Interstellära resor

raket conceptsEdit

alla raketkoncept begränsas av raketekvationen, som ställer in den karakteristiska hastigheten som är tillgänglig som en funktion av avgashastighet och massförhållande, förhållandet mellan initial (M0, inklusive bränsle) och slutlig (M1, bränsle utarmad) massa.

mycket hög specifik effekt, förhållandet mellan dragkraft och total fordonsmassa, krävs för att nå interstellära mål inom sub-talet tidsramar. Viss värmeöverföring är oundviklig och en enorm värmebelastning måste hanteras på lämpligt sätt.,

för interstellära raketkoncept av all teknik begränsar ett viktigt tekniskt problem (sällan uttryckligen diskuterat) värmeöverföringen från avgasströmmen tillbaka till fordonet.

Ion engineEdit

en typ av elektrisk framdrivning, rymdfarkoster som Dawn använder en jonmotor. I en jonmotor används elkraft för att skapa laddade partiklar av drivmedlet, vanligtvis gas xenon, och påskynda dem till extremt höga hastigheter., Avgashastigheten hos konventionella raketer begränsas av den kemiska energi som lagras i bränslets molekylbindningar, vilket begränsar dragkraften till ca 5 km/ s. de producerar en hög dragkraft (ca 10 n), men de har en låg specifik impuls, och det begränsar deras toppfart. Däremot har jonmotorer låg kraft, men topphastigheten är i princip begränsad endast av den elektriska effekten som finns tillgänglig på rymdfarkosten och på de gasjoner som accelereras. Avgashastigheten för de laddade partiklarna varierar från 15 km / s till 35 km / s.,

Nuclear fission poweredEdit

Fission-electricEdit

kärnkraft-elektriska eller plasmamotorer, som arbetar under långa perioder med låg dragkraft och drivs av fissionsreaktorer, har potential att nå hastigheter mycket större än kemiskt drivna fordon eller kärnvärmeraketer. Sådana fordon har förmodligen potential att driva solsystemets utforskning med rimliga tripptider inom det nuvarande århundradet. På grund av deras låga framdrivning, skulle de vara begränsade till off-planet, Deep-space operation., Elektriskt drivna rymdfarkoster framdrivning drivs av en bärbar kraftkälla, säger en kärnreaktor, producerar endast små accelerationer, skulle ta århundraden att nå till exempel 15% av ljusets hastighet, vilket är olämpligt för interstellära flygning under en enda mänsklig livstid.

Fission-fragmentEdit

Fission-fragment raketer använder kärnklyvning för att skapa höghastighetsstrålar av fissionsfragment, som matas ut i hastigheter upp till 12 000 km/s (7,500 mi / s). Med fission är energiproduktionen cirka 0.,1% av reaktorbränslets totala massenergi och begränsar den effektiva avgashastigheten till ca 5% av ljusets hastighet. För maximal hastighet bör reaktionsmassan optimalt bestå av fissionsprodukter, primärenergikällans ”aska”, så ingen extra reaktionsmassa behöver bokkept i massförhållandet.

nukleär pulseEdit

baserat på arbete i slutet av 1950-talet till början av 1960-talet, har det varit tekniskt möjligt att bygga rymdskepp med kärnpuls framdrivningsmotorer, dvs. drivs av en serie kärnvapenexplosioner. Detta framdrivningssystem innehåller utsikterna till mycket hög specifik impuls (rymdresans motsvarighet till bränsleekonomi) och hög specifik effekt.

