كم من الوقت سيستغرق السفر إلى أقرب نجم؟

لقد طرحنا جميعًا هذا السؤال في مرحلة ما من حياتنا: كم من الوقت سيستغرق السفر إلى النجوم؟ هل يمكن أن يكون ذلك خلال حياة الشخص ، وهل يمكن أن يصبح هذا النوع من السفر هو القاعدة في يوم من الأيام؟ هناك العديد من الإجابات المحتملة لهذا السؤال - بعضها بسيط للغاية ، والبعض الآخر في عوالم الخيال العلمي. لكن الخروج بإجابة شاملة يعني أخذ الكثير من الأشياء في الاعتبار.

لسوء الحظ ، من المرجح أن يؤدي أي تقييم واقعي إلى إجابات من شأنها أن تثبط تمامًا المستقبليين والمتحمسين للسفر بين النجوم. سواء أعجبك ذلك أم لا ، فإن المساحة كبيرة جدًا ، ولا تزال تقنيتنا محدودة للغاية. ولكن إذا فكرنا في "مغادرة العش" ، فسيكون لدينا مجموعة من الخيارات للوصول إلى أقرب أنظمة شمسية في مجرتنا.

أقرب نجم إلى الأرض هو شمسنا ، وهو نجم "متوسط" إلى حد ما في Hertzsprung - "التسلسل الرئيسي" لمخطط Russell Diagram. وهذا يعني أنها مستقرة للغاية ، مما يوفر للأرض النوع الصحيح من ضوء الشمس للحياة لتتطور على كوكبنا. نحن نعلم أن هناك كواكب تدور حول نجوم أخرى بالقرب من نظامنا الشمسي ، والعديد من هذه النجوم تشبه نجومنا.

في المستقبل ، إذا كانت البشرية ترغب في مغادرة النظام الشمسي ، فسيكون لدينا خيارًا ضخمًا من النجوم التي يمكننا السفر إليها ، ويمكن أن يكون لدى العديد منها الظروف المناسبة للحياة لتزدهر. ولكن إلى أين سنذهب وكم من الوقت سيستغرق وصولنا إلى هناك؟ تذكر فقط أن هذا كله تخميني ولا يوجد حاليًا معيار مرجعي للرحلات بين النجوم. ومع ذلك ، ها نحن ذا!

أقرب نجم:

كما أشرنا من قبل ، فإن أقرب نجم إلى نظامنا الشمسي هو Proxima Centauri ، ولهذا السبب من المنطقي أكثر أن يرسم مهمة بين النجوم لهذا النظام أولاً. كجزء من نظام النجوم الثلاثية المسمى Alpha Centauri ، يقع Proxima على بعد 4.24 سنة ضوئية (أو 1.3 فرسخ فلكي) من الأرض. Alpha Centauri هو في الواقع ألمع نجم من الثلاثة في النظام - جزء من ثنائي مداري عن كثب 4.37 سنة ضوئية من الأرض - في حين أن Proxima Centauri (الأغمق من الثلاثة) هو قزم أحمر معزول حوالي 0.13 سنة ضوئية من ثنائي .

وبينما يستحضر السفر بين النجوم جميع أنواع رؤى السفر بشكل أسرع من الضوء (FTL) ، بدءًا من سرعة الالتفاف وثقوب الدودة إلى القفز بالسيارة ، فإن هذه النظريات إما أنها تخمينية للغاية (مثل Alcubierre Drive) أو كلية العلوم تمامًا خيال. في جميع الاحتمالات ، من المحتمل أن تستغرق أي مهمة فضائية عميقة أجيالًا للوصول إلى هناك ، بدلاً من بضعة أيام أو في ومضة فورية.

لذا ، بدءًا من أبطأ أشكال السفر إلى الفضاء ، كم من الوقت سيستغرق الوصول إلى بروكسيما سنتوري؟

الأساليب الحالية:

إن السؤال عن الوقت المستغرق للوصول إلى مكان ما في الفضاء أسهل إلى حد ما عند التعامل مع التكنولوجيا والهيئات الموجودة داخل نظامنا الشمسي. على سبيل المثال ، باستخدام التكنولوجيا التي شغلت مهمة نيو هورايزونز - التي تتكون من 16 دافعة تعمل بالوقود الأحادي الهيدرازين - فإن الوصول إلى القمر سيستغرق 8 ساعات و 35 دقيقة فقط.

من ناحية أخرى ، هناك مهمة SMART-1 لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، والتي استغرقت وقتها في السفر إلى القمر باستخدام طريقة الدفع الأيوني. مع هذه التكنولوجيا الثورية ، والتي استخدمت منذ ذلك الحين مركبة فضائية Dawn للوصول إلى Vesta ، استغرقت مهمة SMART-1 عامًا وشهرًا وأسبوعين للوصول إلى القمر.

لذا ، من المركبة الفضائية السريعة التي تعمل بالدفع الصاروخي إلى محرك الأيونات الاقتصادي ، لدينا بعض الخيارات للتجول في الفضاء المحلي - بالإضافة إلى أنه يمكننا استخدام المشتري أو زحل للحصول على مقلاع جاذبية ضخمة. ومع ذلك ، إذا كان لنا أن نفكر في البعثات إلى مكان ما بعيدًا جدًا عن الطريق ، فسيتعين علينا توسيع نطاق تقنيتنا وإلقاء نظرة على ما هو ممكن حقًا.

