Cinematica dei voli interstellari

Supponiamo che il volo di andata e il volo di ritorno consistano di tre fasi: accelerazione uniformemente accelerata, volo a velocità costante e decelerazione uniformemente accelerata.

L'ora propria di qualsiasi orologio ha la forma:

dov'è la velocità di questo orologio? Gli orologi terrestri sono immobili () e il loro tempo proprio è uguale al tempo delle coordinate. Gli orologi degli astronauti hanno velocità variabile. Poiché la radice dell'integrale rimane sempre inferiore all'unità, il tempo di questi orologi, indipendentemente dalla forma esplicita della funzione, risulta sempre inferiore. Di conseguenza.

Se l'accelerazione e la decelerazione sono accelerate relativisticamente in modo uniforme (con il parametro di autoaccelerazione) durante , e il movimento uniforme è , allora secondo l'orologio della nave il tempo passerà:

, dove è l'arcoseno iperbolico

Considera un ipotetico volo verso il sistema stellare Alpha Centauri, distante dalla Terra a una distanza di 4,3 anni luce. Se il tempo viene misurato in anni e le distanze in anni luce, la velocità della luce è uguale all'unità e l'accelerazione unitaria per anno/anno² è vicina all'accelerazione di gravità ed è pari a circa 9,5 m/s².

Lascia che la navicella si muova per metà del percorso con accelerazione unitaria e che rallenti per la seconda metà con la stessa accelerazione (). La nave quindi si gira e ripete le fasi di accelerazione e decelerazione. 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. La velocità massima della nave raggiungerà 0,95 della velocità della luce.

In 64 anni, un veicolo spaziale con accelerazione unitaria potrebbe potenzialmente viaggiare (ritornando sulla Terra) nella galassia di Andromeda, a 2,5 milioni di anni luce di distanza. anni . Durante un simile volo passeranno circa 5 milioni di anni sulla Terra. Sviluppando il doppio dell'accelerazione (a cui una persona addestrata può facilmente abituarsi se vengono soddisfatte una serie di condizioni e vengono utilizzati un numero di dispositivi, ad esempio l'animazione sospesa), si può persino pensare a una spedizione al limite visibile dell'Universo (circa 14 miliardi di anni luce), che impiegheranno ai cosmonauti circa 50 anni; Tuttavia, al ritorno da una simile spedizione (dopo 28 miliardi di anni secondo l'orologio terrestre), i suoi partecipanti rischiano di non trovare vivi non solo la Terra e il Sole, ma anche la nostra Galassia. Sulla base di questi calcoli, affinché gli astronauti possano evitare futuri shock al ritorno sulla Terra, il ragionevole raggio di accessibilità per le spedizioni di ritorno interstellare non dovrebbe superare diverse decine di anni luce, a meno che, ovviamente, non vengano adottati principi fisici fondamentalmente nuovi di movimento nello spazio. -time vengono scoperti. Tuttavia, la scoperta di numerosi esopianeti dà motivo di credere che i sistemi planetari si trovino vicino a una percentuale sufficientemente grande di stelle, quindi gli astronauti avranno qualcosa da esplorare in questo raggio (ad esempio, i sistemi planetari ε Eridani e Gliese 581).

Idoneità di vari tipi di motori per i voli interstellari

L'idoneità di vari tipi di motori per il volo interstellare fu considerata in una riunione della British Interplanetary Society nel 1973 da Tony Martin. Il motore a razzo elettrico a propulsione nucleare ha poca accelerazione, quindi ci vorranno secoli per raggiungere la velocità desiderata, consentendone l'utilizzo solo nelle navi di generazione. I motori nucleari termici del tipo NERVA hanno una quantità di spinta sufficiente, ma una bassa velocità di scarico della massa di lavoro, circa 5-10 km/sec, quindi è necessaria un'enorme quantità di carburante per accelerare alla velocità richiesta. Pertanto, una nave con un tale motore sarà diversi ordini di grandezza più lenta di una nave con un motore a propulsione elettrica. Un volo verso una stella vicina su una nave del genere richiederà decine e centinaia di migliaia di migliaia di anni (un volo verso Alpha Centauri a una velocità di 30 km/sec richiederà 40mila anni). Un motore ramjet richiederebbe un imbuto di enorme diametro per raccogliere l’idrogeno interstellare rarefatto, che ha una densità di 1 atomo per centimetro cubo. Se si utilizzasse un campo elettromagnetico super potente per raccogliere l’idrogeno interstellare, i carichi di forza sulla bobina generatrice sarebbero così grandi che superarli sembra improbabile anche per la tecnologia futura.

Progetti di spedizioni interstellari

Progetti di astronavi-razzi

Progetto "Orione"

La nave spaziale del progetto Daedalus si è rivelata così grande che avrebbe dovuto essere costruita nello spazio. Doveva pesare 54.000 tonnellate (quasi tutto il peso è costituito da carburante per missili) e poteva accelerare fino al 7,1% della velocità della luce, trasportando un carico utile di 450 tonnellate. A differenza del progetto Orion, progettato per utilizzare minuscole bombe atomiche, il progetto Daedalus prevedeva l'uso di bombe all'idrogeno in miniatura con una miscela di deuterio ed elio-3 e un sistema di accensione che utilizzava fasci di elettroni. Ma enormi problemi tecnici e preoccupazioni sulla propulsione nucleare hanno fatto sì che anche il progetto Daedalus fosse accantonato a tempo indeterminato.

Le idee tecnologiche di Daedalus furono utilizzate nel progetto dell'astronave termonucleare Icarus.

Progetti di astronavi, la cui propulsione è la pressione delle onde elettromagnetiche.

Nel 1971, in una relazione di G. Marx al simposio a Byurakan, fu proposto di utilizzare i laser a raggi X per i viaggi interstellari. La possibilità di utilizzare questo tipo di propulsione fu successivamente studiata dalla NASA. Di conseguenza, è stata fatta la seguente conclusione: "Se viene trovata la possibilità di creare un laser che opera nella gamma di lunghezze d'onda dei raggi X, allora possiamo parlare del reale sviluppo di un aereo (accelerato dal raggio di tale laser) che sarà in grado di coprire le distanze dalle stelle più vicine molto più velocemente di tutti i sistemi a razzo attualmente conosciuti. I calcoli mostrano che utilizzando il sistema spaziale considerato in questo lavoro, è possibile raggiungere la stella Alpha Centauri... in circa 10 anni."