Projekt Orion gruppmedlem Freeman Dyson föreslog 1968 en interstellär rymdfarkost med hjälp av kärnpuls framdrivning som använde rena Deuterium fusion detonationer med en mycket hög bränsle-burnup fraktion., Han beräknade en avgashastighet på 15 000 km / s och ett 100 000 ton rymdfordon som kunde uppnå en 20 000 km/s delta-v som tillåter en flygtid till Alpha Centauri på 130 år. Senare studier visar att den högsta fart som teoretiskt kan uppnås av en Teller-Ulam termonukleär enhet som drivs Orion starship, förutsatt att inget bränsle sparas för att sakta ner, är ca 8% till 10% av ljusets hastighet (0.08-0.1 C). En atomär (fission) Orion kan uppnå kanske 3% -5% av ljusets hastighet., Ett kärnpulsdrivande rymdskepp som drivs av fusion – antimateria katalyserade kärnpulsdrivningsenheter skulle vara på samma sätt i 10% – intervallet och pure matter-antimateria förintelseraketer skulle teoretiskt kunna erhålla en hastighet mellan 50% till 80% av ljusets hastighet. I varje fall sparar bränsle för att sakta ner halverar maxhastigheten. Konceptet att använda ett magnetiskt segel för att bromsa rymdfarkosten när den närmar sig sin destination har diskuterats som ett alternativ till att använda drivmedel, detta skulle göra det möjligt för fartyget att resa nära den maximala teoretiska hastigheten., Alternativa mönster som använder liknande principer inkluderar Project Longshot, Project Daedalus och Mini-Mag Orion. Principen om extern kärnpulsdrift för att maximera överlevnadsförmågan har varit vanligt bland allvarliga begrepp för interstellär flygning utan extern strömstrålning och för mycket högpresterande interplanetär flygning.,

på 1970-talet förfinades Kärnpulsdrivningskonceptet ytterligare genom projekt Daedalus genom användning av externt utlöst tröghetsfusion, i detta fall som producerar fusionsexplosioner via komprimering av fusionsbränslepellets med högdrivna elektronstrålar. Sedan dess har lasrar, jonstrålar, neutrala partikelstrålar och hyperkinetiska projektiler föreslagits för att producera kärnpulser för framdrivning.,

ett nuvarande hinder för utvecklingen av alla kärnvapendrivna rymdfarkoster är 1963 Partial Test Ban-fördraget, vilket inkluderar ett förbud mot detonation av alla kärntekniska enheter (även icke-vapenbaserade) i yttre rymden. Detta fördrag skulle därför behöva omförhandlas, även om ett projekt på omfattningen av ett interstellärt uppdrag som använder för närvarande förutsebar teknik sannolikt skulle kräva internationellt samarbete på åtminstone omfattningen av den internationella rymdstationen.,

en annan fråga som ska beaktas, skulle vara G-krafterna förmedlas till en snabbt accelererad rymdfarkost, last och passagerare inuti (se tröghets negation).

Nuclear fusion rocketsEdit

Fusion Rocket starships, som drivs av kärnfusionsreaktioner, bör kunna nå hastigheter i storleksordningen 10% av ljusets, baserat på enbart energiöverväganden. I teorin kan ett stort antal steg driva ett fordon godtyckligt nära ljusets hastighet. Dessa skulle” bränna ” sådana lätta elementbränslen som deuterium, tritium, 3He, 11B och 7Li. eftersom fusion ger ca 0.,3-0, 9% av kärnbränslets massa som frigjord energi är det energiskt mer gynnsamt än fission, vilket släpper ut<0,1% av bränsleets massenergi. De maximala avgashastigheterna som potentiellt är energiskt tillgängliga är motsvarande högre än för fission, vanligtvis 4-10% av C. de lättast uppnåeliga fusionsreaktionerna frigör dock en stor del av sin energi som neutroner med hög energi, vilket är en signifikant källa till energiförlust., Även om dessa begrepp verkar erbjuda de bästa (närmaste) utsikterna för resor till närmaste stjärnor inom en (lång) mänsklig livstid, innebär de fortfarande massiva tekniska och tekniska svårigheter, vilket kan visa sig vara otänkbart i årtionden eller århundraden.

