bassa spinta, sarebbero limitati a operazioni fuori dal pianeta e nello spazio profondo., La propulsione elettrica di veicoli spaziali alimentata da una fonte di energia portatile, ad esempio un reattore nucleare, che produce solo piccole accelerazioni, richiederebbe secoli per raggiungere, ad esempio, il 15% della velocità della luce, quindi inadatto al volo interstellare durante una singola vita umana.
Fissione-fragmentEdit
I razzi a fissione-frammento utilizzano la fissione nucleare per creare getti ad alta velocità di frammenti di fissione, che vengono espulsi a velocità fino a 12.000 km/s (7.500 mi / s). Con la fissione, l’energia prodotta è di circa 0.,1% della massa totale-energia del combustibile del reattore e limita la velocità effettiva di scarico a circa il 5% della velocità della luce. Per la massima velocità, la massa di reazione dovrebbe essere composta in modo ottimale da prodotti di fissione, la “cenere” della fonte di energia primaria, quindi non è necessario prenotare una massa di reazione extra nel rapporto di massa.
Nuclear pulseEdit
Concetto moderno di propulsione a fissione pulsata.,
Sulla base di lavori tra la fine degli anni 1950 e l’inizio degli anni 1960, è stato tecnicamente possibile costruire astronavi con motori di propulsione a impulsi nucleari, cioè azionati da una serie di esplosioni nucleari. Questo sistema di propulsione contiene la prospettiva di impulso specifico molto alto (equivalente del viaggio spaziale del risparmio di carburante) e di alta potenza specifica.
Il membro del team del progetto Orion Freeman Dyson propose nel 1968 un veicolo spaziale interstellare con propulsione a impulsi nucleari che utilizzava detonazioni di fusione di deuterio puro con una frazione di combustione molto elevata., Ha calcolato una velocità di scarico di 15.000 km / s e un veicolo spaziale di 100.000 tonnellate in grado di raggiungere un delta-v di 20.000 km/s consentendo un tempo di volo per Alpha Centauri di 130 anni. Studi successivi indicano che la velocità di crociera superiore che può teoricamente essere raggiunta da un’unità termonucleare Teller-Ulam alimentata dalla nave stellare Orion, supponendo che non venga risparmiato carburante per rallentare, è di circa l ‘ 8% al 10% della velocità della luce (0,08-0,1 c). Un Orione atomico (fissione) può raggiungere forse il 3% -5% della velocità della luce., Una nave stellare a impulsi nucleari alimentata da unità di propulsione a impulsi nucleari catalizzate da fusione-antimateria sarebbe simile nell’intervallo 10% e i razzi di annichilazione di materia pura-antimateria sarebbero teoricamente in grado di ottenere una velocità compresa tra il 50% e l ‘ 80% della velocità della luce. In ogni caso il risparmio di carburante per rallentare dimezza la velocità massima. Il concetto di utilizzare una vela magnetica per decelerare il veicolo spaziale mentre si avvicina alla sua destinazione è stato discusso come alternativa all’utilizzo di propellente, questo permetterebbe alla nave di viaggiare vicino alla massima velocità teorica., I progetti alternativi che utilizzano principi simili includono Project Longshot, Project Daedalus e Mini-Mag Orion. Il principio della propulsione a impulsi nucleari esterni per massimizzare la potenza sopravvivibile è rimasto comune tra i concetti seri per il volo interstellare senza raggiatura di potenza esterna e per il volo interplanetario ad altissime prestazioni.,
Nel 1970 il concetto di propulsione a impulsi nucleari è stato ulteriormente perfezionato dal Progetto Daedalus mediante l’uso di fusione inerziale a confinamento attivato esternamente, in questo caso producendo esplosioni di fusione tramite compressione di pellet di combustibile da fusione con fasci di elettroni ad alta potenza. Da allora, laser, fasci ionici, fasci di particelle neutre e proiettili iper-cinetici sono stati suggeriti per produrre impulsi nucleari per scopi di propulsione.,
Un ostacolo attuale allo sviluppo di qualsiasi veicolo spaziale con esplosione nucleare è il Trattato di divieto parziale dei test del 1963, che include il divieto di detonazione di qualsiasi ordigno nucleare (anche non basato su armi) nello spazio esterno. Questo trattato dovrebbe quindi essere rinegoziato, anche se un progetto sulla scala di una missione interstellare che utilizza la tecnologia attualmente prevedibile richiederebbe probabilmente una cooperazione internazionale almeno sulla scala della Stazione Spaziale Internazionale.,
Un altro problema da considerare, sarebbero le forze g impartite a un veicolo spaziale, carico e passeggeri rapidamente accelerati all’interno (vedi Negazione di inerzia).