Nel 1985, R. Forward propose il progetto di una sonda interstellare accelerata dall'energia delle microonde. Il progetto prevedeva che la sonda raggiungesse le stelle più vicine in 21 anni.

Al 36 ° Congresso Astronomico Internazionale è stato proposto un progetto per un'astronave laser, il cui movimento è fornito dall'energia dei 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.

Il vantaggio di una barca a vela solare è che non c'è carburante a bordo. Il suo svantaggio è l'impossibilità di utilizzare una vela per tornare sulla Terra, quindi è utile per lanciare sonde automatiche, stazioni e navi mercantili, ma è di scarsa utilità per i voli di ritorno con equipaggio (altrimenti gli astronauti dovranno prendere un secondo laser con un riserva di carburante per l'installazione a destinazione, che di fatto annulla tutti i vantaggi di una barca a vela).

Motori di annientamento

I calcoli teorici dei fisici americani Ronan Keane e Wei-ming Zhang mostrano che, sulla base delle moderne tecnologie, è possibile creare un motore di annientamento in grado di accelerare un veicolo spaziale al 70% della velocità della luce. Il motore proposto è più veloce di altri sviluppi teorici grazie ad uno speciale design degli ugelli. Tuttavia, i problemi principali nella creazione di razzi annientatori ( Inglese) con tali motori avviene la produzione della quantità necessaria di antimateria, nonché il suo stoccaggio. A partire da maggio 2011, il tempo record di conservazione degli atomi di antiidrogeno era di 1000 secondi (~ 16,5 minuti). Una stima della NASA del 2006 stimava che produrre un milligrammo di positroni costasse circa 25 milioni di dollari. Secondo una stima del 1999, un grammo di antiidrogeno costerebbe 62,5 trilioni di dollari.

Motori Ramjet alimentati da idrogeno interstellare

Il componente principale della massa dei razzi moderni è la massa di carburante richiesta dal razzo per l'accelerazione. Se potessimo in qualche modo utilizzare l'ambiente circostante il razzo come fluido di lavoro e carburante, potremmo ridurre significativamente la massa del razzo e quindi raggiungere velocità elevate.

Un altro svantaggio di un motore ramjet termonucleare è la velocità limitata che una nave equipaggiata con esso può raggiungere (non più di 0,119 C= 35,7 mila km/s). Ciò è dovuto al fatto che catturando ciascun atomo di idrogeno (che, in prima approssimazione, può essere considerato immobile rispetto alle stelle), la nave perde un certo slancio, che può essere compensato dalla spinta del motore solo se la velocità non superare un certo limite. Per superare questa limitazione è necessario sfruttare il più completamente possibile l'energia cinetica degli atomi catturati, il che sembra essere un compito piuttosto difficile.

Diciamo che lo schermo ha catturato 4 atomi di idrogeno. Quando un reattore a fusione funziona, quattro protoni vengono convertiti in una particella alfa, due positroni e due neutrini. Per semplicità, trascureremo i neutrini (tenere conto dei neutrini richiederà un calcolo accurato di tutti gli stadi della reazione e le perdite dovute ai neutrini sono circa l'1%) e annichileremo i positroni con 2 elettroni rimanenti dagli atomi di idrogeno dopo aver rimosso i protoni da essi . Altri 2 elettroni verranno utilizzati per trasformare la particella alfa in un atomo di elio neutro che, grazie all'energia ricevuta dalla reazione, verrà accelerato nell'ugello del motore.

L'equazione finale della reazione senza tener conto dei neutrini:

4modifica] Motore fotonico su monopoli magnetici

Se sono valide alcune varianti delle teorie della Grande Unificazione, come il modello di Hooft-Polyakov, allora è possibile costruire un motore fotonico che non utilizzi antimateria, poiché un monopolo magnetico può ipoteticamente catalizzare il decadimento di un protone in un positrone e un Mesone π 0:

π 0 decade rapidamente in 2 fotoni e il positrone si annichila con l'elettrone, di conseguenza l'atomo di idrogeno si trasforma in 4 fotoni e solo il problema dello specchio rimane irrisolto.

Un motore fotonico basato su monopoli magnetici potrebbe anche funzionare in un circuito a flusso diretto.

Allo stesso tempo, la maggior parte delle moderne teorie della Grande Unificazione non includono i monopoli magnetici, il che mette in dubbio questa idea attraente.

Sistemi di frenatura delle navi interstellari

Sono stati proposti diversi metodi:

1. Frenata su fonti interne - razzo

2. Frenata dovuta ad un raggio laser inviato dal Sistema Solare.

3. Frenatura del campo magnetico utilizzando la Vela Magnetica di Zubrin su superconduttori.

Navi di generazione

Il viaggio interstellare è possibile anche utilizzando astronavi che implementano il concetto di “navi generazionali” (ad esempio, come le colonie di O’Neill). In tali astronavi viene creata e mantenuta una biosfera chiusa, capace di mantenersi e riprodursi per diverse migliaia di anni. Il volo avviene a bassa velocità e richiede molto tempo, durante il quale molte generazioni di astronauti riescono a cambiare.

Rischi ambientali

Questo problema è stato esaminato in dettaglio da Ivan Korznikov nell'articolo "La realtà dei voli interstellari". La collisione con la polvere interstellare avverrà a velocità prossime alla luce e l’impatto fisico assomiglierà a micro-esplosioni. A velocità superiori a 0,1 C, lo schermo protettivo deve avere uno spessore di decine di metri e una massa di centinaia di migliaia di tonnellate. Ma questo schermo proteggerà in modo affidabile solo dalla polvere interstellare. Una collisione con un meteorite avrà conseguenze fatali. Ivan Korznikov calcola che a una velocità superiore a 0,1 C, la navicella spaziale non avrà il tempo di cambiare la traiettoria di volo ed evitare una collisione. Ivan Korznikov ritiene che a velocità subluce la navicella collasserà prima di raggiungere il suo obiettivo. A suo avviso, i viaggi interstellari sono possibili solo a velocità notevolmente inferiori (fino a 0,01 C).