tidiga studier inkluderar Project Daedalus, utförd av British Interplanetary Society 1973-1978, och Project Longshot, ett studentprojekt sponsrat av NASA och US Naval Academy, färdigställdes 1988., Ett annat ganska detaljerat fordonssystem, ”Discovery II”, utformat och optimerat för besättning solsystemutforskning, baserat på d3he-reaktionen men med hjälp av väte som reaktionsmassa, har beskrivits av ett team från NASA: s Glenn Research Center. Det uppnår karakteristiska hastigheter på > 300 km / s med en acceleration på ~1.7•10-3 g, med en fartygs initialmassa på ~1700 ton och nyttolastfraktion över 10%., Även om dessa fortfarande är långt ifrån kraven för interstellära resor på mänskliga tidsskalor, verkar studien utgöra ett rimligt riktmärke mot vad som kan vara tillgängligt inom flera decennier,vilket inte är omöjligt utöver den nuvarande toppmoderna. Baserat på konceptets 2.2% burnup fraktion kan det uppnå en ren fusionsprodukt avgashastighet på ~3,000 km/S.

Antimatter rocketsEdit

en antimateria-raket skulle ha en mycket högre energitäthet och specifik impuls än någon annan föreslagen klass av raket. Om energiresurser och effektiva produktionsmetoder hittas för att göra antimateria i de kvantiteter som krävs och lagra det säkert, skulle det vara teoretiskt möjligt att nå hastigheter på flera tiotals procent av ljuset., Om antimateriaframdrivning kan leda till de högre hastigheterna (>90% av ljuset) vid vilken relativistisk tidsutvidgning skulle bli mer märkbar, vilket gör tiden passera i en långsammare takt för resenärerna som uppfattas av en utomstående observatör, är tveksamt på grund av den stora mängd antimateria som skulle krävas.

spekulerar att produktion och lagring av antimateria bör bli möjligt, ytterligare två frågor måste övervägas., För det första, i förintelsen av antimateria, förloras mycket av energin som gammastrålning med hög energi, och särskilt också som neutriner, så att endast cirka 40% av mc2 faktiskt skulle vara tillgänglig om antimaterien helt enkelt fick förinta i strålning termiskt. Ändå skulle den energi som är tillgänglig för framdrivning vara väsentligt högre än ~1% av mc2-utbytet av kärnfusion, den näst bästa rivaliserande kandidaten.

För det andra verkar värmeöverföring från avgaserna till fordonet sannolikt överföra enorm bortkastad energi till fartyget (t. ex. för 0,1 g skeppsacceleration, närmar sig 0.,3 biljoner watt per ton fartygsmassa), med tanke på den stora fraktionen av den energi som går in i penetrerande gammastrålar. Även om man antar att avskärmning tillhandahölls för att skydda nyttolasten (och passagerare på ett besättning fordon), skulle en del av energin oundvikligen värma fordonet och kan därmed visa sig vara en begränsande faktor om användbara accelerationer ska uppnås.,

Mer nyligen, Friedwardt Winterberg föreslagit att en materia-antimateria-GeV gamma ray laser photon raket är möjligt genom att en relativistisk proton-antiproton nypa ansvarsfrihet, där de rekyl från den laserstråle som sänds ut från Mössbauer effekt till rymdfarkosten.

raketer med en extern energikälla

raketer som härleder sin kraft från externa källor, till exempel en laser, kan ersätta sin interna energikälla med en energisamlare, vilket potentiellt minskar fartygets massa kraftigt och möjliggör mycket högre hastigheter. Geoffrey A., Landis har föreslagit en interstellär sond, med energi som levereras av en extern laser från en basstation som driver en Jonpropeller.

non-rocket conceptsEdit

ett problem med alla traditionella raketframdrivningsmetoder är att rymdfarkosten skulle behöva bära sitt bränsle med det, vilket gör det väldigt massivt, i enlighet med raketekvationen. Flera begrepp försöker fly från detta problem:

