We hebben deze vraag op een bepaald moment in ons leven allemaal gesteld: hoe lang duurt het om naar de sterren te reizen? Zou het binnen iemands eigen leven kunnen zijn, en zou dit soort reizen ooit de norm kunnen worden? Er zijn veel mogelijke antwoorden op deze vraag - sommige heel eenvoudig, andere op het gebied van sciencefiction. Maar met een uitgebreid antwoord komen betekent dat je met veel dingen rekening moet houden.
Helaas zal elke realistische beoordeling waarschijnlijk antwoorden opleveren die futuristen en liefhebbers van interstellaire reizen volledig zouden ontmoedigen. Of je het nu leuk vindt of niet, de ruimte is erg groot en onze technologie is nog steeds erg beperkt. Maar als we ooit overwegen "het nest te verlaten", dan zullen we een reeks opties hebben om naar het dichtstbijzijnde zonnestelsel in onze melkweg te gaan.
De ster die het dichtst bij de aarde staat, is onze zon, een vrij "gemiddelde" ster in de Hertzsprung - Russell Diagram's "Hoofdreeks". Dit betekent dat het zeer stabiel is en de aarde precies het juiste type zonlicht geeft zodat het leven op onze planeet kan evolueren. We weten dat er planeten rond andere sterren in de buurt van ons zonnestelsel draaien, en veel van deze sterren lijken op de onze.
Mocht de mensheid in de toekomst het zonnestelsel willen verlaten, dan hebben we een enorme keuze aan sterren waar we naartoe kunnen reizen, en velen zouden de juiste omstandigheden kunnen hebben om te leven. Maar waar zouden we heen gaan en hoe lang zou het duren voordat we daar waren? Onthoud dat dit allemaal speculatief is en dat er momenteel geen maatstaf is voor interstellaire reizen. Dat gezegd hebbende, hier gaan we!
Dichtstbijzijnde ster:
Zoals eerder opgemerkt, is Proxima Centauri de ster die het dichtst bij ons zonnestelsel staat, en daarom is het logisch om eerst een interstellaire missie naar dit systeem uit te zetten. Als onderdeel van een drievoudig stersysteem genaamd Alpha Centauri, is Proxima ongeveer 4,24 lichtjaar (of 1,3 parsecs) verwijderd van de aarde. Alpha Centauri is eigenlijk de helderste ster van de drie in het systeem - onderdeel van een nauw omringende binaire 4,37 lichtjaar van de aarde - terwijl Proxima Centauri (de zwakste van de drie) een geïsoleerde rode dwerg is op ongeveer 0,13 lichtjaar van het binaire .
En terwijl interstellaire reizen allerlei visioenen oproepen van Faster-Than-Light (FTL) reizen, variërend van warpsnelheid en wormgaten tot jump drives, zijn dergelijke theorieën ofwel zeer speculatief (zoals de Alcubierre Drive) of volledig de wetenschappelijke provincie fictie. Naar alle waarschijnlijkheid zal elke deep space-missie waarschijnlijk generaties nodig hebben om daar te komen, in plaats van een paar dagen of in een oogwenk.
Dus, hoe lang duurt het om bij Proxima Centauri te komen, te beginnen met een van de langzaamste vormen van ruimtevaart?
Huidige methoden:
De vraag hoe lang het zou duren om ergens in de ruimte te komen, is iets gemakkelijker wanneer we omgaan met bestaande technologie en lichamen binnen ons zonnestelsel. Het zou bijvoorbeeld 8 uur en 35 minuten duren om de technologie te gebruiken die de New Horizons-missie aandreef - die bestond uit 16 stuwraketten die werden gevoed met monopropellant hydrazine.
Aan de andere kant is er de SMART-1-missie van de European Space Agency (ESA), die de tijd nam om naar de maan te reizen met behulp van ionische voortstuwing. Met deze revolutionaire technologie, waarvan een variatie sindsdien door het Dawn-ruimtevaartuig is gebruikt om Vesta te bereiken, duurde het een jaar, een maand en twee weken voordat de SMART-1-missie de maan bereikte.