Energia e risorse

Il volo interstellare richiederà grandi riserve di energia e risorse che dovranno essere portate con sé. Questo è uno dei problemi poco studiati nell’astronautica interstellare.

Ad esempio, il progetto più sviluppato fino ad oggi, "Daedalus", con un motore termonucleare a impulsi, raggiungerebbe la stella di Barnard (sei anni luce) in mezzo secolo, spendendo 50mila tonnellate di combustibile termonucleare (una miscela di deuterio ed elio-3). e consegnare una massa utile di 4mila tonnellate alle tonnellate target

“Tecnologia per i giovani” 1991 n. 10, pp. 18-19

Tribuna delle ipotesi ardite

Vladimir ATSEUKOVSKY,
Candidato di Scienze Tecniche,
Zhukovsky, regione di Mosca.

Il viaggio interstellare è possibile?

La stampa è stata travolta da un'ondata di notizie sugli UFO. Testimoni oculari affermano di aver visto un UFO chiaramente creato dall'uomo. Non hanno dubbi di aver osservato astronavi di civiltà aliene. Tuttavia, la nostra coscienza rifiuta di accettarlo: per i pianeti del sistema solare, la presenza di civiltà diverse dalla Terra è quasi impossibile, perché su di essi non ci sono le condizioni per la vita, almeno sulla loro superficie. Forse sotto la superficie? Improbabile, anche se...

E sui pianeti di altri sistemi può esserci vita, ma è molto lontana da loro: le 28 stelle più vicine si trovano nell'intervallo da 4 (Centauri più vicino) a 13 anni luce (stella di Kapteyn). Stelle come Sirio A e B, Procione A e B, Tau Ceti si trovano all'interno di questo intervallo. Non vicino! Se le navi volano avanti e indietro alla velocità della luce, impiegheranno dagli 8 ai 26 anni in entrambe le direzioni, e questo vale solo per le stelle più vicine. Senza contare il tempo di accelerazione e decelerazione. Questo non è consigliabile, il che significa che devi volare più veloce della luce.

Bene, stimiamo quanto tempo ci vorrà per accelerare a tali velocità (e frenare). Per motivi di chiarezza, i risultati sono riassunti in una tabella, dalla quale è possibile risalire immediatamente al tempo necessario per raggiungere una determinata velocità con una determinata accelerazione. Si scopre: se assumiamo che la durata consentita di un viaggio di sola andata sia pari a un mese, allora è necessario volare a una velocità dell'ordine di molte decine di quella della luce e accelerare (e decelerare) con l'accelerazione di molte centinaia di accelerazioni terrene. Hmmm!.. E per tutto questo dobbiamo ancora trovare energia da qualche parte! Inevitabilmente ci si chiede: i voli interstellari sono fattibili? Ma allora da dove vengono gli UFO? Inoltre, si comportano in modo provocatorio: scompaiono all'improvviso, manovrano ad angolo retto, emettono qualcosa... E se...

Dopotutto, di cosa abbiamo bisogno, dopo tutto? Basta rispondere a tre domande:

1. In linea di principio è possibile volare a velocità superiori a quella della luce? (A scuola mi hanno insegnato a non farlo.)

2. È possibile accelerare fortemente senza distruggere il corpo? (Secondo i concetti moderni, già un sovraccarico di 10 volte è il massimo consentito.)

3. È possibile ottenere energia per l'accelerazione e la frenata? (I calcoli mostrano che per questo non è sufficiente l’energia termonucleare.)

Stranamente, tutte le domande, nonostante le note scettiche tra parentesi, hanno già oggi risposte positive. È impossibile volare a velocità superiori a quella della luce solo a causa del divieto imposto da A. Einstein. Ma perché mai la sua teoria della relatività è elevata al rango di verità assoluta? Dopotutto, deriva da postulati, cioè da invenzioni dell'autore, che si basano a loro volta su premesse false. Ad esempio, nel 1887, nel famoso esperimento di Michelson, fu scoperto il vento etereo, sebbene la sua grandezza si rivelò inferiore al previsto (allora il concetto di strato limite non era noto). Che succede? Da un lato, la SRT – la teoria speciale della relatività – non può esistere se esiste l’etere. D'altronde la GTR - la teoria generale della relatività - come scrisse lo stesso Einstein negli articoli “Sull'etere” e “L'etere e la teoria della relatività”, presuppone sempre la presenza dell'etere. Come comprendere questa contraddizione?

La mia revisione critica di tutti i principali esperimenti su SRT e GTR (vedi "Fondamenti logici e sperimentali della teoria della relatività. Revisione analitica." M., MPI, 1990, 56 pp.) ha mostrato che tra questi non ci sono conferme inequivocabili di ciò teoria! Ecco perché qui può essere scontato e non preso in considerazione. Inoltre P. Laplace ha anche stabilito che la velocità di propagazione delle perturbazioni gravitazionali è ben 50 milioni di volte superiore alla velocità della luce, e tutta l'esperienza della meccanica celeste, che opera esclusivamente con formule statiche che presuppongono una velocità infinitamente grande di propagazione della gravità, lo conferma. Insomma, non c’è nessun divieto sulle velocità sub-luce, si è trattato di un falso allarme.