RF resonant cavity thrusterEdit

en radiofrekvens (RF) resonant cavity thruster är en enhet som påstås vara en rymdfarkost thruster., I 2016 rapporterade Advanced Propulsion Physics Laboratory vid NASA att observera en liten uppenbar dragkraft från ett sådant test, ett resultat som inte sedan replikeras. En av mönstren kallas EMDrive. I December 2002 beskrev Satellite Propulsion Research Ltd en fungerande prototyp med en påstådd total dragkraft på cirka 0.02 newtons som drivs av en 850 W-kavitetsmagnetron. Enheten kunde fungera i bara några dussin sekunder innan magnetronen misslyckades på grund av överhettning. Det senaste testet på EMDrive drog slutsatsen att det inte fungerar.,

Helical engineEdit

föreslagen 2019 av NASA-forskaren Dr.David Burns, skulle det spiralformiga motorkonceptet använda en partikelaccelerator för att accelerera partiklar till nära ljusets hastighet. Eftersom partiklar som reser med sådana hastigheter förvärvar mer massa, antas det att denna massförändring kan skapa acceleration. Enligt Burns kan rymdfarkosten teoretiskt nå 99% ljusets hastighet.

Interstellar ramjetsEdit

1960, Robert W., Bussard föreslog Bussard ramjet, en fusionsraket där en stor scoop skulle samla diffust väte i interstellärt utrymme, ”bränna” det i farten med hjälp av en proton-proton kedjereaktion och utvisa den ur ryggen. Senare beräkningar med mer exakta uppskattningar tyder på att den dragkraft som genereras skulle vara mindre än det drag som orsakas av någon tänkbar scoop design. Men tanken är attraktiv eftersom bränslet skulle samlas på väg (i proportion till begreppet energi skörd), så farkosten kan teoretiskt accelerera till nära ljusets hastighet., Begränsningen beror på det faktum att reaktionen endast kan accelerera drivmedlet till 0,12 C. sålunda dra för att fånga interstellärt damm och kraften att accelerera samma damm till 0,12 C skulle vara densamma när hastigheten är 0,12 C, vilket förhindrar ytterligare acceleration.

Beamed propulsionEdit

en lätt segel eller magnetisk segel som drivs av en massiv laser – eller partikelaccelerator i hemstjärnsystemet kan potentiellt nå ännu större hastigheter än raket-eller pulsdrivningsmetoder, eftersom det inte skulle behöva bära sin egen reaktionsmassa och därför bara skulle behöva accelerera farkostens nyttolast. Robert L. Forward föreslog ett medel för att bromsa en interstellär ljus segel på 30 kilometer i destinationsstjärnan systemet utan att kräva en laser array att vara närvarande i det systemet., I detta system utplaceras en sekundär segel på 100 kilometer på rymdfarkostens baksida, medan den stora primära seglen är fristående från farkosten för att fortsätta framåt på egen hand. Ljus reflekteras från den stora primära segel till den sekundära segel, som används för att bromsa den sekundära segel och rymdfarkosten nyttolast. År 2002 föreslog Geoffrey A. Landis från NASA: s Glen Research center också ett laserdrivet framdrivning, segelfartyg som skulle vara värd för en diamantsegel (av några nanometer tjock) som drivs med användning av solenergi., Med detta förslag skulle detta interstellära skepp teoretiskt kunna nå 10 procent ljusets hastighet. Det har också föreslagits att använda stråladdriven framdrivning för att accelerera en rymdfarkost, och elektromagnetisk framdrivning för att bromsa det; således, eliminera problemet att Bussard ramjet har med drag produceras under acceleration.,

ett magnetiskt segel kan också bromsa på sin destination utan beroende på transporterat bränsle eller en helljus i destinationssystemet, genom att interagera med plasman som finns i solvinden av destinationsstjärnan och det interstellära mediet.