Dus, van het snelle raket-aangedreven ruimtevaartuig tot de zuinige ionenaandrijving, we hebben een paar opties om de lokale ruimte te verkennen - plus we zouden Jupiter of Saturnus kunnen gebruiken voor een flinke zwaartekracht-katapult. Als we echter missies zouden overwegen naar iets verder weg, zouden we onze technologie moeten opschalen en kijken naar wat echt mogelijk is.
Wanneer we mogelijke methoden zeggen, hebben we het over die waarbij bestaande technologie betrokken is, of die nog niet bestaan, maar technisch haalbaar zijn. Sommige, zoals u zult zien, zijn aloude en bewezen, terwijl andere opkomen of nog steeds in het bestuur zitten. In vrijwel alle gevallen presenteren ze echter een mogelijk (maar extreem tijdrovend of duur) scenario om zelfs de dichtstbijzijnde sterren te bereiken ...
Ionische voortstuwing:
Momenteel is de ionenmotor de langzaamste voortstuwing en de meest brandstofzuinige. Een paar decennia geleden werd ionische voortstuwing beschouwd als het onderwerp van sciencefiction. De afgelopen jaren is de technologie ter ondersteuning van ionenmotoren echter op grote schaal van theorie naar praktijk overgegaan. De SMART-1-missie van de ESA heeft bijvoorbeeld met succes haar missie naar de maan voltooid na een spiraalpad van 13 maanden vanaf de aarde.
SMART-1 gebruikte ionische stuwraketten op zonne-energie, waarbij elektrische energie werd gewonnen uit de zonnepanelen en werd gebruikt om de Hall-effect stuwraketten aan te drijven. Er werd slechts 82 kg xenon-drijfgas gebruikt om de SMART-1 naar de maan te stuwen. 1 kg xenon-drijfgas leverde een delta-v van 45 m / s op. Dit is een zeer efficiënte voortstuwing, maar zeker niet snel.
Een van de eerste missies die gebruik maakte van ionaandrijvingstechnologie was de Deep Space 1 missie naar Komeet Borrelly die plaatsvond in 1998. DS1 gebruikte ook een xenon-aangedreven ionenaandrijving, die 81,5 kg drijfgas verbruikt. Meer dan 20 maanden van stoten slaagde DS1 erin een snelheid van 56.000 km / uur (35.000 mijl / uur) te bereiken tijdens de flyby van de komeet.
Ionenstuwraketten zijn daarom zuiniger dan rakettechnologie, omdat de stuwkracht per massa-eenheid drijfgas (ook bekend als specifieke impuls) veel hoger is. Maar het duurt lang voordat ionische stuwraketten het ruimtevaartuig tot grote snelheden versnellen, en de maximale snelheid die het kan bereiken, is afhankelijk van de brandstoftoevoer en hoeveel elektrische energie het kan genereren.
Dus als ionische voortstuwing zou worden gebruikt voor een missie naar Proxima Centauri, zouden de stuwraketten een enorme bron van energieproductie (dat wil zeggen kernenergie) en een grote hoeveelheid drijfgas nodig hebben (hoewel nog steeds minder dan conventionele raketten). Maar op basis van de aanname dat een voorraad van 81,5 kg xenon-drijfgas zich vertaalt in een maximale snelheid van 56.000 km / uur (en dat er geen andere vormen van voortstuwing beschikbaar zijn, zoals een zwaartekracht-katapult om het verder te versnellen), kunnen sommige berekeningen gemaakt zijn.