Passiamo alla seconda domanda. Consideriamo come accelera un astronauta? I gas del razzo premono sulla parete della camera di combustione, che preme sul razzo, il razzo preme sullo schienale della sedia e lo schienale della sedia lo preme. E il corpo, l'intera massa dell'astronauta, che cerca di rimanere a riposo, si deforma e sotto forti influenze può collassare. Ma se lo stesso astronauta cadesse nel campo gravitazionale di una stella, anche se accelererebbe molto più velocemente, non subirebbe alcuna deformazione, perché tutti gli elementi del suo corpo vengono accelerati simultaneamente e allo stesso tempo. La stessa cosa accadrà se soffierai etere su un astronauta. In questo caso, il flusso di etere - un vero gas viscoso - accelererà ciascun protone e l'astronauta nel suo insieme, senza deformare il corpo (ricordate il romanzo di fantascienza di A. Belyaev “Ariel”). Inoltre l'accelerazione può assumere qualunque valore, purché il flusso sia uniforme. Quindi anche qui ci sono delle opportunità.

E infine, da dove prendi l’energia? Secondo i miei dati (vedi "Dinamica generale dell'etere. Modellazione delle strutture della materia e dei campi sulla base di idee sull'etere simile al gas." M., Energoatomizdat, 1990, 280 pp), l'etere è un gas reale di struttura fine, comprimibile e viscoso. È vero, la sua viscosità è piuttosto piccola e questo non ha praticamente alcun effetto sulla decelerazione dei pianeti, ma alle alte velocità gioca un ruolo molto evidente. La pressione dell'etere è enorme, più di 2 x 10 pollici 29 atm (2 x 10 pollici 32 N/mq), densità - 8,85 x 10 pollici - 12 kg/cubico. m (nello spazio vicino alla Terra). E come si è scoperto, c'è un processo naturale in esso che può fornirci una quantità illimitata di energia in qualsiasi punto dello spazio in porzioni di qualsiasi dimensione... Stiamo parlando di vortici.

Da dove prendono la loro energia cinetica i normali tornado? Si forma spontaneamente dall'energia potenziale dell'atmosfera. E nota: se quest'ultimo è praticamente impossibile da utilizzare, il primo può essere utilizzato, ad esempio, costringendo un tornado a ruotare una turbina. Tutti sanno che un tornado assomiglia a un tronco, più spesso alla base. L'analisi di questa circostanza ha mostrato che è compresso dalla pressione atmosferica. La pressione esterna fa sì che le particelle di gas nel corpo di un tornado si muovano a spirale durante il processo di compressione. La differenza nelle forze di pressione - esterna e interna (più forza centrifuga) fornisce una proiezione della forza risultante sulla traiettoria delle particelle di gas (Fig. 1) e le fa accelerare nel corpo del tornado. Diventa più sottile e la velocità di movimento della sua parete aumenta. In questo caso vale la legge di conservazione del momento angolare mrv = const, e più il tornado è compresso, maggiore è la velocità del movimento. Pertanto, l'intera atmosfera del pianeta funziona su ogni tornado; La sua energia si basa sulla densità dell'aria pari a 1 kg/metro cubo. m, ed una pressione pari a 1 atm (10 in 5 N/mq). E nell'etere, la densità è inferiore di 11 ordini di grandezza, ma la pressione è maggiore di 29 (!) ordini di grandezza. E anche l'etere ha un proprio meccanismo in grado di fornire energia. Questo è BL, fulmine globulare.

Il modello etere-dinamico di BL è l'unico (!) capace di spiegare tutte le sue caratteristiche nella totalità. E ciò che manca oggi per ottenere energia ecologica dall’etere è imparare a creare CMM artificiali. Naturalmente, dopo impareremo come creare le condizioni per la formazione di vortici nell'etere. Ma non solo non sappiamo come farlo, ma non sappiamo nemmeno in che modo affrontarlo. Un osso estremamente duro da spezzare! Una cosa è incoraggiante: dopo tutto, la natura riesce in qualche modo a crearle, queste CMM! E se è così, forse un giorno anche noi saremo in grado di farcela. E poi non ci sarà più bisogno di tutti i tipi di centrali nucleari, centrali idroelettriche, centrali termiche, centrali termiche, centrali eoliche, centrali solari e altre centrali elettriche. Avendo la quantità desiderata di energia in qualsiasi luogo, l'umanità si avvicinerà alla risoluzione dei problemi ambientali in un modo completamente diverso. Naturalmente, a condizione che dovrà vivere in pace sul suo pianeta, e che diavolo, non solo la sua Terra natale verrà distrutta, ma anche l'intero sistema solare! Vedi, con l'energia il problema può essere risolto. Allo stesso tempo, presta attenzione a un dettaglio importante: con questo metodo non sarà necessario accelerare e rallentare la massa di carburante, che ora determina in gran parte la massa della nave.

Ebbene, che dire della nave interstellare stessa, come dovrebbe essere progettata? Sì, almeno nella forma del già familiare “disco volante”. (Fig. 2.) Nella sua parte anteriore ci sono due “prese di etere” che assorbono l'etere dallo spazio circostante. Dietro di loro si trovano camere di formazione di vortici, nelle quali l'etere scorre in modo vorticoso e autocompattante. Proseguendo lungo i condotti del vortice, i tornado eterei vengono convogliati nella camera di annichilazione, dove (con movimenti identici delle viti, ma diretti nella direzione opposta; si annientano a vicenda con l'aratro. L'etere addensato non è più trattenuto dallo strato limite e esplode, disperdendosi in tutte le direzioni. La corrente a getto viene lanciata indietro e in avanti: un flusso che cattura l'intera nave e il corpo dell'astronauta, che accelera senza deformarsi. E la nave vola davanti alla luce, nello spazio euclideo ordinario e nel tempo ordinario ...

Ma che dire dei paradossi dei gemelli, dell'aumento di massa e della riduzione della lunghezza? Ma assolutamente no. Postulati - sono postulati - libere invenzioni, frutti di libera immaginazione. E devono essere messi da parte insieme alla “teoria” che li ha generati. Perché se è giunto il momento per l’umanità di risolvere i problemi applicati, allora nessuna autorità gonfiata con le sue barriere speculative arrivate dal nulla dovrebbe fermarla.

Nota: I libri menzionati possono essere ordinati all'indirizzo: 140160, Zhukovsky, regione di Mosca, casella postale 285.