Följande tabell visar några exempelkoncept med användning av strålad laserframdrivning som föreslagits av fysikern Robert L. framåt:

Interstellar travel catalog för att använda fotogravitational assists för en fullständig stopEdit

Följande tabell är baserad på arbete av Heller, Hippke och Kervella.,

• successiva assist vid α Cen A och B kan tillåta restider till 75 år till båda stjärnorna.
• Lightsail har ett nominellt mass-to-surface ratio (σnom) av 8.6×10-4 gram m−2 för en nominell grafen-klass segel.
• area of Lightsail, ca 105 m2 = (316 M)2
• hastighet upp till 37,300 km s−1 (12,5% c)

Pre-accelerated fuelEdit

uppnå start-stop interstellära tripptider på mindre än en mänsklig livstid kräver massförhållanden på mellan 1000 och 1.000.000, även för de närmare stjärnorna. Detta skulle kunna uppnås genom flera etapper av fordon i stor skala., Alternativt kan stora linjära acceleratorer driva bränsle till fission-drivna rymdfordon, vilket undviker begränsningarna i Raketekvationen.

teoretisk conceptsEdit

snabbare-än-ljus travelEdit

forskare och författare har postulerat ett antal sätt på vilka det kan vara möjligt att överträffa ljusets hastighet, men även de mest allvarliga av dessa är mycket spekulativa.

det är också diskutabelt om snabbare än lätt resa är fysiskt möjligt, delvis på grund av orsakssamband: resor snabbare än ljus kan under vissa förhållanden tillåta resor bakåt i tiden inom ramen för speciell relativitet., Föreslagna mekanismer för snabbare än lätta resor inom teorin om allmän relativitet kräver förekomsten av exotisk Materia och det är inte känt om detta skulle kunna produceras i tillräcklig mängd.,Alcubierre driveEdit

i fysik bygger Alcubierre drive på ett argument, inom ramen för allmän relativitet och utan införande av maskhål, att det är möjligt att ändra rymdtid på ett sätt som gör det möjligt för ett rymdskepp att resa med en godtyckligt stor hastighet genom en lokal expansion av rymdtiden bakom rymdskeppet och en motsatt sammandragning framför den. Detta koncept skulle dock kräva att rymdskeppet införlivar en region av exotisk materia eller hypotetiskt begrepp av negativ massa.,

artificiell svart holeEdit

en teoretisk idé för att möjliggöra interstellära resor är genom att driva ett rymdskepp genom att skapa ett artificiellt svart hål och använda en parabolisk reflektor för att återspegla dess Hawking strålning. Även om utöver nuvarande tekniska möjligheter, ett svart hål rymdskepp erbjuder vissa fördelar jämfört med andra möjliga metoder. Att få det svarta hålet att fungera som en kraftkälla och motor kräver också ett sätt att omvandla Hawking strålningen till energi och dragkraft., En potentiell metod innebär att hålet placeras vid brännpunkten för en parabolisk reflektor fäst vid fartyget, vilket skapar framåtriktad dragkraft. En något enklare, men mindre effektiv metod skulle innebära att helt enkelt absorbera all gammastrålning som går mot fartygets framsida för att driva den framåt och låta resten skjuta ut ryggen.

WormholesEdit

maskhål är förvrängningar i rumtiden som teoretiker postulerar kunde ansluta två godtyckliga punkter i universum, över en Einstein–Rosen-bro. Det är inte känt om maskhål är möjliga i praktiken., Även om det finns lösningar på Einsteins ekvation av allmän relativitet som möjliggör maskhål, innebär alla de för närvarande kända lösningarna ett visst antagande, till exempel förekomsten av negativ massa, vilket kan vara ofysiskt. Cramer et al. hävdar att sådana maskhål kan ha skapats i det tidiga universum, stabiliserat av kosmiska strängar. Den allmänna teorin om maskhål diskuteras av Visser i boken Lorentzian Maskhål.