Τα διαστρικά διαστημικά ταξίδια

Οι δυσκολίες του διαστρικού ταξιδιού

Η κύρια πρόκληση που αντιμετωπίζουν τα διαστρικά ταξίδια είναι οι τεράστιες αποστάσεις που πρέπει να καλυφθούν. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται πολύ μεγάλη ταχύτητα ή/και πολύ μεγάλος χρόνος ταξιδιού. Ο χρόνος ταξιδιού με τις πιο ρεαλιστικές μεθόδους προώθησης θα ήταν από δεκαετίες έως χιλιετίες.

Ως εκ τούτου, ένα διαστρικό σκάφος θα ήταν πολύ περισσότερο εκτεθειμένο στους κινδύνους που υπάρχουν στα διαπλανητικά ταξίδια, συμπεριλαμβανομένου του κενού, της ακτινοβολίας, της έλλειψης βαρύτητας και των μικρομετεωροειδών. Σε υψηλές ταχύτητες το όχημα θα διαπερνιέται από πολλά μικροσκοπικά σωματίδια ύλης, εκτός αν είναι ισχυρά θωρακισμένο. Η μεταφορά της ασπίδας θα αύξανε σημαντικά τα προβλήματα προώθησης.

Κοσμικές ακτίνες

Οι κοσμικές ακτίνες παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον επειδή δεν υπάρχει προστασία εκτός της ατμόσφαιρας και του μαγνητικού πεδίου. Οι ενέργειες των πιο ενεργητικών κοσμικών ακτίνων υπερυψηλής ενέργειας (UHECR) έχουν παρατηρηθεί ότι προσεγγίζουν τα 3 × 10 ²⁰eV, δηλαδή περίπου 40 εκατομμύρια φορές την ενέργεια των σωματιδίων που επιταχύνονται από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Στα 50 J, οι υψηλότερης ενέργειας κοσμικές ακτίνες υπερ-υψηλής ενέργειας έχουν ενέργεια συγκρίσιμη με την κινητική ενέργεια μιας μπάλας του μπέιζμπολ που τρέχει με ταχύτητα 90 χιλιομέτρων την ώρα. Ως αποτέλεσμα αυτών των ανακαλύψεων, υπήρξε ενδιαφέρον για τη διερεύνηση κοσμικών ακτίνων ακόμη μεγαλύτερης ενέργειας. Οι περισσότερες κοσμικές ακτίνες, ωστόσο, δεν έχουν τόσο ακραίες ενέργειες. Η κατανομή της ενέργειας των κοσμικών ακτίνων κορυφώνεται στα 0,3 gigaelectronvolts (4,8×10⁻¹¹ J).

Απαιτούμενη ενέργεια

Ένας σημαντικός παράγοντας είναι η ενέργεια που απαιτείται για έναν λογικό χρόνο ταξιδιού. Ένα κατώτερο όριο για την απαιτούμενη ενέργεια είναι η κινητική ενέργεια K = ½ mv² όπου m είναι η τελική μάζα. Εάν είναι επιθυμητή η επιβράδυνση κατά την άφιξη και δεν μπορεί να επιτευχθεί με κανένα άλλο μέσο εκτός από τις μηχανές του πλοίου, τότε η απαιτούμενη ενέργεια τουλάχιστον διπλασιάζεται, διότι η ενέργεια που απαιτείται για την ακινητοποίηση του πλοίου ισούται με την ενέργεια που απαιτείται για την επιτάχυνσή του στην ταχύτητα ταξιδιού.

Η ταχύτητα για ένα επανδρωμένο ταξίδι μετ' επιστροφής μερικών δεκαετιών ακόμη και προς το πλησιέστερο άστρο είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από εκείνη των σημερινών διαστημικών οχημάτων. Αυτό σημαίνει ότι, λόγω του όρου v² στον τύπο της κινητικής ενέργειας, απαιτείται εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια. Η επιτάχυνση ενός τόνου στο ένα δέκατο της ταχύτητας του φωτός απαιτεί τουλάχιστον 450 PJ ή 4,5 ×10¹⁷ J ή 125 δισεκατομμύρια kWh, χωρίς να υπολογίζονται οι απώλειες.

Η πηγή ενέργειας πρέπει να μεταφέρεται, δεδομένου ότι οι ηλιακοί συλλέκτες δεν λειτουργούν μακριά από τον Ήλιο και άλλα αστέρια. Το μέγεθος αυτής της ενέργειας μπορεί να καταστήσει αδύνατο το διαστρικό ταξίδι. Ένας μηχανικός δήλωσε: "Για το ταξίδι (προς τον Άλφα Κενταύρου) θα απαιτούνταν τουλάχιστον 100 φορές η συνολική παραγωγή ενέργειας ολόκληρου του κόσμου [σε ένα δεδομένο έτος]".