Il 12 aprile 2016, il famoso fisico britannico Stephen Hawking e l’uomo d’affari e filantropo russo Yuri Milner hanno annunciato lo stanziamento di 100 milioni di dollari per finanziare il progetto Starshot rivoluzionario. L'obiettivo del progetto era sviluppare tecnologie per la creazione di veicoli spaziali in grado di effettuare un volo interstellare verso Alpha Centauri.

Migliaia di romanzi di fantascienza descrivono astronavi fotoniche giganti delle dimensioni di una piccola (o grande) città, in partenza per il volo interstellare dall'orbita del nostro pianeta (meno spesso, dalla superficie della Terra). Ma secondo gli autori del progetto Starshot rivoluzionario, tutto accadrà in modo completamente diverso: in un giorno significativo duemila anni, non uno o due, ma centinaia e migliaia di piccole astronavi delle dimensioni di un'unghia e del peso di 1 g si lanceranno verso una delle stelle più vicine, Alpha Centauri. E ognuno di loro avrà una sottile vela solare con una superficie di 16 m 2, che trasporterà l'astronave con una velocità sempre maggiore in avanti, verso le stelle.

"Sparato alle stelle"

La base del progetto Starshot rivoluzionario era un articolo del professore di fisica della UC Santa Barbara Philip Lubin, "A Plan for Interstellar Flight" ( Una tabella di marcia per il volo interstellare). L'obiettivo principale dichiarato del progetto è rendere possibili i voli interstellari nell'arco della vita della prossima generazione di persone, cioè non tra secoli, ma tra decenni.

Subito dopo l'annuncio ufficiale del programma Colpo di stella Gli autori del progetto sono stati colpiti da un'ondata di critiche da parte di scienziati e specialisti tecnici in vari campi. Gli esperti critici hanno notato numerose valutazioni errate e semplici “lacune” nel piano del programma. Alcuni commenti sono stati presi in considerazione e il piano di volo è stato leggermente modificato nella prima iterazione.

Quindi, la sonda interstellare sarà una barca a vela spaziale con un modulo elettronico StarChip del peso di 1 g, collegata tramite cinghie resistenti ad una vela solare con una superficie di 16 m 2, uno spessore di 100 nm e una massa di 1 g Naturalmente, la luce del nostro Sole non è sufficiente per accelerare anche una struttura così leggera a velocità alle quali il viaggio interstellare non durerà per millenni. Pertanto, il clou principale del progetto StarShot- Si tratta di un'accelerazione che utilizza una potente radiazione laser focalizzata sulla vela. Lubin stima che con una potenza del raggio laser di 50-100 GW l'accelerazione sarà di circa 30.000 g e in pochi minuti la sonda raggiungerà la velocità del 20% della luce. Il volo verso Alpha Centauri durerà circa 20 anni.

Domande senza risposta: un'ondata di critiche

Philip Lubin nel suo articolo fornisce stime numeriche dei punti del piano, ma molti scienziati e specialisti sono molto critici nei confronti di questi dati.

Naturalmente, per sviluppare un progetto così ambizioso come Starshot rivoluzionario, ci vogliono anni di lavoro e 100 milioni di dollari non sono una somma così grande per un lavoro di questa portata. Ciò vale soprattutto per le infrastrutture di terra: una serie graduale di emettitori laser. L'installazione di una tale capacità (50-100 GW) richiederà una quantità enorme di energia, vale a dire che nelle vicinanze dovranno essere costruite almeno una dozzina di grandi centrali elettriche. Inoltre, sarà necessario rimuovere un'enorme quantità di calore dagli emettitori nell'arco di diversi minuti e come farlo non è ancora del tutto chiaro. Ci sono domande senza risposta nel progetto Starshot rivoluzionario una quantità enorme, ma finora il lavoro è appena iniziato.

"Il consiglio scientifico del nostro progetto comprende esperti, scienziati e ingegneri di spicco in vari campi rilevanti, tra cui due premi Nobel", afferma Yuri Milner. - E ho sentito valutazioni molto equilibrate sulla fattibilità di questo progetto. Nel fare ciò, facciamo certamente affidamento sulle competenze combinate di tutti i membri del nostro consiglio scientifico, ma allo stesso tempo siamo aperti a una discussione scientifica più ampia”.

Sotto le vele stellate

Uno dei dettagli chiave del progetto è la vela solare. Nella versione originale, la superficie velica era inizialmente di solo 1 m 2 e, per questo motivo, non poteva sopportare il riscaldamento durante l'accelerazione nel campo delle radiazioni laser. La nuova versione utilizza una vela con una superficie di 16 m2, quindi il regime termico, sebbene piuttosto rigido, ma, secondo le stime preliminari, non dovrebbe sciogliere o distruggere la vela. Come scrive lo stesso Philip Lubin, si prevede di utilizzare come base per la vela non rivestimenti metallizzati, ma specchi multistrato completamente dielettrici: “Tali materiali sono caratterizzati da un coefficiente di riflessione moderato e da un assorbimento estremamente basso. Diciamo che i vetri ottici per fibra ottica sono progettati per flussi luminosi elevati e hanno un assorbimento di circa venti trilionesimi per 1 micron di spessore”. Non è facile ottenere un buon coefficiente di riflessione da un dielettrico con uno spessore della vela di 100 nm, che è molto inferiore alla lunghezza d'onda. Ma gli autori del progetto nutrono qualche speranza nell'utilizzo di nuovi approcci, come monostrati di metamateriale con un indice di rifrazione negativo.

Vela solare

Uno degli elementi principali del progetto è una vela solare con una superficie di 16 m2 e una massa di solo 1 g. Il materiale della vela è costituito da specchi dielettrici multistrato che riflettono il 99,999% della luce incidente (secondo i calcoli preliminari, questo dovrebbe essere sufficiente per evitare che la vela si sciolga in un campo di radiazione laser da 100 GW). Un approccio più promettente, che rende possibile rendere lo spessore della vela inferiore alla lunghezza d'onda della luce riflessa, consiste nell'utilizzare come base della vela un monostrato di metamateriale con un indice di rifrazione negativo (tale materiale ha anche nanoperforazione, che ne riduce ulteriormente la massa). La seconda opzione è quella di utilizzare un materiale non con un elevato coefficiente di riflessione, ma con un basso coefficiente di assorbimento (10 −9), come i materiali ottici per guide luminose.