Kortom, bij een maximale snelheid van 56.000 km / u, Deep Space 1 zou overnemen 81.000 jaar om de 4,24 lichtjaar tussen de aarde en Proxima Centauri te doorkruisen. Om die tijdschaal in perspectief te plaatsen, zouden dat meer zijn dan 2700 menselijke generaties. Het is dus veilig om te zeggen dat een interplanetaire ionenmotor-missie veel te traag zou zijn om in aanmerking te komen voor een bemande interstellaire missie.
Maar als ionen stuwraketten groter en krachtiger zouden worden gemaakt (dwz de snelheid van de ionenuitlaat zou aanzienlijk hoger moeten zijn), en er zou voldoende drijfgas kunnen worden vervoerd om het ruimtevaartuig de hele 4.243 lichtjaarsreis op gang te houden, dan zou die reistijd enorm kunnen zijn verminderd. Nog steeds niet genoeg om in iemands leven te gebeuren.
Gravity Assist-methode:
Het snelst bestaande ruimtevaartsysteem staat bekend als de Gravity Assist-methode, waarbij een ruimtevaartuig de relatieve beweging (d.w.z. baan) en de zwaartekracht van een planeet gebruikt om te veranderen, is pad en snelheid. Zwaartekrachtassistenten zijn een zeer nuttige ruimtevluchttechniek, vooral wanneer de aarde of een andere enorme planeet (zoals een gasreus) wordt gebruikt voor een hogere snelheid.
De Zeeman 10 ruimtevaartuigen waren de eerste die deze methode gebruikten, waarbij ze de zwaartekracht van Venus gebruikten om het in februari 1974 naar Mercurius te slingeren. In de jaren tachtig Voyager 1 sonde gebruikte Saturnus en Jupiter voor zwaartekracht katapulten om de huidige snelheid van 60.000 km / uur (38.000 mijl / uur) te bereiken en de interstellaire ruimte te maken.
Het was echter de Helios 2 missie - die in 1976 werd gelanceerd om het interplanetaire medium van 0,3 AU tot 1 AU tot de zon te bestuderen - die het record behaalt voor de hoogste snelheid die wordt bereikt met een zwaartekrachthulp. Destijds, Helios 1 (gelanceerd in 1974) en Helios 2 hield het record voor de dichtstbijzijnde nadering tot de zon. Helios 2 werd gelanceerd door een conventionele NASA Titan / Centaur lanceervoertuig en geplaatst in een zeer elliptische baan.
Vanwege de grote excentriciteit (0,54) van de sondes baan om de zon (190 dagen), in het perihelium, Helios 2 kon een maximale snelheid van meer dan 240.000 km / uur (150.000 mijl / uur) bereiken. Deze orbitale snelheid werd bereikt door alleen de zwaartekracht van de zon. Technisch gezien de Helios 2 periheliumsnelheid was geen zwaartekracht-katapult, het was een maximale orbitale snelheid, maar het is nog steeds het record omdat het het snelste door mensen gemaakte object is.
Dus indien Voyager 1 reisde in de richting van de rode dwerg Proxima Centauri met een constante snelheid van 60.000 km / uur, het zou 76.000 jaar (of meer dan 2.500 generaties) duren om die afstand af te leggen. Maar als het de recordbrekende snelheid van zou kunnen bereiken Helios 2'S nadering van de zon - een constante snelheid van 240.000 km / uur - zou nodig zijn 19.000 jaar (of meer dan 600 generaties) om 4.243 lichtjaar te reizen. Aanzienlijk beter, maar nog steeds niet op het gebied van bruikbaarheid.
Elektromagnetische (EM) aandrijving:
Een andere voorgestelde methode van interstellaire reizen komt in de vorm van de Radiofrequentie (RF) Resonante Cavity Thruster, ook wel bekend als de EM Drive. Oorspronkelijk voorgesteld in 2001 door Roger K. Shawyer, een Britse wetenschapper die Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) oprichtte om het tot bloei te brengen, is deze aandrijving gebouwd rond het idee dat elektromagnetische microgolfholten de directe omzetting van elektrische energie in stuwkracht mogelijk kunnen maken .
