La resplendor freda de les estrelles és especialment bonica al cel d’hivern. En aquest moment, es fan visibles les estrelles i les constel·lacions més brillants: Orió, Plèiades, Gos major amb Sirius enlluernador …
Fa un quart de segle, set suboficials de l'Acadèmia Naval van fer una pregunta inusual: fins a quin punt la humanitat moderna està a prop de les estrelles? La investigació va donar lloc a un informe detallat conegut com a Projecte Longshot (Long Range Shot). Un concepte d’embarcació interestel·lar automàtica capaç d’arribar a les estrelles més properes en un temps raonable. Sense mil·lennis de vol i "vaixells de generacions"! La sonda hauria d’arribar als voltants d’Alfa Centauri en un termini de 100 anys des del moment del seu llançament a l’espai.
Hiperespai, gravetat, antimatèria i coets fotònics … No! La principal característica del projecte és la seva dependència de les tecnologies existents. Segons els desenvolupadors, el disseny Longshot permet construir una nau espacial ja a la primera meitat del segle XXI.
Cent anys de vol amb les tecnologies existents. Una audàcia inaudita, atesa l’escala de les distàncies còsmiques. Entre el Sol i l'Alfa Centauri hi ha un "abisme negre" de 4, 36 sv d'ample. de l'any. Més de 40 bilions quilòmetres! El significat monstruós d’aquesta figura queda clar en l’exemple següent.
Si reduïm la mida del Sol a la mida d’una pilota de tennis, tot el sistema solar s’adaptarà a la Plaça Roja. La mida de la Terra a l’escala seleccionada disminuirà fins a la mida d’un gra de sorra, mentre que la "pilota de tennis" més propera, Alpha Centauri, estarà a la plaça de Sant Marc de Venècia.
Un vol a Alpha Centauri en una nau Shuttle o Soyuz convencional trigaria 190.000 anys.
Un diagnòstic terrible sembla una frase. Estem condemnats a seure al nostre "gra de sorra", sense tenir la menor possibilitat d'arribar a les estrelles? A les revistes de divulgació científica, hi ha càlculs que demostren que és impossible accelerar una nau espacial a velocitats properes a la llum. Això requerirà "cremar" tota la matèria del sistema solar.
I, tanmateix, hi ha una oportunitat! Project Longshot ha demostrat que les estrelles estan molt més a prop del que podem imaginar.
Al casc del Voyager hi ha una placa amb un mapa de púlsar que mostra la ubicació del Sol a la galàxia, així com informació detallada sobre els habitants de la Terra. S'espera que els extraterrestres algun dia trobin aquesta "destral de pedra" i ens vinguin a visitar. Però, si recordem les peculiaritats del comportament de totes les civilitzacions tecnològiques a la Terra i la història de les conquestes nord-americanes per part dels conquistadors, no es pot comptar amb un "contacte pacífic" …
La missió de l'expedició
Arribeu al sistema Alpha Centauri en cent anys.
A diferència d'altres "vaixells estel·lars" ("Dèdal"), el projecte "Longshot" implicava entrar a l'òrbita del sistema estel·lar (Alpha i Beta Centauri). Això va complicar significativament la tasca i va allargar el temps de vol, però permetria un estudi detallat de la proximitat d’estrelles llunyanes (a diferència del Dèdal, que hauria passat corrent per davant de l’objectiu en un dia i desaparegut sense deixar rastre a les profunditats de l’espai).
El vol trigarà 100 anys. Es necessitaran altres 4, 36 anys per transferir informació a la Terra.
Alpha Centauri en comparació amb el sistema solar
Els astrònoms estan posant grans esperances en el projecte; si tenen èxit, tindran un instrument fantàstic per mesurar paral·làxiques (distàncies a altres estrelles) amb una base de 4, 36 sv. de l'any.
Un vol centenari durant la nit tampoc passarà sense sentit: el dispositiu estudiarà el medi interestel·lar i ampliarà el nostre coneixement dels límits exteriors del sistema solar.
Tir a les estrelles
El principal i únic problema del viatge espacial són les distàncies colossals. Un cop resolt aquest problema, resoldrem la resta. La reducció del temps de vol eliminarà el problema d’una font d’energia a llarg termini i l’alta fiabilitat dels sistemes del vaixell. El problema de la presència d’una persona a bord es resoldrà. El vol curt fa innecessaris sistemes de suport a la vida complexes i subministraments gegantins de menjar / aigua / aire a bord.
Però es tracta de somnis llunyans. En aquest cas, és necessari lliurar una sonda no tripulada a les estrelles en un segle. No sabem com trencar el continu espai-temps, per tant, només hi ha una sortida: augmentar la velocitat terrestre de la "nau estel·lar".