"Bisogna anche considerare che la riflessione degli specchi dielettrici è sintonizzata su una gamma ristretta di lunghezze d'onda e, quando la sonda accelera, l'effetto Doppler sposta la lunghezza d'onda di oltre il 20%", afferma Lubin. - Ne abbiamo tenuto conto, quindi il riflettore verrà regolato su circa il venti percento della larghezza di banda della radiazione. Abbiamo progettato tali riflettori. Se necessario, sono disponibili anche riflettori con larghezze di banda maggiori.”

Macchina laser

La centrale elettrica principale dell'astronave non volerà verso le stelle: si troverà sulla Terra. Si tratta di un Phased Array di emettitori laser a terra che misura 1×1 km. La potenza totale del laser dovrebbe essere compresa tra 50 e 100 GW (equivalente alla potenza di 10-20 centrali idroelettriche di Krasnoyarsk). Si suppone che utilizzi la fasatura (cioè la modifica delle fasi su ogni singolo emettitore) per focalizzare la radiazione con una lunghezza d'onda di 1,06 μm dall'intero reticolo in un punto con un diametro di diversi metri a distanze fino a molti milioni di chilometri (il la precisione massima di messa a fuoco è di 10 −9 radianti). Ma tale messa a fuoco è fortemente ostacolata dall’atmosfera turbolenta, che offusca il raggio in un punto delle dimensioni di circa un secondo d’arco (10 −5 radianti). Si prevede che si otterranno miglioramenti di quattro ordini di grandezza utilizzando l’ottica adattiva (AO), che compenserà le distorsioni atmosferiche. I migliori sistemi di ottica adattiva nei telescopi moderni riducono la sfocatura a 30 milliarcosecondi, il che significa che mancano ancora circa due ordini e mezzo di grandezza al bersaglio previsto. "Per superare la turbolenza atmosferica su piccola scala, il Phased Array deve essere suddiviso in elementi molto piccoli, la dimensione dell'elemento emittente per la nostra lunghezza d'onda non dovrebbe essere superiore a 20-25 cm", spiega Philip Lubin. - Si tratta di almeno 20 milioni di emettitori, ma questo numero non mi spaventa. Per il feedback nel sistema AO, prevediamo di utilizzare molte fonti di riferimento - fari - sia sulla sonda, sulla nave madre e nell'atmosfera. Inoltre, seguiremo la sonda nel suo percorso verso il bersaglio. Vogliamo anche usare le stelle come boa per regolare la fase della schiera quando riceviamo il segnale dalla sonda all’arrivo, ma per essere sicuri seguiremo la sonda”.

Arrivo

Ma poi la sonda è arrivata nel sistema Alpha Centauri, ha fotografato i dintorni del sistema e del pianeta (se ce ne sono). Queste informazioni devono essere in qualche modo trasmesse alla Terra e la potenza del trasmettitore laser della sonda è limitata a pochi watt. E dopo cinque anni, questo debole segnale deve essere ricevuto sulla Terra, isolando le stelle dalla radiazione di fondo. Secondo gli autori del progetto, la sonda manovra verso il bersaglio in modo tale che la vela si trasformi in una lente di Fresnel, focalizzando il segnale della sonda in direzione della Terra. Si stima che una lente ideale con messa a fuoco e orientamento ideali amplifica un segnale da 1 W a 10 13 W isotropici equivalenti. Ma come possiamo considerare questo segnale sullo sfondo di una radiazione molto più potente (di 13-14 ordini di grandezza!) proveniente dalla stella? “La luce della stella è in realtà piuttosto debole perché la larghezza della linea del nostro laser è molto piccola. Una linea stretta è un fattore chiave per ridurre lo sfondo, afferma Lubin. - L'idea di realizzare una lente di Fresnel da una vela basata su un elemento diffrattivo a film sottile è piuttosto complessa e richiede molto lavoro preliminare per capire esattamente come farlo al meglio. Questo punto è in realtà uno dei principali nel nostro piano di progetto”.

Il volo interstellare non è questione di secoli, ma di decenni

Yuri Milner ,
Imprenditore e filantropo russo,
Fondatore di iniziative rivoluzionarie:

Negli ultimi 15 anni si sono verificati progressi significativi, si potrebbe dire rivoluzionari, in tre aree tecnologiche: miniaturizzazione dei componenti elettronici, creazione di una nuova generazione di materiali, nonché riduzione dei costi e aumento della potenza del laser. La combinazione di queste tre tendenze porta alla possibilità teorica di accelerare un nanosatellite a velocità quasi relativistiche. Nella prima fase (5-10 anni), prevediamo di condurre uno studio scientifico e ingegneristico più approfondito per capire quanto sia fattibile questo progetto. Sul sito del progetto c'è un elenco di circa 20 problemi tecnici gravi, senza i quali non potremo andare avanti. Questo non è un elenco definitivo, ma sulla base del parere del consiglio scientifico, riteniamo che la prima fase del progetto abbia una motivazione sufficiente. So che il progetto Star sail è soggetto a serie critiche da parte degli esperti, ma penso che la posizione di alcuni esperti critici sia associata a una comprensione non del tutto accurata di ciò che stiamo realmente proponendo. Non stiamo finanziando un volo verso un’altra stella, ma piuttosto sviluppi multiuso realistici legati all’idea di una sonda interstellare solo in una direzione generale. Queste tecnologie verranno utilizzate sia per i voli nel sistema solare che per la protezione dagli asteroidi pericolosi. Ma fissare un obiettivo strategico così ambizioso come il volo interstellare sembra giustificato, nel senso che lo sviluppo della tecnologia negli ultimi 10-20 anni rende probabilmente la realizzazione di un tale progetto non una questione di secoli, come molti pensavano, ma piuttosto di decenni.