عندما نقول الطرق الممكنة ، فإننا نتحدث عن تلك التي تنطوي على التكنولوجيا القائمة ، أو تلك التي لم تكن موجودة بعد ولكنها مجدية تقنيا. البعض ، كما سترى ، تم تكريمه وإثباته ، بينما البعض الآخر يظهر أو لا يزال على متن الطائرة. في جميع الحالات تقريبًا ، يقدمون سيناريو محتملاً (ولكنه مستهلك للوقت أو مكلف للغاية) للوصول إلى أقرب النجوم ...

الدفع الأيوني:

حاليًا ، أبطأ شكل من أشكال الدفع ، والأكثر كفاءة في استهلاك الوقود ، هو المحرك الأيوني. قبل عقود قليلة ، كان الدفع الأيوني يعتبر موضوعًا للخيال العلمي. ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، انتقلت التكنولوجيا لدعم المحركات الأيونية من النظرية إلى الممارسة بطريقة كبيرة. على سبيل المثال ، أكملت مهمة SMART-1 التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية مهمتها إلى القمر بنجاح بعد أن سلكت مسارًا حلزونيًا مدته 13 شهرًا من الأرض.

استخدم SMART-1 آلات الدفع الأيوني التي تعمل بالطاقة الشمسية ، حيث تم حصاد الطاقة الكهربائية من الألواح الشمسية واستخدامها لتشغيل محركات الدفع ذات التأثير Hall. تم استخدام 82 كجم فقط من دافع الزينون لدفع SMART-1 إلى القمر. قدم 1 كجم من دافع الزينون دلتا الخامس من 45 م / ث. هذا شكل من أشكال الدفع عالي الكفاءة ، ولكنه ليس سريعًا بأي حال من الأحوال.

كانت إحدى المهام الأولى لاستخدام تكنولوجيا محرك الأيونات هي الفضاء السحيق 1 بعثة إلى المذنب بوريلي التي حدثت في عام 1998. DS1 استخدم أيضا محرك أيون يعمل بالزينون ، يستهلك 81.5 كجم من الوقود. على مدار 20 شهرًا من الدفع ، تمكن DS1 من الوصول إلى سرعة 56000 كم / ساعة (35000 ميل / ساعة) خلال تحليقه من المذنب.

وبالتالي ، فإن الدفعات الأيونية أكثر اقتصادا من تكنولوجيا الصواريخ ، حيث أن الدفع لكل وحدة كتلة من الدافع (المعروف أيضًا باسم الدافع المحدد) أعلى بكثير. ولكن تستغرق محركات الدفع الأيوني وقتًا طويلاً لتسريع المركبة الفضائية إلى أي سرعة كبيرة ، وتعتمد السرعة القصوى التي يمكنها تحقيقها على إمدادات الوقود الخاصة بها ومقدار الطاقة الكهربائية التي يمكنها توليدها.

لذلك إذا تم استخدام الدفع الأيوني في مهمة إلى Proxima Centauri ، فستحتاج أجهزة الدفع إلى مصدر ضخم لإنتاج الطاقة (أي الطاقة النووية) وكمية كبيرة من الوقود (على الرغم من أنها لا تزال أقل من الصواريخ التقليدية). ولكن استنادًا إلى افتراض أن إمداد 81.5 كجم من دافع الزينون يترجم إلى سرعة قصوى تبلغ 56000 كم / ساعة (وأنه لا توجد أشكال أخرى من الدفع متاحة ، مثل مقلاع الجاذبية لتسريعها أكثر) ، يمكن لبعض الحسابات مصنوع.

باختصار ، بسرعة قصوى تبلغ 56000 كم / ساعة ، الفضاء السحيق 1 سيتولى 81000 سنة لاجتياز 4.24 سنة ضوئية بين الأرض وبروكسيما سنتوري. لوضع هذا المقياس الزمني في المنظور ، سيكون هذا أكثر من 2700 جيل بشري. لذا ، من الآمن أن نقول أن مهمة محرك أيون الكواكب ستكون بطيئة جدًا بحيث لا يمكن اعتبارها مهمة بين النجوم المأهولة.

ولكن ، في حالة زيادة قوة الدفع الأيوني وزيادة قوته (على سبيل المثال ، يجب أن تكون سرعة عادم الأيونات أعلى بشكل ملحوظ) ، ويمكن دفع كمية كافية من الوقود لدفع المركبة الفضائية طوال الرحلة التي تستغرق 4.243 سنة ضوئية بالكامل ، يمكن أن يكون وقت السفر إلى حد كبير انخفاض. رغم ذلك ، لا يزال هذا غير كافٍ ليحدث في حياة شخص ما.

طريقة مساعدة الجاذبية:

تُعرف أسرع الوسائل الموجودة للسفر إلى الفضاء باسم طريقة Gravity Assist ، والتي تتضمن مركبة فضائية تستخدم الحركة النسبية (أي المدار) وخطورة كوكب لتغييره هي المسار والسرعة. تُعد مساعدة الجاذبية تقنية مفيدة جدًا لرحلات الفضاء ، خاصةً عند استخدام الأرض أو كوكب ضخم آخر (مثل عملاق الغاز) لزيادة السرعة.

ال مارينر 10 كانت المركبة الفضائية أول من استخدم هذه الطريقة ، باستخدام سحب جاذبية فينوس لإطلاقها باتجاه عطارد في فبراير 1974. في الثمانينيات ، فوييجر 1 استخدم المسبار زحل والمشتري من أجل مقلاع الجاذبية لتحقيق سرعته الحالية البالغة 60،000 كم / ساعة (38،000 ميل / ساعة) وجعلها في الفضاء بين النجوم.