Com es va demostrar en el càlcul, un vol a Alpha Centauri en 100 anys requereix una velocitat d'almenys el 4,5% de la velocitat de la llum. 13500 km / s.
No hi ha prohibicions fonamentals que permetin que els cossos del macrocosmos es moguin a la velocitat indicada, no obstant això, el seu valor és monstruosament gran. En comparació: la velocitat de la sonda més ràpida (sonda "New Horizons") després d'apagar l'etapa superior va ser "només" de 16,26 km / s (58636 km / h) en relació amb la Terra.
Nau estel·lar de concepte de tir llarg
Com accelerar un vaixell interestel·lar a velocitats de milers de km / s? La resposta és òbvia: es necessita un motor d’alta empenta amb un impuls específic d’almenys 1.000.000 de segons.
L’impuls específic és un indicador de l’eficiència d’un motor a reacció. Depèn del pes molecular, la temperatura i la pressió del gas a la cambra de combustió. Com més gran sigui la diferència de pressió a la cambra de combustió i a l’ambient extern, major serà la velocitat de sortida del fluid de treball. I, per tant, l’eficiència del motor és superior.
Els millors exemples de motors de reacció elèctrics moderns (ERE) tenen un impuls específic de 10.000 s; a una velocitat de sortida de feixos de partícules carregades - fins a 100.000 km / s. El consum del fluid de treball (xenó / criptó) és d’uns quants mil·ligrams per segon. El motor tarareja tranquil·lament durant tot el vol, accelerant lentament l’embarcació.
Els EJE captiven amb la seva relativa simplicitat, baix cost i el potencial per aconseguir velocitats elevades (desenes de km / s), però a causa del baix valor d’empenta (menys d’un Newton), l’acceleració pot trigar anys.
Una altra cosa són els motors de coets químics, sobre els quals descansa tota la cosmonautica moderna. Tenen una empenta enorme (desenes i centenars de tones), però l’impuls específic màxim d’un motor coet de tres components amb combustible líquid (liti / hidrogen / fluor) és de només 542 s, amb una velocitat de sortida de gas de poc més de 5 km / s. Aquest és el límit.
Els coets de combustible líquid permeten augmentar la velocitat de la nau espacial en diversos km / s en poc temps, però no són capaços de més. La nau estel·lar necessitarà un motor basat en diferents principis físics.
Els creadors de "Longshot" han considerat diverses maneres exòtiques, incl. "Vela lleugera", accelerada per un làser amb una potència de 3, 5 terawatts (es va reconèixer el mètode com a inviable).
Fins ara, l’única manera realista d’arribar a les estrelles és un motor nuclear de pulsació (termonuclear). El principi de funcionament es basa en la fusió termonuclear làser (LTS), ben estudiat en condicions de laboratori. Concentració d’una gran quantitat d’energia en petits volums de matèria en un curt període de temps (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) amb confinament plasmàtic inercial.
En el cas de Longshot, no hi ha dubte de cap reacció estable de fusió termonuclear controlada: no es requereix confinament plasmàtic a llarg termini. Per crear empenta a raig, el coàgul resultant d'alta temperatura ha de ser immediatament "empès" pel camp magnètic que hi ha a la borda del vaixell.
El combustible és una barreja d’heli-3 / deuteri. El subministrament de combustible necessari per a un vol interestel·lar serà de 264 tones.
De manera similar, es preveu aconseguir una eficiència sense precedents: en els càlculs, el valor de l’impuls específic és d’1,02 milions.segons!
Com a principal font d’energia per alimentar els sistemes del vaixell (làsers de motors polsats, sistemes de control d’actitud, comunicacions i instruments científics), es va triar un reactor convencional basat en conjunts de combustible d’urani. La potència elèctrica de la instal·lació ha de ser com a mínim de 300 kW (la potència tèrmica és gairebé un ordre de magnitud superior).
Des del punt de vista de la tecnologia moderna, la creació d’un reactor que no requereix recàrrega durant tot un segle no és fàcil, però és possible a la pràctica. Ara, en els vaixells de guerra, s’utilitzen sistemes nuclears, el nucli dels quals té una vida útil proporcional a la vida útil dels vaixells (30-50 anys). La potència també està completament en ordre; per exemple, la instal·lació nuclear OK-650 instal·lada als submarins nuclears de la Marina russa té una capacitat tèrmica de 190 megawatts i és capaç de subministrar electricitat a tota una ciutat amb una població de 50.000 habitants.
Aquestes instal·lacions són excessivament potents per a l’espai. Això requereix compacitat i un compliment precís de les característiques especificades. Per exemple, el 10 de juliol de 1987 es va llançar Kosmos-1867, un satèl·lit soviètic amb la instal·lació nuclear de Yenisei (massa del satèl·lit - 1,5 tones, potència tèrmica del reactor - 150 kW, potència elèctrica - 6, 6 kW, vida útil - 11 mesos).