D’altro canto, un sistema a fasi di emettitori ottici/ricevitori di radiazioni con un’apertura totale di un chilometro è uno strumento in grado di vedere esopianeti da distanze di decine di parsec. Utilizzando ricevitori a lunghezza d'onda sintonizzabile, è possibile determinare la composizione dell'atmosfera degli esopianeti. Le sonde sono davvero necessarie in questo caso? “Certamente, l’utilizzo di un Phased Array come un telescopio molto grande apre nuove possibilità in astronomia. Ma, aggiunge Lubin, prevediamo di aggiungere uno spettrometro a infrarossi alla sonda come programma a lungo termine oltre alla fotocamera e ad altri sensori. Abbiamo un grande gruppo di fotonica presso l’UC Santa Barbara che fa parte della collaborazione”.

Ma in ogni caso, secondo Lubin, i primi voli verranno effettuati all'interno del sistema solare: “Poiché possiamo inviare un numero enorme di sonde, questo ci offre molte possibilità diverse. Possiamo anche inviare piccoli simili ( su scala wafer, cioè su un chip) sonde su razzi convenzionali e utilizzano le stesse tecnologie per studiare la Terra o i pianeti e i loro satelliti nel sistema solare."

I redattori ringraziano il quotidiano “Troitsky Option - Science” e il suo caporedattore Boris Stern per il loro aiuto nella preparazione dell'articolo.

Il volo interstellare è un viaggio tra le stelle effettuato da veicoli con equipaggio o stazioni automatiche. Molto spesso, il volo interstellare si riferisce al viaggio con equipaggio, a volte con la possibile colonizzazione di pianeti extrasolari.

La costruzione di uno squadrone di navi interstellari inizierà nei punti Lagrange del sistema Terra-Luna (punti di equilibrio gravitazionale). I materiali, per la maggior parte, possono essere consegnati dalle basi lunari: ad esempio, i contenitori con essi vengono sparati da cannoni elettromagnetici e catturati da speciali stazioni trappola nell'area di costruzione. Il motore di una nave interstellare deve avere lo stesso ordine di potenza di tutta l'energia consumata oggi dall'umanità. Sulla base delle tecnologie e delle capacità delle risorse prevedibili, è possibile fornire uno schema dei futuri viaggi interstellari.

Quando si considera un veicolo spaziale per qualsiasi scopo, è conveniente dividerlo in due parti: il sistema di propulsione e il carico utile. Per sistema di propulsione si intendono solitamente non solo i motori stessi, ma anche i serbatoi del carburante e le necessarie strutture di potenza. Per quanto riguarda i problemi dei viaggi interstellari, è il sistema di propulsione il fattore chiave che determina la fattibilità del progetto. Tuttavia, i problemi legati alla creazione di un sistema di propulsione vanno oltre lo scopo di questa considerazione. Ciò che è importante per noi ora è che esistano tecnologie che, nel corso del loro sviluppo, possano diventare accettabili per i voli interstellari. Qui la tecnologia che utilizza la fusione termonucleare inerziale per la propulsione dei razzi viene al primo posto. L'impianto americano NIF (National Ignition Facility), del valore di 3,5 miliardi di dollari, per la ricerca sulla fusione termonucleare laser, ha già ottenuto risultati che indicano che secondo questo principio è possibile creare un motore a razzo. Un'installazione ancora più potente di questo tipo è in costruzione vicino a Sarov. Queste installazioni somigliano poco ai motori a razzo, ma se le "tagliamo" approssimativamente a metà, eliminiamo le fondamenta, i muri e molte attrezzature non necessarie nello spazio, otterremo un motore a razzo che può essere aggiornato alla versione interstellare. Senza entrare nei dettagli, notiamo che tali motori saranno necessariamente grandi, pesanti e molto potenti. Il motore di una nave interstellare deve avere lo stesso ordine di potenza di tutta l'energia consumata oggi dall'umanità. Avendo un motore del genere (e se non esiste un motore del genere, non c'è niente di cui parlare), puoi sentirti più libero quando consideri i parametri del carico utile. Per analogia, se un ciclista nota già 50 kg in più, una locomotiva diesel non noterà nemmeno le 50 tonnellate in più.

Armati di questa comprensione, possiamo provare a immaginare la prima spedizione interstellare. In questo caso si dovranno utilizzare i risultati di calcoli e stime effettuate, ma che qui, per ovvi motivi, non possono essere riprodotti.

La costruzione di uno squadrone di navi interstellari inizierà nei punti Lagrange del sistema Terra-Luna (punti di equilibrio gravitazionale). I materiali, per la maggior parte, possono essere consegnati dalle basi lunari: ad esempio, i contenitori con essi vengono sparati da cannoni elettromagnetici e catturati da speciali stazioni trappola nell'area di costruzione.

Una nave significa centinaia di migliaia di tonnellate di carico utile, milioni di tonnellate di motori, decine di milioni di tonnellate di carburante. I numeri possono intimidire, ma per evitare di spaventarsi troppo, possono essere paragonati ad altri grandi progetti di costruzione. Molto tempo fa, in 20 anni, fu costruita la piramide di Cheope che pesava più di 6 milioni di tonnellate. O già ai nostri tempi: in Canada nel 1965 fu costruita North Dame Island. Sono stati necessari solo 15 milioni di tonnellate di terreno e la costruzione ha richiesto solo 10 mesi. La più grande nave marittima, Knock Nevis, aveva un dislocamento di 825.614 tonnellate. La costruzione nello spazio ha le sue difficoltà specifiche, ma presenta anche alcuni vantaggi, ad esempio l'alleggerimento degli elementi di potenza dovuto all'assenza di gravità, la virtuale assenza di restrizioni su massa e dimensioni (sulla Terra, una struttura sufficientemente grande semplicemente si schiaccerà).