ومع ذلك ، فقد كان هيليوس 2 المهمة - التي تم إطلاقها في عام 1976 لدراسة الوسط بين الكواكب من 0.3 AU إلى 1 AU إلى الشمس - التي تحمل الرقم القياسي لأعلى سرعة تم تحقيقها بمساعدة الجاذبية. في الموعد، هيليوس 1 (التي انطلقت عام 1974) و هيليوس 2 يحمل الرقم القياسي لأقرب نهج للشمس. هيليوس 2 تم إطلاقه بواسطة مركبة إطلاق تقليدية تابعة لوكالة ناسا تيتان / سنتور وتم وضعها في مدار بيضاوي للغاية.

بسبب الانحراف الكبير (0.54) للمسبار المداري الشمسي (190 يومًا) ، عند الحضيض ، هيليوس 2 كانت قادرة على الوصول إلى سرعة قصوى تتجاوز 240،000 كم / ساعة (150،000 ميل / ساعة). تم تحقيق هذه السرعة المدارية من خلال جاذبية الشمس وحدها. تقنيا هيليوس 2 لم تكن سرعة الحضيض مقلاع الجاذبية ، بل كانت السرعة المدارية القصوى ، لكنها لا تزال تحمل الرقم القياسي لكونها أسرع جسم من صنع الإنسان بغض النظر.

حتى إذا فوييجر 1 كان يسير في اتجاه القزم الأحمر بروكسيما سنتوري بسرعة ثابتة تبلغ 60،000 كم / ساعة ، وسوف يستغرق 76،000 سنة (أو أكثر من 2500 جيل) للسفر بهذه المسافة. ولكن إذا كان يمكن أن يحقق سرعة قياسية هيليوس 2اقتراب الشمس القريب - سرعة ثابتة تبلغ 240،000 كم / ساعة - ستستغرق 19000 سنة (أو أكثر من 600 جيل) للسفر 4.243 سنة ضوئية. أفضل بكثير ، ولكن لا يزال ليس في مجال التطبيق العملي.

محرك كهرومغناطيسي (EM):

طريقة أخرى مقترحة للسفر بين النجوم تأتي في شكل صاروخ تجويف رنين الترددات اللاسلكية (RF) ، المعروف أيضًا باسم EM Drive. تم اقتراحه أصلاً في عام 2001 من قبل روجر ك.شاوير ، عالم بريطاني بدأ شركة Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) لتحقيق ثمارها ، تم بناء هذا المحرك حول فكرة أن تجاويف الميكروويف الكهرومغناطيسية يمكن أن تسمح بالتحويل المباشر للطاقة الكهربائية إلى الدفع .

في حين تم تصميم الدفعات الكهرومغناطيسية التقليدية لدفع نوع معين من الكتلة (مثل الجسيمات المتأينة) ، يعتمد نظام الدفع هذا على عدم وجود كتلة تفاعل ولا ينبعث منه إشعاع اتجاهي. قوبل مثل هذا الاقتراح بقدر كبير من التشكيك ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه ينتهك قانون الحفاظ على الزخم - الذي ينص على أن مقدار الزخم داخل النظام يظل ثابتًا ولا يتم إنشاؤه أو تدميره ، ولكنه يتغير فقط من خلال عمل القوات.

ومع ذلك ، فقد أظهرت التجارب الأخيرة مع التصميم نتائج إيجابية. في يوليو 2014 ، في مؤتمر الدفع المشترك AIAA / ASME / SAE / ASEE المشترك في كليفلاند ، أوهايو ، زعم باحثون من أبحاث الدفع المتقدمة لوكالة ناسا أنهم نجحوا في اختبار تصميم جديد لمحرك الدفع الكهرومغناطيسي.

تمت متابعة ذلك في أبريل من عام 2015 عندما ادعى باحثون في وكالة ناسا إيجلوركس (جزء من مركز جونسون للفضاء) أنهم نجحوا في اختبار محرك الأقراص في فراغ ، مما يشير إلى أنه قد يعمل بالفعل في الفضاء. في تموز (يوليو) من نفس العام ، قام فريق بحث من قسم أنظمة الفضاء بجامعة دريسدن للتكنولوجيا ببناء نسختهم الخاصة من المحرك ولاحظ قوة دفع قابلة للكشف.

وفي عام 2010 ، بدأت البروفيسور خوان يانغ من جامعة نورث وسترن بوليتكنيكال في شيان ، الصين ، بنشر سلسلة من الأوراق حول بحثها في تقنية EM Drive. وقد بلغ ذلك ذروته في بحثها لعام 2012 حيث أبلغت عن قوة إدخال أعلى (2.5 كيلو واط) واختبار مستويات الدفع (720 ميجا نيوتن). في عام 2014 ، أبلغت أيضًا عن اختبارات مكثفة تشمل قياسات درجة الحرارة الداخلية مع المزدوجات الحرارية المضمنة ، والتي يبدو أنها تؤكد أن النظام يعمل.

وفقًا للحسابات المستندة إلى النموذج الأولي لوكالة ناسا (الذي أسفر عن تقدير الطاقة بمقدار 0.4 نيوتن / كيلوواط) ، يمكن للمركبة الفضائية المجهزة بمحرك EM القيام بالرحلة إلى بلوتو في أقل من 18 شهرًا. هذا هو سدس الوقت الذي استغرقه مسبار نيو هورايزونز للوصول إلى هناك ، والذي كان يسير بسرعة تقارب 58000 كم / ساعة (36000 ميل في الساعة).