Això significa que el reactor de 300 kW utilitzat en el projecte Longshot és una qüestió de futur proper. Els mateixos enginyers van calcular que la massa d’aquest reactor seria d’unes 6 tones.
En realitat, aquí és on acaba la física i comencen les lletres.
Problemes de viatges interestel·lars
Per controlar la sonda, es necessitarà un complex d’ordinadors a bord amb la intel·ligència artificial. En condicions en què el temps de transmissió del senyal és superior a 4 anys, el control efectiu de la sonda des del terra és impossible.
En el camp de la microelectrònica i la creació de dispositius de recerca, recentment s’han produït canvis a gran escala. És poc probable que els creadors de Longshot el 1987 tinguessin cap idea de les capacitats dels ordinadors moderns. Es pot considerar que aquest problema tècnic s'ha resolt amb èxit durant l'últim quart de segle.
La situació dels sistemes de comunicació sembla igual d’optimista. Per a una transmissió fiable d’informació des d’una distància de 4, 36 sv. l'any requerirà un sistema de làsers que funcioni a la vall de l'ona de 0,532 micres i amb una potència de radiació de 250 kW. En aquest cas, per a cada casella. El metre de la superfície terrestre caurà 222 fotons per segon, molt més que el llindar de sensibilitat dels radiotelescopis moderns. La velocitat de transferència d’informació des de la distància màxima serà d’1 kbps. Els moderns radiotelescopis i els sistemes de comunicació espacial són capaços d’ampliar el canal d’intercanvi de dades diverses vegades.
En comparació: la potència del transmissor de la sonda Voyager 1, que actualment es troba a una distància de 19.000 milions de km del Sol (17,5 hores de llum), és de només 23 W, com una bombeta de la nevera. Tanmateix, això és suficient per a la transmissió de telemetria a la Terra a una velocitat de diversos kbit / s.
Una línia separada és la qüestió de la termoregulació del vaixell.
Un reactor nuclear de classe megawatt i un motor termonuclear polsat són fonts d’una quantitat d’energia tèrmica colossal, a més, al buit només hi ha dues maneres d’eliminar la calor: l’ablació i la radiació.
La solució pot ser instal·lar un sistema avançat de radiadors i superfícies radiants, així com un amortidor de ceràmica aïllant tèrmicament entre el compartiment del motor i els dipòsits de combustible del vaixell.
A la fase inicial del viatge, el vaixell necessitarà un escut protector addicional contra la radiació solar (similar al que s’utilitza a l’estació orbital Skylab). A la zona de l'objectiu final, en òrbita de l'estrella Beta Centauri, també hi haurà perill de sobreescalfament de la sonda. Es requereix aïllament tèrmic d’equips i un sistema per transferir l’excés de calor de tots els blocs i instruments científics importants a radiadors radiants.
Un gràfic de l’acceleració del vaixell al llarg del temps
Gràfic que mostra el canvi de velocitat
El problema de protegir la nau espacial de micrometeorits i partícules de pols còsmica és extremadament difícil. A una velocitat del 4,5% de la velocitat de la llum, qualsevol col·lisió amb un objecte microscòpic pot danyar greument la sonda. Els creadors de "Longshot" proposen solucionar el problema instal·lant un potent escut protector a la part davantera del vaixell (metall? Ceràmica?), Que al mateix temps era un radiador d'excés de calor.
Quina fiabilitat té aquesta protecció? I és possible utilitzar sistemes de protecció de ciència-ficció en forma de camps de força / magnètics o "núvols" de partícules microdispersades subjectes per un camp magnètic davant del vaixell? Esperem que en el moment de la creació de la nau estel·lar, els enginyers trobin una solució adequada.
Pel que fa a la pròpia sonda, tindrà tradicionalment una disposició de diverses etapes amb tancs desmuntables. Material de fabricació d’estructures de casc: aliatges d’alumini / titani. La massa total de la nau espacial reunida en òrbita terrestre baixa serà de 396 tones, amb una longitud màxima de 65 metres.
A tall de comparació: la massa de l’Estació Espacial Internacional és de 417 tones amb una longitud de 109 metres.
1) Inicieu la configuració en òrbita terrestre baixa.
2) 33è any de vol, separació del primer parell de tancs.
3) 67è any de vol, separació del segon parell de tancs.
4) 100è any de vol: arribada a l'objectiu a una velocitat de 15-30 km / s.
Separació de l'última etapa, entrant en una òrbita permanent al voltant de Beta Centauri.