Razzi a fusione nuclearemodifica
Le astronavi a razzo a fusione, alimentate da reazioni di fusione nucleare, dovrebbero essere in grado di raggiungere velocità dell’ordine del 10% di quella della luce, basandosi solo su considerazioni energetiche. In teoria, un gran numero di stadi potrebbe spingere un veicolo arbitrariamente vicino alla velocità della luce. Questi “brucerebbero” combustibili di elementi leggeri come deuterio, trizio, 3He, 11B e 7Li. Perché la fusione produce circa 0.,3-0, 9% della massa del combustibile nucleare come energia rilasciata, è energeticamente più favorevole della fissione, che rilascia <0,1% della massa-energia del combustibile. Le velocità massime di scarico potenzialmente energeticamente disponibili sono corrispondentemente superiori a quelle per la fissione, tipicamente 4-10% di c. Tuttavia, le reazioni di fusione più facilmente ottenibili rilasciano una grande frazione della loro energia come neutroni ad alta energia, che sono una fonte significativa di perdita di energia., Pertanto, sebbene questi concetti sembrino offrire le migliori prospettive (a breve termine) per viaggiare verso le stelle più vicine entro una (lunga) vita umana, comportano ancora enormi difficoltà tecnologiche e ingegneristiche, che possono rivelarsi intrattabili per decenni o secoli.
Daedalus interstellar probe.
I primi studi includono il Progetto Daedalus, eseguito dalla British Interplanetary Society nel 1973-1978, e il Progetto Longshot, un progetto studentesco sponsorizzato dalla NASA e dalla US Naval Academy, completato nel 1988., Un altro sistema di veicoli abbastanza dettagliato, “Discovery II”, progettato e ottimizzato per l’esplorazione del sistema solare con equipaggio, basato sulla reazione D3He ma utilizzando l’idrogeno come massa di reazione, è stato descritto da un team del Glenn Research Center della NASA. Raggiunge velocità caratteristiche di > 300 km / s con un’accelerazione di ~1,7•10-3 g, con una massa iniziale della nave di ~1700 tonnellate e una frazione di carico utile superiore al 10%., Anche se questi sono ancora molto al di sotto dei requisiti per il viaggio interstellare su scala temporale umana, lo studio sembra rappresentare un punto di riferimento ragionevole verso ciò che potrebbe essere accessibile entro diversi decenni, che non è incredibilmente oltre l’attuale stato dell’arte. Basato sulla frazione di burnup del 2,2% del concetto, potrebbe raggiungere una velocità di scarico del prodotto di fusione pura di ~3.000 km/s.
Antimatter rocketsEdit
Un razzo antimateria avrebbe una densità di energia molto più elevata e un impulso specifico rispetto a qualsiasi altra classe di razzo proposta. Se si trovano risorse energetiche e metodi di produzione efficienti per produrre antimateria nelle quantità richieste e immagazzinarla in modo sicuro, sarebbe teoricamente possibile raggiungere velocità di diverse decine di percento rispetto a quella della luce., Se la propulsione antimateria possa portare a velocità più elevate (>90% quella della luce) in cui la dilatazione del tempo relativistico diventerebbe più evidente, rendendo così il tempo passare ad un ritmo più lento per i viaggiatori come percepito da un osservatore esterno, è dubbio a causa della grande quantità di antimateria che sarebbe richiesta.
Ipotizzando che la produzione e lo stoccaggio di antimateria dovrebbero diventare fattibili, due ulteriori questioni devono essere prese in considerazione., In primo luogo, nell’annientamento dell’antimateria, gran parte dell’energia viene persa come radiazione gamma ad alta energia, e specialmente anche come neutrini, in modo che solo circa il 40% di mc2 sarebbe effettivamente disponibile se l’antimateria fosse semplicemente autorizzata ad annichilire in radiazioni termicamente. Anche così, l’energia disponibile per la propulsione sarebbe sostanzialmente superiore al ~1% della resa mc2 della fusione nucleare, il prossimo miglior candidato rivale.
In secondo luogo, il trasferimento di calore dallo scarico al veicolo sembra probabilmente trasferire enormi sprechi di energia nella nave (ad esempio per 0,1 g di accelerazione della nave, avvicinandosi a 0.,3 trilioni di watt per tonnellata di massa della nave), considerando la grande frazione dell’energia che entra nei raggi gamma penetranti. Anche supponendo che sia stata fornita una schermatura per proteggere il carico utile (e i passeggeri su un veicolo con equipaggio), parte dell’energia riscalderebbe inevitabilmente il veicolo, e potrebbe quindi rivelarsi un fattore limitante se si dovessero ottenere accelerazioni utili.,
Più recentemente, Friedwardt Winterberg ha proposto che un razzo fotonico laser a raggi gamma GeV materia-antimateria è possibile mediante una scarica di pizzico protone-antiprotone relativistica, in cui il rinculo dal raggio laser viene trasmesso dall’effetto Mössbauer al veicolo spaziale.