Διαστρικό μέσο

η διαστρική σκόνη και το αέριο μπορεί να προκαλέσουν σημαντικές ζημιές στο σκάφος, λόγω των υψηλών σχετικών ταχυτήτων και των μεγάλων κινητικών ενεργειών που εμπλέκονται. Τα μεγαλύτερα αντικείμενα (όπως οι μεγαλύτεροι κόκκοι σκόνης) είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένα, αλλά θα ήταν πολύ πιο καταστροφικά. .

Χρόνος ταξιδιού

Οι μεγάλοι χρόνοι ταξιδιού καθιστούν δύσκολο το σχεδιασμό επανδρωμένων αποστολών. Τα θεμελιώδη όρια του χωροχρόνου αποτελούν μια άλλη πρόκληση. Επίσης, τα διαστρικά ταξίδια θα ήταν δύσκολο να δικαιολογηθούν για οικονομικούς λόγους.

Μπορεί να υποστηριχθεί ότι μια διαστρική αποστολή που δεν μπορεί να ολοκληρωθεί μέσα σε 50 χρόνια δεν θα έπρεπε να ξεκινήσει καθόλου. Αντ' αυτού, οι πόροι θα πρέπει να επενδυθούν στο σχεδιασμό ενός καλύτερου συστήματος προώθησης. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα αργό διαστημόπλοιο πιθανόν να περάσει από μια άλλη αποστολή που θα σταλεί αργότερα με πιο προηγμένη πρόωση.

Από την άλλη πλευρά, μπορεί επομένως να γίνει λόγος για την έναρξη μιας αποστολής χωρίς καθυστέρηση, επειδή τα προβλήματα που δεν αφορούν την πρόωση μπορεί να αποδειχθούν πιο δύσκολα από τη μηχανική της πρόωσης.

Το διαγαλαξιακό ταξίδι περιλαμβάνει αποστάσεις περίπου ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από τις διαστρικές αποστάσεις, γεγονός που το καθιστά ριζικά πιο δύσκολο ακόμη και από το διαστρικό ταξίδι.

Ο υπολογισμός του Kennedy

Ο Andrew Kennedy έδειξε ότι τα ταξίδια που αναλαμβάνονται πριν από τον ελάχιστο χρόνο αναμονής θα ξεπεραστούν από εκείνα που φεύγουν στο ελάχιστο, ενώ εκείνα που φεύγουν μετά το ελάχιστο δεν θα ξεπεράσουν ποτέ εκείνα που έφυγαν στο ελάχιστο.

Ο υπολογισμός του Kennedy εξαρτάται από το r, τη μέση ετήσια αύξηση της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Από οποιοδήποτε χρονικό σημείο προς ένα δεδομένο προορισμό, υπάρχει ένα ελάχιστο στον συνολικό χρόνο μέχρι τον προορισμό. Οι ταξιδιώτες θα έφταναν πιθανότατα χωρίς να τους προσπεράσουν μεταγενέστεροι ταξιδιώτες περιμένοντας ένα χρόνο t πριν από την αναχώρηση. Η σχέση μεταξύ του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσει κανείς σε έναν προορισμό (τώρα, Τ_now, ή μετά από αναμονή, Τ_t, και της αύξησης της ταχύτητας του ταξιδιού είναι

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

Παίρνοντας ως παράδειγμα ένα ταξίδι στο αστέρι του Μπάρναρντ, έξι έτη φωτός μακριά, ο Κένεντι δείχνει ότι με έναν παγκόσμιο μέσο ετήσιο ρυθμό οικονομικής ανάπτυξης 1,4% και μια αντίστοιχη αύξηση της ταχύτητας των ταξιδιών, ο ταχύτερος ανθρώπινος πολιτισμός θα μπορούσε να φτάσει στο αστέρι αυτό σε 1.110 χρόνια από το έτος 2007.

Διαστρικές αποστάσεις

Οι αστρονομικές αποστάσεις μετριούνται συχνά στο χρόνο που θα χρειαζόταν μια ακτίνα φωτός για να ταξιδέψει μεταξύ δύο σημείων (βλ. έτος φωτός). Το φως στο κενό ταξιδεύει περίπου 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ή 186.000 μίλια ανά δευτερόλεπτο.

