Medzihviezdne cestovanie

Ťažkosti medzihviezdneho cestovania

Hlavným problémom medzihviezdneho cestovania sú obrovské vzdialenosti, ktoré je potrebné prekonať. To znamená, že je potrebná veľmi vysoká rýchlosť a/alebo veľmi dlhý čas cesty. Čas cesty s najreálnejšími spôsobmi pohonu by sa pohyboval od desaťročí po tisícročia.

Preto by medzihviezdna loď bola oveľa viac vystavená nebezpečenstvám, ktoré sa vyskytujú pri medziplanetárnom cestovaní, vrátane vákua, žiarenia, beztiaže a mikrometeoroidov. Pri vysokých rýchlostiach by do vozidla prenikalo množstvo mikroskopických častíc hmoty, pokiaľ by nebolo silne chránené. Nesenie štítu by výrazne zvýšilo problémy s pohonom.

Kozmické žiarenie

Kozmické žiarenie je veľmi zaujímavé, pretože mimo atmosféry a magnetického poľa neexistuje žiadna ochrana. Energie najenergetickejšieho ultravysokoenergetického kozmického žiarenia (UHECR) sa podľa pozorovaní blížia k 3 × 10 ²⁰eV, čo je približne 40-miliónový násobok energie častíc urýchlených Veľkým hadrónovým urýchľovačom. Najvyššia energia ultravysokoenergetického kozmického žiarenia 50 J je porovnateľná s kinetickou energiou bejzbalovej loptičky s rýchlosťou 90 kilometrov za hodinu (56 mph). Výsledkom týchto objavov je záujem o skúmanie kozmického žiarenia s ešte väčšími energiami. Väčšina kozmického žiarenia však nemá takú extrémnu energiu. Rozdelenie energie kozmického žiarenia dosahuje vrchol pri 0,3 gigaelektrónvoltov (4,8 ×⁻¹¹ 10 J).

Požadovaná energia

Významným faktorom je energia potrebná na primeraný čas jazdy. Dolnou hranicou potrebnej energie je kinetická energia K = ½ mv², kde m je konečná hmotnosť. Ak je požadované spomalenie pri príchode a nedá sa dosiahnuť iným spôsobom ako motormi lode, potom sa požadovaná energia minimálne zdvojnásobí, pretože energia potrebná na zastavenie lode sa rovná energii potrebnej na jej zrýchlenie na cestovnú rýchlosť.

Rýchlosť pre okružnú cestu s ľudskou posádkou k najbližšej hviezde trvajúcu niekoľko desaťročí je tisíckrát vyššia ako rýchlosť súčasných vesmírnych vozidiel. To znamená, že vzhľadom na ²člen v vo vzorci pre kinetickú energiu je potrebná miliónkrát väčšia energia. Na zrýchlenie jednej tony na desatinu rýchlosti svetla je potrebných najmenej 450 PJ alebo 4,5 ×10¹⁷ J alebo 125 miliárd kWh, bez započítania strát.

Zdroj energie sa musí prenášať, pretože solárne panely nefungujú ďaleko od Slnka a iných hviezd. Veľkosť tejto energie môže znemožniť medzihviezdne cestovanie. Jeden z inžinierov uviedol: "Na cestu (na Alfa Centauri) by bol potrebný najmenej stonásobok celkového energetického výkonu celého sveta [v danom roku]".

Medzihviezdne prostredie

medzihviezdny prach a plyn môžu spôsobiť značné poškodenie lode v dôsledku vysokých relatívnych rýchlostí a veľkých kinetických energií. Väčšie objekty (napríklad väčšie prachové zrná) sú oveľa menej časté, ale boli by oveľa ničivejšie. .

Čas cesty

Dlhé časy cestovania sťažujú navrhovanie pilotovaných misií. Ďalšiu výzvu predstavujú základné limity časopriestoru. Medzihviezdne cesty by bolo ťažké odôvodniť aj z ekonomických dôvodov.

Dá sa povedať, že medzihviezdna misia, ktorá sa nedá dokončiť do 50 rokov, by sa vôbec nemala začať. Namiesto toho by sa mali prostriedky investovať do návrhu lepšieho pohonného systému. Pomalú vesmírnu loď by totiž pravdepodobne predbehla iná misia vyslaná neskôr s pokročilejším pohonom.