تبدو مثيرة للإعجاب. ولكن حتى على هذا المعدل ، سوف يستغرق الأمر سفينة مجهزة بمحركات EM 13000 سنة للسفينة لتصل إلى بروكسيما سنتوري. الاقتراب ، ولكن ليس بالسرعة الكافية! وحتى هذا الوقت الذي يمكن فيه إثبات أن التكنولوجيا تعمل بشكل نهائي ، فلا معنى لوضع البيض في هذه السلة.

الدفع النووي الحراري / النووي الكهربائي (NTP / NEP):

الاحتمال الآخر لرحلة الفضاء بين النجوم هو استخدام المركبات الفضائية المجهزة بمحركات نووية ، وهو مفهوم كانت ناسا تستكشفه منذ عقود. في صاروخ الدفع الحراري النووي (NTP) ، يتم استخدام تفاعلات اليورانيوم أو الديوتريوم لتسخين الهيدروجين السائل داخل المفاعل ، وتحويله إلى غاز هيدروجين مؤين (بلازما) ، والذي يتم بعد ذلك توجيهه عبر فوهة صاروخية لتوليد الدفع.

ينطوي صاروخ الدفع الكهربائي النووي (NEP) على نفس المفاعل الأساسي الذي يحول حرارته وطاقته إلى طاقة كهربائية ، والتي ستقوم بعد ذلك بتشغيل محرك كهربائي. في كلتا الحالتين ، سيعتمد الصاروخ على الانشطار النووي أو الاندماج النووي لتوليد الدفع بدلاً من الدوافع الكيميائية ، والتي كانت الدعامة الأساسية لوكالة ناسا وجميع وكالات الفضاء الأخرى حتى الآن.

بالمقارنة مع الدفع الكيميائي ، يقدم كل من NTP و NEC عددًا من المزايا. الأول والأكثر وضوحًا هو كثافة الطاقة غير المحدودة تقريبًا التي توفرها مقارنة بوقود الصواريخ. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر المحرك الذي يعمل بالطاقة النووية قوة دفع فائقة مقارنة بكمية الوقود الدافع المستخدم. سيؤدي ذلك إلى تقليل إجمالي كمية الوقود الدافع المطلوب ، وبالتالي تقليل وزن الإطلاق وتكلفة المهام الفردية.

على الرغم من عدم وجود محركات نووية حرارية على الإطلاق ، فقد تم بناء واختبار العديد من مفاهيم التصميم على مدار العقود القليلة الماضية ، وتم اقتراح العديد من المفاهيم. وقد تراوحت هذه بين التصميم التقليدي ذي النواة الصلبة - مثل المحرك النووي لتطبيق المركبات الصاروخية (NERVA) - إلى مفاهيم أكثر تقدمًا وكفاءة تعتمد على سائل أو قلب غاز.

ومع ذلك ، على الرغم من هذه المزايا في كفاءة الوقود والاندفاع المحدد ، فإن مفهوم NTP الأكثر تطوراً لديه أقصى دفعة محددة تبلغ 5000 ثانية (50 كيلو نيوتن / كجم). باستخدام محركات نووية مدفوعة بالانشطار أو الاندماج ، يقدر علماء وكالة ناسا أن سفينة الفضاء ستستغرق 90 يومًا فقط للوصول إلى المريخ عندما يكون الكوكب في "معارضة" - أي على مسافة قريبة تصل إلى 55،000،000 كم من الأرض.

ولكن بعد تعديله لرحلة باتجاه واحد إلى بروكسيما سنتوري ، سيستغرق الصاروخ النووي قرونًا لتسريعه إلى النقطة التي كان يحلق فيها بجزء من سرعة الضوء. سيتطلب بعد ذلك عدة عقود من وقت السفر ، يليه قرون عديدة من التباطؤ قبل الوصول إلى وجهته. كل ما قيل ، ما زلنا نتحدث عنه 1000 سنة قبل أن تصل إلى وجهتها. جيد للمهمات بين الكواكب ، ليس جيدًا للمهام بين النجوم.

الطرق النظرية:

باستخدام التكنولوجيا الحالية ، فإن الوقت الذي يستغرقه إرسال العلماء ورواد الفضاء في مهمة بين النجوم سيكون بطيئًا للغاية. إذا أردنا القيام بهذه الرحلة في غضون حياة واحدة ، أو حتى جيل ، فستكون هناك حاجة إلى شيء أكثر جذرية (يُعرف أيضًا باسم نظري للغاية). وبينما قد تكون الثقوب الدودية ومحركات القفز لا تزال خيالية خالصة في هذه المرحلة ، هناك بعض الأفكار المتقدمة إلى حد ما التي تم التفكير فيها على مر السنين.

دفع النبض النووي:

دفع النبض النووي هو شكل ممكن نظريًا من السفر السريع إلى الفضاء. تم اقتراح هذا المفهوم في الأصل عام 1946 من قبل ستانيسلو أولام ، وهو عالم رياضيات بولندي أمريكي شارك في مشروع مانهاتن ، ثم تم إجراء الحسابات الأولية من قبل F.Rines و Ulam في عام 1947. بدأ المشروع الفعلي - المعروف باسم Project Orion - في 1958 واستمر حتى 1963.