Η απόσταση από τη Γη στη Σελήνη είναι 1,3 δευτερόλεπτα φωτός. Με τις σημερινές τεχνολογίες προώθησης διαστημοπλοίων, ένα σκάφος μπορεί να καλύψει την απόσταση από τη Γη στη Σελήνη σε περίπου οκτώ ώρες (New Horizons). Αυτό σημαίνει ότι το φως ταξιδεύει περίπου τριάντα χιλιάδες φορές ταχύτερα από τις τρέχουσες τεχνολογίες προώθησης διαστημοπλοίων. Η απόσταση από τη Γη σε άλλους πλανήτες του ηλιακού συστήματος κυμαίνεται από τρία λεπτά φωτός έως περίπου τέσσερις ώρες φωτός. Ανάλογα με τον πλανήτη και την ευθυγράμμισή του με τη Γη, για ένα τυπικό μη επανδρωμένο διαστημόπλοιο τα ταξίδια αυτά θα διαρκέσουν από μερικούς μήνες έως λίγο περισσότερο από μια δεκαετία. Η απόσταση από άλλα αστέρια είναι πολύ μεγαλύτερη. Αν η απόσταση από τη Γη στον Ήλιο αναχθεί σε ένα μέτρο, η απόσταση από τον Άλφα Κενταύρου Α θα ήταν 271 χιλιόμετρα ή περίπου 169 μίλια.

Το πλησιέστερο γνωστό αστέρι στον Ήλιο είναι ο Κένταυρος Πρόξιμα, ο οποίος απέχει 4,23 έτη φωτός. Το ταχύτερο διαστημόπλοιο που έχει σταλεί μέχρι σήμερα, το Voyager 1, έχει καλύψει το 1/600 του έτους φωτός σε 30 χρόνια και επί του παρόντος κινείται με το 1/18.000 της ταχύτητας του φωτός. Με αυτόν τον ρυθμό, ένα ταξίδι στον Κένταυρο Πρόξιμα θα διαρκούσε 72.000 χρόνια. Φυσικά, η αποστολή αυτή δεν είχε ως στόχο να ταξιδέψει γρήγορα προς τα αστέρια και η σημερινή τεχνολογία θα μπορούσε να τα καταφέρει πολύ καλύτερα. Ο χρόνος ταξιδιού θα μπορούσε να μειωθεί σε μερικές χιλιετίες χρησιμοποιώντας ηλιακά πανιά, ή σε έναν αιώνα ή λιγότερο χρησιμοποιώντας πυρηνική παλμική πρόωση.

Η ειδική σχετικότητα προσφέρει τη δυνατότητα να μειωθεί ο χρόνος ταξιδιού: αν ένα διαστημόπλοιο με αρκετά προηγμένες μηχανές μπορούσε να φτάσει ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, η σχετικιστική διαστολή του χρόνου θα έκανε το ταξίδι πολύ πιο σύντομο για τον ταξιδιώτη. Ωστόσο, θα εξακολουθούσε να διαρκεί πολλά χρόνια, όπως το βλέπουν οι άνθρωποι που παραμένουν στη Γη. Επιστρέφοντας στη Γη, οι ταξιδιώτες θα διαπίστωναν ότι στη Γη είχε περάσει πολύ περισσότερος χρόνος απ' ό,τι γι' αυτούς (δίδυμο παράδοξο).

Πολλά προβλήματα θα λύνονταν αν υπήρχαν σκουληκότρυπες. Η γενική σχετικότητα δεν τις αποκλείει, αλλά απ' όσο γνωρίζουμε σήμερα, δεν υπάρχουν.

Επικοινωνίες

Ο χρόνος καθυστέρησης μετ' επιστροφής είναι ο ελάχιστος χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ της άφιξης ενός σήματος του ανιχνευτή στη Γη και της λήψης οδηγιών από τη Γη. Δεδομένου ότι η πληροφορία δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός, αυτός είναι για το Voyager 1 περίπου 32 ώρες, ενώ κοντά στον Κενταύρου Πρόξιμα θα ήταν 8 χρόνια. Οι ταχύτερες αντιδράσεις θα πρέπει να προγραμματιστούν ώστε να εκτελούνται αυτόματα. Φυσικά, στην περίπτωση μιας επανδρωμένης πτήσης το πλήρωμα μπορεί να αντιδράσει άμεσα στις παρατηρήσεις του. Ωστόσο, ο χρόνος καθυστέρησης του ταξιδιού μετ' επιστροφής τους καθιστά όχι μόνο εξαιρετικά απομακρυσμένους αλλά, από άποψη επικοινωνίας, εξαιρετικά απομονωμένους από τη Γη. Ένας άλλος παράγοντας είναι η ενέργεια που απαιτείται για να φτάσουν αξιόπιστα οι διαστρικές επικοινωνίες. Προφανώς, τα αέρια και τα σωματίδια θα υποβάθμιζαν τα σήματα (διαστρική εξαφάνιση) και θα υπήρχαν όρια στη διαθέσιμη ενέργεια για την αποστολή του σήματος.