Na druhej strane je preto možné začať misiu bezodkladne, pretože problémy, ktoré sa netýkajú pohonu, sa môžu ukázať ako zložitejšie ako problémy súvisiace s pohonom.

Medzigalaktické cestovanie zahŕňa vzdialenosti približne miliónkrát väčšie ako medzihviezdne vzdialenosti, takže je radikálne náročnejšie ako medzihviezdne cestovanie.

Kennedyho výpočet

Andrew Kennedy dokázal, že plavby, ktoré sa uskutočnia pred minimálnym časom čakania, predbehnú tie, ktoré odchádzajú v minimálnom čase, zatiaľ čo tie, ktoré odchádzajú po minimálnom čase, nikdy nepredbehnú tie, ktoré odišli v minimálnom čase.

Kennedyho výpočet závisí od r, priemerného ročného nárastu svetovej výroby energie. Z ľubovoľného bodu v čase do daného cieľa existuje minimum celkového času do cieľa. Cestujúci by pravdepodobne dorazili bez toho, aby ich predbehli neskorší cestujúci, ak by pred odchodom počkali určitý čas t. Vzťah medzi časom potrebným na dosiahnutie cieľa (teraz, T_now, alebo po čakaní, T_t, a rastom cestovnej rýchlosti je

T n o w T t = ( + 1r ) t {\displaystyle2 {\frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}}}

Na príklade cesty k Barnardovej hviezde, vzdialenej šesť svetelných rokov, Kennedy ukazuje, že pri priemernej svetovej ročnej miere hospodárskeho rastu 1,4 % a zodpovedajúcom raste cestovnej rýchlosti by sa ľudská civilizácia mohla dostať k hviezde najrýchlejšie za 1 110 rokov od roku 2007.

Medzihviezdne vzdialenosti

Astronomické vzdialenosti sa často merajú časom, ktorý by potreboval lúč svetla na prekonanie vzdialenosti medzi dvoma bodmi (pozri svetelný rok). Svetlo vo vákuu sa pohybuje rýchlosťou približne 300 000 kilometrov za sekundu alebo 186 000 míľ za sekundu.

Vzdialenosť Zeme od Mesiaca je 1,3 svetelnej sekundy. So súčasnými technológiami pohonu vesmírnych lodí môže plavidlo prekonať vzdialenosť zo Zeme na Mesiac približne za osem hodín (New Horizons). To znamená, že svetlo sa pohybuje približne tridsaťtisíckrát rýchlejšie ako súčasné technológie pohonu kozmických lodí. Vzdialenosť zo Zeme k iným planétam slnečnej sústavy sa pohybuje od troch svetelných minút do približne štyroch svetelných hodín. V závislosti od planéty a jej polohy voči Zemi budú tieto cesty pre typickú kozmickú loď bez posádky trvať od niekoľkých mesiacov do niečo vyše desaťročia. Vzdialenosť k iným hviezdam je oveľa väčšia. Ak sa vzdialenosť od Zeme k Slnku zmenší na jeden meter, vzdialenosť k Alfa Centauri A by bola 271 kilometrov alebo približne 169 míľ.

Najbližšia známa hviezda k Slnku je Proxima Centauri, ktorá je vzdialená 4,23 svetelných rokov. Zatiaľ najrýchlejšie vyslaná sonda Voyager 1 prekonala za 30 rokov 1/600 svetelného roka a v súčasnosti sa pohybuje rýchlosťou 1/18 000 rýchlosti svetla. Pri tejto rýchlosti by cesta k Proxime Centauri trvala 72 000 rokov. Samozrejme, táto misia nebola špeciálne určená na rýchle cestovanie ku hviezdam a súčasná technológia by to zvládla oveľa lepšie. Čas cesty by sa dal skrátiť na niekoľko tisícročí pomocou slnečných plachiet alebo na storočie či menej pomocou jadrového impulzného pohonu.

Špeciálna teória relativity ponúka možnosť skrátenia času cestovania: ak by vesmírna loď s dostatočne vyspelými motormi mohla dosiahnuť rýchlosť blízku rýchlosti svetla, relativistická dilatácia času by cestu pre cestujúceho výrazne skrátila. Z pohľadu ľudí, ktorí zostávajú na Zemi, by však stále trvalo mnoho rokov uplynutého času. Po návrate na Zem by cestovatelia zistili, že na Zemi uplynulo oveľa viac času ako u nich (paradox dvojčiat).