Igual que l'ISS, el Longshot es pot muntar utilitzant el mètode de bloqueig en òrbita terrestre baixa. Les dimensions realistes de la nau permeten utilitzar vehicles de llançament existents en el procés de muntatge (per comparació, el poderós Saturn-V pot transportar una càrrega de 120 tones a LEO alhora).
Cal tenir en compte que llançar un motor termonuclear de polsos en òrbita propera a la terra és massa arriscat i descuidat. El projecte Longshot preveia la presència de blocs de reforç addicionals (motors de coets químics de propulsió líquida) per obtenir la segona i la tercera velocitat còsmica i retirar la nau espacial del pla de l’eclíptica (el sistema Alpha Centauri es troba a 61 ° sobre el pla de rotació de la Terra al voltant del Sol). A més, és possible que amb aquest propòsit es justifiqui una maniobra en el camp gravitatori de Júpiter, com les sondes espacials que van aconseguir escapar del pla de l’eclíptica, mitjançant l’acceleració “lliure” a les rodalies del planeta gegant.
Epíleg
Totes les tecnologies i components d’un hipotètic vaixell interestel·lar existeixen a la realitat.
El pes i les dimensions de la sonda Longshot corresponen a les capacitats de la cosmonautica moderna.
Si comencem a treballar avui, és molt probable que a mitjan segle XXII els nostres besnéts feliços vegin les primeres imatges del sistema Alpha Centauri de molt a prop.
El progrés té una direcció irreversible: cada dia la vida ens continua sorprenent amb nous invents i descobriments. És possible que en 10-20 anys apareguin totes les tecnologies descrites anteriorment en forma de mostres de treball fetes a un nou nivell tecnològic.
I, tanmateix, el camí cap a les estrelles és massa llarg perquè no tingui sentit parlar-ne seriosament.
El lector atent probablement ja ha cridat l’atenció sobre el problema clau del projecte Longshot. Heli-3.
D’on obtenir cent tones d’aquesta substància, si la producció anual d’heli-3 és de només 60.000 litres (8 quilograms) a l’any a un preu de fins a 2.000 dòlars per litre? Els valents escriptors de ciència ficció confien en la producció d’heli-3 a la Lluna i a l’atmosfera de planetes gegants, però ningú no pot donar garanties al respecte.
Hi ha dubtes sobre la possibilitat d'emmagatzemar aquest volum de combustible i el seu subministrament dosificat en forma de "pastilles" congelades necessàries per alimentar un motor termonuclear de polsos. Tanmateix, com el mateix principi de funcionament del motor: el que més o menys funciona en condicions de laboratori a la Terra encara està lluny d’utilitzar-se a l’espai exterior.
Finalment, la fiabilitat sense precedents de tots els sistemes de sonda. Els participants al projecte Longshot escriuen directament sobre això: la creació d’un motor que pugui funcionar durant 100 anys sense parar ni reparacions importants serà un avenç tècnic increïble. El mateix s'aplica a tots els altres sistemes i mecanismes de sonda.
Tot i això, no us heu de desesperar. A la història de l’astronàutica, hi ha exemples de fiabilitat sense precedents de les naus espacials. Els pioners 6, 7, 8, 10, 11, així com els viatgers 1 i 2, tots ells han treballat a l’espai exterior durant més de 30 anys.
La història dels propulsors d’hidrazina (motors de control d’actituds) d’aquestes naus espacials és indicativa. El Voyager 1 es va canviar a un kit de recanvi el 2004. En aquest moment, el conjunt principal de motors havia treballat en espai obert durant 27 anys, ja que havia resistit 353.000 arrencades. Cal destacar que els catalitzadors del motor s'han escalfat contínuament fins a 300 ° C durant tot aquest temps!
Avui, 37 anys després del llançament, els dos viatgers continuen el seu vol demencial. Fa temps que han abandonat l’heliosfera, però continuen transmetent regularment dades sobre el medi interestel·lar a la Terra.
Qualsevol sistema que depengui de la fiabilitat humana no és fiable. Tot i això, hem d’admetre: en termes de garantir la fiabilitat de les naus espacials, hem aconseguit certs èxits.
Totes les tecnologies necessàries per a la implementació de la "expedició estrella" han deixat de ser les fantasies dels científics que abusen dels cannabinoides i s'han plasmat en forma de patents clares i mostres de treball de tecnologia. Al laboratori, però existeixen!
El disseny conceptual de la sonda espacial interestel·lar Longshot va demostrar que tenim l'oportunitat d'escapar cap a les estrelles. Hi ha moltes dificultats per superar en aquest camí espinós. Però el més important és que es coneix el vector de desenvolupament i ha aparegut la confiança en si mateix.
Podeu trobar més informació sobre el projecte Longshot aquí:
Per la iniciació d’interès per aquest tema, expresso el meu agraïment a “Postman”.