Circa il 95% della massa della nave interstellare sarà costituito da combustibile termonucleare. Probabilmente utilizzerà idrogeno di boro, il carburante sarà solido, non saranno necessari serbatoi, il che migliora notevolmente le caratteristiche della nave e ne facilita la costruzione. È meglio raccogliere i boroidruri non nel sistema Terra-Luna, ma da qualche parte lontano dal Sole, ad esempio nel sistema di Saturno, per evitare perdite dovute alla sublimazione. Il tempo di costruzione può essere stimato in diversi decenni. Il periodo non è così lungo e inoltre gli stessi costruttori svolgeranno contemporaneamente altri lavori nell'ambito dello sviluppo del sistema solare. È meglio iniziare la costruzione con la costruzione dei blocchi residenziali della nave, in cui vivranno costruttori e altri specialisti. Allo stesso tempo, durante la costruzione e l'accumulo di carburante, la stabilità del sistema di supporto vitale chiuso sarà messa alla prova per decenni.

Un sistema di supporto vitale chiuso è probabilmente il secondo problema più difficile dopo il problema al motore. Una persona consuma circa 5 kg di acqua, cibo e aria al giorno; se porti tutto con te, avrai bisogno di più di 200mila tonnellate di provviste. La soluzione è riutilizzare le risorse come avviene sul pianeta Terra.

L'intera scala delle distanze di volo interstellari può essere sperimentata solo se consideriamo i mezzi per effettuare tali voli. Naturalmente, tale considerazione non è intesa a “sentire la distanza”. Né può essere considerato come il progetto di un progetto specifico di navi interstellari. Lo studio dei viaggi interstellari oggi è di natura ingegneristica e teorica. È impossibile dimostrare l'impossibilità dei voli interstellari, ma nessuno è riuscito a dimostrarne la fattibilità. L'uscita dalla situazione non è facile: è necessario proporre un progetto per navi interstellari che sia accettato come fattibile dalla comunità ingegneristica e scientifica.

Sono esclusi i voli di singole navi interstellari, che sono la regola nella letteratura di fantascienza; sono possibili i voli di solo uno squadrone di navi, circa una dozzina di veicoli. Questo è un requisito di sicurezza e, inoltre, garantisce anche la diversità della vita attraverso la comunicazione tra gli equipaggi di diverse navi.

Una volta completata la costruzione dello squadrone, questo si sposta nelle riserve di carburante immagazzinate, vi attracca e parte. A quanto pare, l'accelerazione sarà molto lenta e nel giro di un anno o due altri dispositivi mobili potranno lanciare sulle navi ciò che hanno dimenticato e far decollare chi ha cambiato idea.

Il volo durerà 100-150 anni. Accelerazione lenta con un'accelerazione di circa un centesimo di quella terrestre in un periodo di dieci anni, decine di anni di volo per inerzia e decelerazione leggermente più rapida dell'accelerazione. Una rapida accelerazione ridurrebbe significativamente il tempo di volo, ma ciò non è possibile a causa della massa inevitabilmente grande del sistema di propulsione.

Il volo non sarà pieno di avventure spaziali come descritto nella letteratura di fantascienza. Non ci sono praticamente minacce esterne. Nuvole di polvere cosmica, turbolenze nello spazio, lacune nel tempo: tutti questi accessori non rappresentano una minaccia a causa della loro assenza. Anche i meteoriti banali sono estremamente rari nello spazio interstellare. Il principale problema esterno è la radiazione cosmica galattica, i raggi cosmici. Si tratta di un flusso isotropo di nuclei di elementi dotati di elevata energia e, quindi, di elevata capacità di penetrazione. Sulla Terra siamo protetti da essi attraverso l'atmosfera e il campo magnetico; nello spazio, se il volo è lungo, dobbiamo adottare misure particolari, schermando la zona abitativa della nave in modo che la dose di radiazioni cosmiche non superi di molto il livello terreno. Una semplice tecnica di progettazione aiuterà qui: le riserve di carburante (e sono molto grandi) si trovano attorno agli scompartimenti abitativi e le proteggono dalle radiazioni per la maggior parte del tempo di volo.

Soltanto nella nostra Galassia, le distanze tra i sistemi stellari sono inimmaginabilmente vaste. Se gli alieni provenienti dallo spazio visitassero davvero la Terra, il livello del loro sviluppo tecnico dovrebbe essere cento volte superiore al livello attuale del nostro sulla Terra.

Diversi anni luce di distanza

Per indicare le distanze tra le stelle gli astronomi introdussero il concetto di “anno luce”. La velocità della luce è la più veloce dell'Universo: 300.000 km/s!

La larghezza della nostra Galassia è di 100.000 anni luce. Per coprire una distanza così grande, gli alieni provenienti da altri pianeti devono costruire un'astronave la cui velocità sia pari o addirittura superiore a quella della luce.

Gli scienziati ritengono che un oggetto materiale non possa muoversi più velocemente della velocità della luce. Tuttavia, in precedenza credevano che fosse impossibile sviluppare la velocità supersonica, ma nel 1947 l'aereo modello Bell X-1 ruppe con successo la barriera del suono.

Forse in futuro, quando l'umanità avrà accumulato maggiori conoscenze sulle leggi fisiche dell'Universo, i terrestri saranno in grado di costruire un'astronave che si muoverà alla velocità della luce e anche più velocemente.

Grandi viaggi

Anche se gli alieni fossero in grado di viaggiare nello spazio alla velocità della luce, un viaggio del genere richiederebbe molti anni. Per i terrestri, la cui aspettativa di vita è in media di 80 anni, questo sarebbe impossibile. Tuttavia, ogni specie di esseri viventi ha il proprio ciclo vitale. Ad esempio, in California, negli Stati Uniti, ci sono pini bristlecone che hanno già 5000 anni.

Chissà quanti anni vivono gli alieni? Forse diverse migliaia? Quindi per loro sono comuni voli interstellari della durata di centinaia di anni.

Percorsi più brevi

È probabile che gli alieni abbiano trovato scorciatoie attraverso lo spazio: "buchi" gravitazionali o distorsioni dello spazio formate dalla gravità. Tali luoghi nell'Universo potrebbero diventare una sorta di ponti: i percorsi più brevi tra i corpi celesti situati alle diverse estremità dell'Universo.