بقيادة تيد تايلور في شركة Atomics والفيزيائي فريمان دايسون من معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، تأمل أوريون في تسخير قوة الانفجارات النووية النبضية لتوفير دفعة كبيرة مع دفعة محددة للغاية (أي كمية الدفع مقارنة بالوزن أو مقدار الثواني التي يمكن للصاروخ إطلاقها باستمرار).

باختصار ، يتضمن تصميم Orion مركبة فضائية كبيرة مزودة بإمدادات عالية من الرؤوس الحربية النووية الحرارية التي تحقق الدفع عن طريق إطلاق قنبلة خلفها ثم ركوب موجة التفجير بمساعدة وسادة مثبتة في الخلف تسمى "دافع". بعد كل انفجار ، سيتم امتصاص القوة المتفجرة بواسطة وسادة دافع ، ثم يترجم الدفع إلى زخم.

على الرغم من أنه لا يكاد يكون أنيقًا بالمعايير الحديثة ، فإن ميزة التصميم هي أنه يحقق دفعة محددة عالية - مما يعني أنه يستخرج الحد الأقصى من الطاقة من مصدر الوقود (في هذه الحالة ، القنابل النووية) بأقل تكلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يحقق المفهوم نظريًا سرعات عالية جدًا ، مع بعض التقديرات التي تشير إلى أن الرقم الذي يصل إلى 5٪ من سرعة الضوء (أو 5.4 × 10)⁷ كم / ساعة).

ولكن بالطبع ، هناك سلبيات حتمية للتصميم. أولاً ، بناء سفينة بهذا الحجم سيكون مكلفًا للغاية. وفقًا لتقديرات أنتجها دايسون في عام 1968 ، فإن مركبة فضائية أوريون التي استخدمت القنابل الهيدروجينية لتوليد الدفع ستزن 400.000 إلى 4000.000 طن متري. ويتكون ثلاثة أرباع هذا الوزن على الأقل من قنابل نووية ، حيث يزن كل رأس حربي ما يقرب من طن متري.

في كل ما قيل ، فإن تقديرات دايسون الأكثر تحفظًا قدرت التكلفة الإجمالية لبناء مركبة أوريون بـ 367 مليار دولار. معدلة للتضخم ، والتي تصل إلى ما يقرب من 2.5 تريليون دولار - وهو ما يمثل أكثر من ثلثي الإيرادات السنوية الحالية للحكومة الأمريكية. وبالتالي ، حتى في أخف وزنها ، ستكون الصناعة مكلفة للغاية.

هناك أيضًا مشكلة طفيفة في جميع الإشعاعات التي تولدها ، ناهيك عن النفايات النووية. في الواقع ، لهذا السبب يعتقد أنه تم إنهاء المشروع ، بسبب تمرير معاهدة حظر التجارب الجزئية لعام 1963 التي سعت إلى الحد من التجارب النووية ووقف الإطلاق المفرط للتداعيات النووية في الغلاف الجوي للكوكب.

صواريخ فيوجن:

هناك احتمال آخر في مجال الطاقة النووية المُسْتَخْدِم يشمل الصواريخ التي تعتمد على التفاعلات النووية الحرارية لتوليد الدفع. بالنسبة لهذا المفهوم ، يتم إنشاء الطاقة عندما يتم إشعال حبيبات مزيج من الديوتيريوم / الهليوم 3 في غرفة رد فعل عن طريق الحبس بالقصور الذاتي باستخدام الحزم الإلكترونية (على غرار ما يتم في مرفق الإشعال الوطني في كاليفورنيا). سوف يفجر مفاعل الاندماج 250 حبيبة في الثانية لإنشاء بلازما عالية الطاقة ، والتي سيتم بعد ذلك توجيهها بواسطة فوهة مغناطيسية لخلق الدفع.

مثل الصاروخ الذي يعتمد على مفاعل نووي ، يوفر هذا المفهوم مزايا فيما يتعلق بكفاءة الوقود ودفع معين. تقدر سرعات العادم التي تصل إلى 10،600 كم / ثانية ، وهو ما يتجاوز بكثير سرعة الصواريخ التقليدية. علاوة على ذلك ، تمت دراسة التكنولوجيا على نطاق واسع على مدى العقود القليلة الماضية ، وتم تقديم العديد من المقترحات.

على سبيل المثال ، بين عامي 1973 و 1978 ، أجرت جمعية الكواكب البريطانية دراسة جدوى تعرف باسم مشروع Daedalus. بالاعتماد على المعرفة الحالية بتكنولوجيا الاندماج والأساليب الحالية ، دعت الدراسة إلى إنشاء مسبار علمي بدون طيار على مرحلتين يقوم برحلة إلى نجمة بارنارد (5.9 سنة ضوئية من الأرض) في عمر واحد.

ستعمل المرحلة الأولى ، الأكبر منها ، لمدة 2.05 عامًا وتسريع المركبة الفضائية إلى 7.1٪ من سرعة الضوء (o.071 ج). سيتم بعد ذلك التخلي عن هذه المرحلة ، وعند هذه النقطة ، ستشعل المرحلة الثانية محركها وتسريع المركبة الفضائية حتى حوالي 12 ٪ من سرعة الضوء (0.12 ج) على مدى 1.8 سنة. سيتم بعد ذلك إغلاق محرك المرحلة الثانية وستدخل السفينة في فترة بحرية مدتها 46 عامًا.

وفقًا لتقديرات المشروع ، ستستغرق المهمة 50 عامًا للوصول إلى Barnard's Star. بعد تعديلها لبروكسيما سنتوري ، يمكن للمركبة نفسها القيام بالرحلة 36 سنة. ولكن بالطبع ، حدد المشروع أيضًا العديد من العوائق التي جعلت من غير المجدي استخدام التكنولوجيا الحالية آنذاك - ومعظمها لا يزال دون حل.