Επανδρωμένες αποστολές

Η μάζα οποιουδήποτε σκάφους που θα μπορούσε να μεταφέρει ανθρώπους θα ήταν αναπόφευκτα σημαντικά μεγαλύτερη από εκείνη που απαιτείται για ένα μη επανδρωμένο διαστρικό σκάφος. Οι πολύ μεγαλύτεροι χρόνοι ταξιδιού θα απαιτούσαν ένα σύστημα υποστήριξης ζωής. Οι πρώτες διαστρικές αποστολές είναι απίθανο να μεταφέρουν μορφές ζωής.

Πρωταρχικοί στόχοι για διαστρικά ταξίδια

Υπάρχουν 59 γνωστά αστρικά συστήματα σε απόσταση 20 ετών φωτός από τον Ήλιο, τα οποία περιέχουν 81 ορατούς αστέρες. Τα ακόλουθα θα μπορούσαν να θεωρηθούν πρωταρχικοί στόχοι για διαστρικές αποστολές: Οι κίνδυνοι ακτινοβολίας θα απέκλειαν κάθε οργανικό ον από μια αποστολή στον Σείριο. Εν πάση περιπτώσει, είναι δύσκολο να φανταστούμε καθόλου επανδρωμένες αποστολές, δεδομένων των πιθανών χρόνων ταξιδιού.

Ίσως η πιο πιθανή στιγμή για διαστρικό ταξίδι θα ήταν όταν ένα αστέρι περάσει από το νέφος Oort. Θα πρέπει να μας προειδοποιήσουν για 10.000 χρόνια γι' αυτό, οπότε θα μπορούσαμε να προγραμματίσουμε το γεγονός με κάποια λεπτομέρεια. Δείτε το αστέρι του Scholz για την τελευταία φορά που πέρασε ένα.

Αστρικό σύστημα	Απόσταση (ly)	Παρατηρήσεις
Άλφα Κενταύρου	4.3	Πλησιέστερο σύστημα. Τρία αστέρια (G2, K1, M5). Το συστατικό Α είναι παρόμοιο με τον Ήλιο (αστέρας G2). Ο Άλφα Κενταύρου Β έχει έναν επιβεβαιωμένο πλανήτη.
Αστέρι του Barnard	6.0	Μικρός, χαμηλής φωτεινότητας ερυθρός νάνος M5. Επόμενος πλησιέστερος στο ηλιακό σύστημα.
Sirius	8.7	Μεγάλο, πολύ φωτεινό αστέρι Α1 με συνοδό λευκό νάνο.
Epsilon Eridani	10.8	Μονός αστέρας Κ2 ελαφρώς μικρότερος και ψυχρότερος από τον Ήλιο. Έχει δύο ζώνες αστεροειδών, μπορεί να έχει έναν γιγάντιο και έναν πολύ μικρότερο πλανήτη και μπορεί να διαθέτει ένα πλανητικό σύστημα τύπου ηλιακού συστήματος.
Tau Ceti	11.8	Μοναδικό αστέρι G8 παρόμοιο με τον Ήλιο. Υψηλή πιθανότητα να διαθέτει ένα πλανητικό σύστημα τύπου ηλιακού συστήματος: τα σημερινά στοιχεία δείχνουν 5 πλανήτες με δυνητικά δύο στην κατοικήσιμη ζώνη.
Gliese 581	20.3	Σύστημα πολλαπλών πλανητών. Ο μη επιβεβαιωμένος εξωπλανήτης Gliese 581 g και ο επιβεβαιωμένος εξωπλανήτης Gliese 581 d βρίσκονται στην κατοικήσιμη ζώνη του άστρου.
Vega	25.0	Τουλάχιστον ένας πλανήτης, και κατάλληλης ηλικίας για να έχει αναπτυχθεί πρωτόγονη ζωή

Η υπάρχουσα και η προσεχής αστρονομική τεχνολογία είναι ικανή να εντοπίσει πλανητικά συστήματα γύρω από αυτά τα αντικείμενα, αυξάνοντας τις δυνατότητες εξερεύνησής τους.