Razzi con una fonte di energia esternamodifica
I razzi che derivano la loro potenza da fonti esterne, come un laser, potrebbero sostituire la loro fonte di energia interna con un collettore di energia, riducendo potenzialmente la massa della nave notevolmente e consentendo velocità di viaggio molto più elevate. Geoffrey A., Landis ha proposto una sonda interstellare, con energia fornita da un laser esterno da una stazione base che alimenta un propulsore ionico.
Non-rocket conceptsEdit
Un problema con tutti i metodi tradizionali di propulsione a razzo è che il veicolo spaziale avrebbe bisogno di portare con sé il suo carburante, rendendolo così molto massiccio, in accordo con l’equazione del razzo. Diversi concetti tentano di sfuggire a questo problema:
RF resonant cavity thrusterEdit
Un propulsore a cavità risonante a radiofrequenza (RF) è un dispositivo che si afferma essere un propulsore spaziale., Nel 2016, l’Advanced Propulsion Physics Laboratory della NASA ha riferito di aver osservato una piccola spinta apparente da uno di questi test,un risultato non replicato. Uno dei disegni si chiama EMDrive. Nel dicembre 2002, Satellite Propulsion Research Ltd ha descritto un prototipo funzionante con una presunta spinta totale di circa 0,02 newton alimentato da un magnetron a cavità da 850 W. Il dispositivo poteva funzionare solo per poche decine di secondi prima che il magnetron fallisse, a causa del surriscaldamento. L’ultimo test sull’EMDrive ha concluso che non funziona.,
Motore elicoidalemodifica
Proposto nel 2019 dallo scienziato della NASA Dr. David Burns, il concetto di motore elicoidale utilizzerebbe un acceleratore di particelle per accelerare le particelle vicino alla velocità della luce. Poiché le particelle che viaggiano a tali velocità acquisiscono più massa, si ritiene che questo cambiamento di massa possa creare accelerazione. Secondo Burns, il veicolo spaziale potrebbe teoricamente raggiungere il 99% della velocità della luce.
Interstellar ramjetsEdit
Nel 1960, Robert W., Bussard propose il Bussard ramjet, un razzo a fusione in cui un enorme scoop avrebbe raccolto l’idrogeno diffuso nello spazio interstellare, “bruciato” al volo usando una reazione a catena protone–protone ed espulso dal retro. Calcoli successivi con stime più accurate suggeriscono che la spinta generata sarebbe inferiore alla resistenza causata da qualsiasi progetto di scoop immaginabile. Eppure l’idea è attraente perché il carburante sarebbe stato raccolto lungo il percorso (commisurato al concetto di energy harvesting), quindi l’imbarcazione potrebbe teoricamente accelerare vicino alla velocità della luce., La limitazione è dovuta al fatto che la reazione può solo accelerare il propellente a 0,12 c. Quindi la resistenza di catturare la polvere interstellare e la spinta di accelerare quella stessa polvere a 0,12 c sarebbe la stessa quando la velocità è 0,12 c, impedendo un’ulteriore accelerazione.
Beamed propulsionEdit
Questo diagramma illustra lo schema di Robert L. Forward per rallentare una vela di luce interstellare a destinazione del sistema stellare.,
Una vela leggera o magnetica alimentata da un enorme laser o acceleratore di particelle nel sistema stellare domestico potrebbe potenzialmente raggiungere velocità ancora maggiori rispetto ai metodi di propulsione a razzo o a impulsi, perché non avrebbe bisogno di trasportare la propria massa di reazione e quindi avrebbe solo bisogno di accelerare il carico utile dell’imbarcazione. Robert L. Forward ha proposto un mezzo per decelerare una vela leggera interstellare di 30 chilometri nel sistema stellare di destinazione senza richiedere la presenza di un array laser in quel sistema., In questo schema, una vela secondaria di 100 chilometri viene dispiegata nella parte posteriore del veicolo spaziale, mentre la grande vela primaria viene staccata dall’imbarcazione per continuare ad andare avanti da sola. La luce viene riflessa dalla grande vela primaria alla vela secondaria, che viene utilizzata per decelerare la vela secondaria e il carico utile del veicolo spaziale. Nel 2002, Geoffrey A. Landis del Glen Research Center della NASA ha anche proposto un laser-powered, propulsione, nave a vela che avrebbe ospitato una vela diamante (di pochi nanometri di spessore) alimentato con l’uso di energia solare., Con questa proposta, questa nave interstellare sarebbe, teoricamente, in grado di raggiungere il 10 per cento della velocità della luce. È stato anche proposto di utilizzare la propulsione a raggiera per accelerare un veicolo spaziale e la propulsione elettromagnetica per decelerarlo; eliminando così il problema che il Bussard ramjet ha con la resistenza prodotta durante l’accelerazione.,
Una vela magnetica potrebbe anche decelerare a destinazione senza dipendere dal carburante trasportato o da un fascio abbagliante nel sistema di destinazione, interagendo con il plasma trovato nel vento solare della stella di destinazione e del mezzo interstellare.