على سبيل المثال ، هناك حقيقة أن الهليوم 3 نادر على الأرض ، مما يعني أنه يجب أن يتم تعدينه في مكان آخر (على الأرجح على القمر). ثانيًا ، يتطلب التفاعل الذي يحرك المركبة الفضائية أن تتجاوز الطاقة المنبعثة إلى حد كبير الطاقة المستخدمة لتحفيز التفاعل. وبينما تجاوزت التجارب هنا على الأرض "هدف التعادل" ، فإننا لا نزال بعيدين عن أنواع الطاقة اللازمة لتشغيل مركبة فضائية بين النجوم.

ثالثًا ، هناك عامل التكلفة لبناء مثل هذه السفينة. حتى بالمعايير المتواضعة لمركبة مشروع Daedalus غير المأهولة ، فإن مركبة تعمل بالوقود بالكامل تزن ما يصل إلى 60،000 طن متري. لوضع ذلك في الاعتبار ، فإن الوزن الإجمالي لـ SLS من وكالة ناسا يزيد قليلاً عن 30 مليون طن ، ويأتي الإطلاق الفردي بسعر 5 مليارات دولار (بناءً على التقديرات التي تم إجراؤها في عام 2013).

باختصار ، لن يكون بناء صاروخ انصهار باهظ الثمن فحسب ؛ سيتطلب أيضًا مستوى من تكنولوجيا مفاعل الاندماج يتجاوز حاليًا إمكانياتنا. منذ ذلك الحين ، حاولت إيكاروس إنترستيلار ، وهي منظمة دولية من العلماء المواطنين المتطوعين (عمل بعضهم في وكالة ناسا أو وكالة الفضاء الأوروبية) تنشيط المفهوم مع مشروع إيكاروس. تأسّست المجموعة في عام 2009 ، وتأمل في جعل الدفع الاندماجي (من بين أمور أخرى) ممكنًا في المستقبل القريب.

الانصهار رامجيت:

يُعرف أيضًا باسم Bussard Ramjet ، تم اقتراح هذا الشكل النظري للدفع لأول مرة من قبل الفيزيائي روبرت دبليو بوسارد في عام 1960. وهو في الأساس تحسين على صاروخ الاندماج النووي القياسي ، والذي يستخدم المجالات المغناطيسية لضغط وقود الهيدروجين إلى درجة أن الاندماج يحدث. ولكن في حالة رامجيت ، قمع كهرومغناطيسي هائل "يجرف" الهيدروجين من الوسط النجمي ويصبه في المفاعل كوقود.

عندما تلتقط السفينة السرعة ، يتم دفع الكتلة التفاعلية إلى مجال مغناطيسي مقيد بشكل تدريجي ، وضغطها حتى يحدث اندماج نووي حراري. ثم يوجه المجال المغناطيسي الطاقة كعادم صاروخي من خلال فوهة المحرك ، وبالتالي تسريع السفينة. بدون أي خزانات وقود لتثقل كاهلها ، يمكن أن تحقق رامجيت الانصهار سرعات تقترب من 4 ٪ من سرعة الضوء وتنتقل إلى أي مكان في المجرة.

ومع ذلك ، فإن العوائق المحتملة لهذا التصميم عديدة. على سبيل المثال ، هناك مشكلة السحب. تعتمد السفينة على زيادة السرعة لتراكم الوقود ، ولكن نظرًا لتصادمها مع المزيد والمزيد من الهيدروجين بين النجوم ، فقد تفقد سرعتها أيضًا - خاصة في المناطق الأكثر كثافة في المجرة. ثانيًا ، نادرًا ما يكون الديوتريوم والتريتيوم (المستخدمان في مفاعلات الاندماج هنا على الأرض) نادران في الفضاء ، في حين أن دمج الهيدروجين العادي (الذي يتوفر بكثرة في الفضاء) يتجاوز طرقنا الحالية.

تم تعميم هذا المفهوم على نطاق واسع في الخيال العلمي. ولعل أفضل مثال على ذلك هو امتياز ستار تريك، حيث "جامعي Bussard" هم nacelles المتوهجة على محركات الاعوجاج. ولكن في الواقع ، فإن معرفتنا بردود الفعل الاندماجية تحتاج إلى التقدم بشكل كبير قبل أن يصبح رامجيت ممكنًا. سيكون علينا أيضًا معرفة مشكلة السحب المزعجة قبل أن نبدأ في التفكير في بناء مثل هذه السفينة!

شراع الليزر:

لطالما اعتبرت الأشرعة الشمسية وسيلة فعالة من حيث التكلفة لاستكشاف النظام الشمسي. بالإضافة إلى كونها سهلة نسبيًا ورخيصة الثمن ، هناك مكافأة إضافية من الأشرعة الشمسية التي لا تحتاج إلى وقود. بدلاً من استخدام الصواريخ التي تتطلب وقودًا ، يستخدم الشراع ضغط الإشعاع من النجوم لدفع المرايا الكبيرة فائقة النحافة إلى سرعات عالية.

ومع ذلك ، من أجل الطيران بين النجوم ، يجب أن يتم دفع مثل هذا الشراع بعوارض طاقة مركزة (مثل أشعة الليزر أو الموجات الدقيقة) لدفعها إلى سرعة تقترب من سرعة الضوء. تم اقتراح هذا المفهوم في الأصل من قبل روبرت فوروارد في عام 1984 ، والذي كان فيزيائيًا في معامل أبحاث شركة هيوز للطائرات في ذلك الوقت.