Mnohé problémy by sa vyriešili, keby existovali červie diery. Všeobecná teória relativity ich nevylučuje, ale pokiaľ vieme, v súčasnosti neexistujú.

Komunikácia

Oneskorenie je minimálny čas medzi signálom sondy, ktorý dorazí na Zem, a časom, keď sonda dostane pokyny zo Zeme. Vzhľadom na to, že informácie sa nemôžu šíriť rýchlejšie ako rýchlosťou svetla, je to v prípade Voyageru 1 približne 32 hodín, v blízkosti Proximy Centauri by to bolo 8 rokov. Rýchlejšie reakcie by museli byť naprogramované tak, aby sa vykonávali automaticky. Samozrejme, v prípade pilotovaného letu môže posádka na svoje pozorovania reagovať okamžite. Avšak čas oneskorenia pri spiatočnej ceste ich robí nielen extrémne vzdialenými, ale z hľadiska komunikácie aj extrémne izolovanými od Zeme. Ďalším faktorom je energia potrebná na spoľahlivé doručenie medzihviezdnej komunikácie. Je zrejmé, že plyn a častice by znehodnotili signál (medzihviezdne vyhasínanie) a energia dostupná na vyslanie signálu by bola obmedzená.

Misie s posádkou

Hmotnosť akéhokoľvek plavidla schopného prepravovať ľudí by bola nevyhnutne podstatne väčšia ako hmotnosť potrebná pre medzihviezdnu sondu bez posádky. Výrazne dlhšie cestovanie by si vyžadovalo systém podpory života. Prvé medzihviezdne misie pravdepodobne nebudú niesť formy života.

Hlavné ciele pre medzihviezdne cestovanie

Vo vzdialenosti do 20 svetelných rokov od Slnka je známych 59 hviezdnych systémov, ktoré obsahujú 81 viditeľných hviezd. Za hlavné ciele medzihviezdnych misií možno považovať tieto: Radiačné nebezpečenstvo by vylúčilo akékoľvek organické bytosti z expedície na Sírius. V každom prípade je ťažké predstaviť si vôbec nejaké expedície s ľudskou posádkou vzhľadom na pravdepodobný čas cesty.

Pravdepodobne najpravdepodobnejším časom pre medzihviezdne cestovanie by bolo, keby hviezda prešla cez náš Oortov oblak. Mali by sme na to mať dostatočný časový predstih 10 000 rokov, takže by sme mohli túto udalosť podrobne naplánovať. Pozrite si Scholzovu hviezdu, keď cez ňu prešla naposledy.

Hviezdny systém	Vzdialenosť (ly)	Poznámky
Alfa Centauri	4.3	Najbližší systém. Tri hviezdy (G2, K1, M5). Zložka A je podobná Slnku (hviezda G2). Alfa Centauri B má jednu potvrdenú planétu.
Barnardova hviezda	6.0	Malý červený trpaslík M5 s nízkou svietivosťou. Ďalší najbližší k Slnečnej sústave.
Sirius	8.7	Veľká, veľmi jasná hviezda A1 so spoločníkom bielym trpaslíkom.
Epsilon Eridani	10.8	Jedna hviezda K2 o niečo menšia a chladnejšia ako Slnko. Má dva pásy asteroidov, môže mať jednu obrovskú a jednu oveľa menšiu planétu a môže mať planetárny systém typu slnečnej sústavy.
Tau Ceti	11.8	Jediná hviezda G8 podobná Slnku. Vysoká pravdepodobnosť, že má planetárny systém typu slnečnej sústavy: súčasné dôkazy ukazujú na 5 planét a potenciálne dve v obývateľnej zóne.
Gliese 581	20.3	Systém viacerých planét. Nepotvrdená exoplanéta Gliese 581 g a potvrdená exoplanéta Gliese 581 d sa nachádzajú v obývateľnej zóne hviezdy.
Vega	25.0	Najmenej jedna planéta, ktorá má vhodný vek na to, aby sa na nej vyvinul primitívny život.

Súčasná a blízka astronomická technológia je schopná nájsť planetárne systémy okolo týchto objektov, čím sa zvyšuje ich potenciál pre výskum.