La seguente tabella elenca alcuni concetti di esempio che utilizzano la propulsione laser a raggi come proposto dal fisico Robert L. Forward:
Interstellar travel catalog to use photogravitational assists for a full stopEdit
La seguente tabella è basata sul lavoro di Heller, Hippke e Kervella.,
- Gli assist successivi a α Cen A e B potrebbero consentire tempi di viaggio a 75 anni per entrambe le stelle.
- Lightsail ha un rapporto nominale massa-superficie (σnom) di 8,6×10-4 grammi m-2 per una vela nominale di classe grafene.
- Area della Vela Luminosa, circa 105 m2 = (316 m)2
- Velocità fino a 37.300 km s−1 (12,5% c)
Carburante preaccelerato
Raggiungere tempi di viaggio interstellare start-stop inferiori a una vita umana richiede rapporti di massa tra 1.000 e 1.000.000, anche per le stelle più vicine. Questo potrebbe essere ottenuto da veicoli multi-staged su vasta scala., In alternativa i grandi acceleratori lineari potrebbero spingere il carburante verso veicoli spaziali a propulsione a fissione, evitando i limiti dell’equazione del razzo.
Concetti teoricimodifica
Viaggi più veloci della lucemodifica
Rappresentazione artistica di un ipotetico veicolo spaziale a propulsione a induzione Wormhole, basata vagamente sul documento “warp drive” del 1994 di Miguel Alcubierre.,
Scienziati e autori hanno postulato un certo numero di modi con cui potrebbe essere possibile superare la velocità della luce, ma anche i più seri di questi sono altamente speculativi.
È anche discutibile se il viaggio più veloce della luce sia fisicamente possibile, in parte a causa di problemi di causalità: viaggiare più velocemente della luce può, in determinate condizioni, consentire di viaggiare all’indietro nel tempo nel contesto della relatività speciale., I meccanismi proposti per viaggiare più velocemente della luce all’interno della teoria della relatività generale richiedono l’esistenza di materia esotica e non è noto se questa possa essere prodotta in quantità sufficiente.,
Alcubierre driveEdit
In fisica, il Alcubierre drive è basato su un argomento, nell’ambito della relatività generale e senza l’introduzione di wormholes, che è possibile modificare spazio-tempo in un modo che permette una navicella spaziale in viaggio con un arbitrariamente grande velocità da un locale di espansione dello spaziotempo dietro l’astronave e un fronte contrazione di fronte ad essa. Tuttavia, questo concetto richiederebbe all’astronave di incorporare una regione di materia esotica, o ipotetico concetto di massa negativa.,
Buco nero artificialeedit
Un’idea teorica per consentire il viaggio interstellare è di spingere una nave stellare creando un buco nero artificiale e utilizzando un riflettore parabolico per riflettere la sua radiazione Hawking. Anche se al di là delle attuali capacità tecnologiche, una nave stellare buco nero offre alcuni vantaggi rispetto ad altri metodi possibili. Ottenere il buco nero per agire come fonte di energia e motore richiede anche un modo per convertire la radiazione di Hawking in energia e spinta., Un metodo potenziale consiste nel posizionare il foro nel punto focale di un riflettore parabolico attaccato alla nave, creando una spinta in avanti. Un metodo leggermente più semplice, ma meno efficiente comporterebbe semplicemente l’assorbimento di tutta la radiazione gamma che si dirige verso la prua della nave per spingerla in avanti e lasciare che il resto spari alla schiena.
WormholesEdit
I wormhole sono distorsioni congetturali nello spaziotempo che i teorici postulano potrebbero collegare due punti arbitrari nell’universo, attraverso un ponte Einstein–Rosen. Non è noto se i wormhole siano possibili nella pratica., Sebbene ci siano soluzioni all’equazione di Einstein della relatività generale che consentono i wormhole, tutte le soluzioni attualmente conosciute implicano alcune ipotesi, ad esempio l’esistenza di massa negativa, che potrebbe essere non fisica. Tuttavia, Cramer et al. sostengono che tali wormhole potrebbero essere stati creati nell’universo primordiale, stabilizzati da stringhe cosmiche. La teoria generale dei wormhole è discussa da Visser nel libro Lorentzian Wormhole.