يحتفظ المفهوم بفوائد الشراع الشمسي ، من حيث أنه لا يتطلب أي وقود على متن الطائرة ، ولكن أيضًا من حقيقة أن طاقة الليزر لا تتبدد مع المسافة تقريبًا مثل الإشعاع الشمسي. لذا في حين أن الشراع المدفوع بالليزر قد يستغرق بعض الوقت للتسريع إلى سرعات شبه مضيئة ، إلا أنها ستقتصر فقط على سرعة الضوء نفسه.

وفقًا لدراسة أجريت عام 2000 من قبل روبرت فريسبي ، مدير دراسات مفهوم الدفع المتقدمة في مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا ، يمكن تسريع شراع الليزر إلى نصف سرعة الضوء في أقل من عقد من الزمان. كما قدر أن الشراع الذي يبلغ قطره حوالي 320 كيلومترًا (200 ميل) يمكن أن يصل إلى بروكسيما سنتوري في ما يزيد قليلاً 12 سنة. في غضون ذلك ، سيصل شراع يبلغ قطره حوالي 965 كم (600 ميل) في أقل بقليل 9 سنوات.

ومع ذلك ، يجب بناء مثل هذا الشراع من المركبات المتقدمة لتجنب الذوبان. إلى جانب حجمها ، سيضيف هذا ما يصل إلى قرش جميل! والأسوأ من ذلك هو التكلفة الهائلة التي تكبدتها من بناء ليزر كبير وقوي بما يكفي لدفع الإبحار إلى نصف سرعة الضوء. وفقًا لدراسة Frisbee الخاصة ، فإن الليزر يتطلب تدفقًا ثابتًا يبلغ 17000 تيراواط من الطاقة - قريبًا مما يستهلكه العالم بأكمله في يوم واحد.

محرك المادة المضادة:

من المؤكد أن محبي الخيال العلمي سمعوا عن المادة المضادة. ولكن إذا لم تفعل ذلك ، فإن المادة المضادة هي في الأساس مادة تتكون من جسيمات مضادة لها نفس الكتلة ولكن الشحنة المعاكسة للجسيمات العادية. في هذه الأثناء ، يُعد محرك المادة المضادة شكلًا من أشكال الدفع يستخدم التفاعلات بين المادة والمادة المضادة لتوليد الطاقة أو لخلق الدفع.

باختصار ، يتضمن محرك مضاد للمادة جزيئات من الهيدروجين ومضاد الهيدروجين يندمجان معًا. يطلق هذا التفاعل العنان للطاقة مثل القنبلة النووية الحرارية ، جنبًا إلى جنب مع دش من الجسيمات دون الذرية تسمى بيونات وميونات. ثم يتم توجيه هذه الجسيمات ، التي ستنتقل بثلث سرعة الضوء ، بواسطة فوهة مغناطيسية لتوليد الدفع.

ميزة هذه الفئة من الصواريخ هي أنه يمكن تحويل جزء كبير من الكتلة المتبقية من خليط المادة / المادة المضادة إلى طاقة ، مما يسمح للصواريخ المضادة للمادة بكثافة طاقة أعلى بكثير ودافع محدد من أي فئة أخرى مقترحة من الصواريخ. والأكثر من ذلك ، أن التحكم في هذا النوع من التفاعل يمكن أن يدفع صاروخًا إلى نصف سرعة الضوء.

الجنيه للرطل ، هذه الفئة من السفن ستكون الأسرع والأكثر كفاءة في استهلاك الوقود على الإطلاق. في حين أن الصواريخ التقليدية تتطلب أطنانًا من الوقود الكيميائي لدفع سفينة فضائية إلى وجهتها ، فإن المحرك المضاد للمادة يمكن أن يؤدي نفس المهمة باستخدام بضعة مليغرامات فقط من الوقود. في الواقع ، فإن الإبادة المتبادلة لنصف رطل من جزيئات الهيدروجين والهيدروجين ستطلق طاقة أكثر من قنبلة هيدروجينية تبلغ 10 ميغا طن.

ولهذا السبب بالضبط ذلك وكالة ناسا قام معهد المفاهيم المتقدمة (NIAC) بدراسة التكنولوجيا كوسيلة ممكنة لبعثات المريخ المستقبلية. لسوء الحظ ، عند التفكير في المهام إلى أنظمة النجوم القريبة ، يتم مضاعفة كمية الوقود اللازمة للقيام بالرحلة بشكل كبير ، وستكون التكلفة التي ينطوي عليها إنتاجها فلكية (لا تورية!).

وفقًا لتقرير تم إعداده لمؤتمر ومعرض الدفع المشترك AIAA / ASME / SAE / ASEE التاسع والثلاثين (أيضًا بواسطة روبرت فريسبي) ، سيحتاج صاروخ مضاد من مرحلتين إلى أكثر من 815000 طن متري (900000 طن أمريكي) من الوقود للقيام بالرحلة إلى بروكسيما سنتوري في حوالي 40 سنة. هذا ليس سيئًا ، بقدر ما تذهب الجداول الزمنية. ولكن مرة أخرى ، التكلفة ...

في حين أن جرامًا واحدًا من المادة المضادة سوف ينتج كمية لا تصدق من الطاقة ، فمن المقدر أن إنتاج جرام واحد فقط سيتطلب حوالي 25 مليون مليار كيلووات ساعة من الطاقة ويكلف أكثر من تريليون دولار. في الوقت الحاضر ، إجمالي كمية المادة المضادة التي تم إنشاؤها بواسطة البشر أقل من 20 نانوجرام.

وحتى إذا استطعنا إنتاج مادة مضادة رخيصة الثمن ، فستحتاج إلى سفينة ضخمة لاحتواء كمية الوقود المطلوبة. وفقًا لتقرير للدكتور داريل سميث وجوناثان ويبي من جامعة Embry-Riddle للطيران في أريزونا ، يمكن أن تصل المركبة النجمية المجهزة بمحرك مضاد للمادة إلى 0.5 سرعة الضوء وتصل إلى Proxima Centauri في ما يزيد قليلاً عن 8 سنوات. ومع ذلك ، ستزن السفينة نفسها 400 طن متري (441 طنًا أمريكيًا) وستحتاج إلى 170 طنًا متريًا (187 طنًا أمريكيًا) من الوقود المضاد للقيام بالرحلة.

إحدى الطرق الممكنة لذلك هي إنشاء وعاء يمكن أن يخلق مادة مضادة يمكن تخزينها كوقود. تم اقتراح هذا المفهوم ، والمعروف باسم نظام الفراغ إلى مضاد الصواريخ بين النجوم (VARIES) ، من قبل ريتشارد Obousy من Icarus Interstellar. استنادًا إلى فكرة إعادة التزود بالوقود في الموقع ، ستعتمد سفينة VARIES على أشعة الليزر الكبيرة (التي تعمل بمصفوفات شمسية هائلة) والتي من شأنها أن تخلق جزيئات المادة المضادة عند إطلاقها في مساحة فارغة.

مثل مفهوم Ramjet ، يحل هذا الاقتراح مشكلة حمل الوقود من خلال تسخيره من الفضاء. ولكن مرة أخرى ، فإن التكلفة الهائلة لهذه السفينة ستكون باهظة التكلفة باستخدام التكنولوجيا الحالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن القدرة على إنشاء المادة المضادة بكميات كبيرة ليست شيئًا لدينا حاليًا القدرة على القيام به. هناك أيضًا مسألة الإشعاع ، حيث أن إبادة المادة المضادة يمكن أن تنتج انفجارات لأشعة جاما عالية الطاقة.

لا يمثل هذا خطرًا على الطاقم فحسب ، مما يتطلب حماية كبيرة من الإشعاعات ولكن يتطلب أيضًا حماية المحركات أيضًا لضمان عدم تعرضها للتدهور الذري من جميع الإشعاع الذي يتعرضون له. خلاصة القول ، فإن محرك المادة المضادة غير عملي تمامًا مع تقنيتنا الحالية وفي بيئة الميزانية الحالية.

محرك ألكوبيير وارب:

لا شك أن عشاق الخيال العلمي على دراية بمفهوم محرك Alcubierre (أو "Warp"). هذه الطريقة المقترحة ، التي اقترحها الفيزيائي المكسيكي ميغيل ألكوبيير في عام 1994 ، كانت محاولة لجعل سفر FTL ممكنًا دون انتهاك نظرية آينشتاين للنسبية الخاصة. باختصار ، ينطوي المفهوم على تمدد نسيج الزمكان في موجة ، الأمر الذي من شأنه نظريًا أن يتسبب في تقلص المساحة أمام الجسم والفضاء خلفه للتوسع.

يمكن لكائن داخل هذه الموجة (أي سفينة فضائية) أن يركب هذه الموجة ، المعروفة باسم "فقاعة الالتفاف" ، إلى ما وراء السرعات النسبية. نظرًا لأن السفينة لا تتحرك داخل هذه الفقاعة ولكن يتم حملها على طول الطريق أثناء تحركها ، فإن قواعد الزمكان والنسبية ستتوقف عن التطبيق. والسبب هو أن هذه الطريقة لا تعتمد على التحرك بشكل أسرع من الضوء بالمعنى المحلي.

إنها فقط "أسرع من الضوء" بمعنى أن السفينة يمكن أن تصل إلى وجهتها بشكل أسرع من شعاع الضوء الذي كان يسافر خارج فقاعة الاعوجاج. لذا بافتراض أن المركبة الفضائية يمكن تجهيزها بنظام Alcubierre Drive ، فإنها ستكون قادرة على القيام برحلة إلى Proxima Centauri في أقل من 4 سنوات. لذلك عندما يتعلق الأمر بالسفر النظري بين النجوم في الفضاء ، فهذه هي التكنولوجيا الواعدة إلى حد بعيد ، على الأقل من حيث السرعة.

وبطبيعة الحال ، تلقى المفهوم نصيبه من الحجج المضادة على مر السنين. أهمها حقيقة أنها لا تأخذ ميكانيكا الكم في الاعتبار ويمكن أن تبطلها نظرية كل شيء (مثل الجاذبية الكمومية حلقة). وقد أشارت الحسابات على كمية الطاقة المطلوبة أيضًا إلى أن محرك الالتواء يتطلب قدرًا باهظًا من الطاقة للعمل. وتشمل أوجه عدم اليقين الأخرى سلامة مثل هذا النظام ، والآثار على الزمكان في الوجهة ، وانتهاكات السببية.

However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.

In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.

In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.

But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.

So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…

We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?

For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?

And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!

شاهد الفيديو: رحلتي إلى أقرب ثقب أسود فقدت رجلي الآلي! (قد 2024).