Terwijl conventionele elektromagnetische stuwraketten zijn ontworpen om een bepaald type massa (zoals geïoniseerde deeltjes) voort te stuwen, vertrouwt dit specifieke aandrijfsysteem niet op reactiemassa en zendt het geen gerichte straling uit. Een dergelijk voorstel is met veel scepsis ontvangen, vooral omdat het in strijd is met de wet van behoud van momentum - die stelt dat binnen een systeem de hoeveelheid momentum constant blijft en niet wordt gecreëerd of vernietigd, maar alleen verandert door de actie van krachten.
Recente experimenten met het ontwerp hebben echter blijkbaar positieve resultaten opgeleverd. In juli 2014, tijdens de 50e AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference in Cleveland, Ohio, beweerden onderzoekers van NASA's geavanceerde voortstuwingsonderzoek dat ze met succes een nieuw ontwerp hadden getest voor een elektromagnetische voortstuwingsaandrijving.
Dit werd in april 2015 opgevolgd toen onderzoekers van NASA Eagleworks (onderdeel van het Johnson Space Center) beweerden dat ze de schijf met succes in een vacuüm hadden getest, een indicatie dat deze mogelijk in de ruimte zou werken. In juli van datzelfde jaar bouwde een onderzoeksteam van de afdeling Space System van de Technische Universiteit van Dresden hun eigen versie van de motor en observeerde een detecteerbare stuwkracht.
En in 2010 begon prof. Juan Yang van de Northwestern Polytechnical University in Xi'an, China, een reeks artikelen te publiceren over haar onderzoek naar EM Drive-technologie. Dit culmineerde in haar paper uit 2012, waar ze een hoger ingangsvermogen (2,5 kW) rapporteerde en stuwkracht (720 mN) testte. In 2014 rapporteerde ze verder uitgebreide tests met interne temperatuurmetingen met ingebouwde thermokoppels, wat leek te bevestigen dat het systeem werkte.
Volgens berekeningen op basis van het NASA-prototype (dat een geschatte kracht van 0,4 N / kilowatt opleverde), zou een ruimtevaartuig met de EM-aandrijving de reis naar Pluto in minder dan 18 maanden kunnen maken. Dat is een zesde van de tijd die de New Horizons-sonde nodig had om daar te komen, die reed met snelheden van bijna 58.000 km / h (36.000 mph).
Klinkt indrukwekkend. Maar zelfs in dat tempo zou het een schip met EM-motoren overnemen 13.000 jaar zodat het schip Proxima Centauri kan bereiken. Dichterbij komen, maar niet snel genoeg! en tot het moment dat definitief bewezen kan worden dat technologie werkt, heeft het weinig zin om onze eieren in deze mand te doen.
Nucleaire thermische / nucleaire elektrische voortstuwing (NTP / NEP):
Een andere mogelijkheid voor interstellaire ruimtevluchten is het gebruik van ruimtevaartuigen die zijn uitgerust met nucleaire motoren, een concept dat NASA al decennia lang onderzoekt. In een nucleaire thermische voortstuwing (NTP) worden raket-, uranium- of deuteriumreacties gebruikt om vloeibare waterstof in een reactor te verwarmen, waardoor het wordt omgezet in geïoniseerd waterstofgas (plasma), dat vervolgens door een raketmondstuk wordt geleid om stuwkracht te genereren.
Een Nuclear Electric Propulsion (NEP) -raket houdt in dat dezelfde basisreactor zijn warmte en energie omzet in elektrische energie, die vervolgens een elektrische motor zou aandrijven. In beide gevallen zou de raket vertrouwen op kernsplijting of fusie om voortstuwing te genereren in plaats van op chemische stuwstoffen, wat tot nu toe de steunpilaar van NASA en alle andere ruimtevaartagentschappen was.
Vergeleken met chemische voortstuwing bieden zowel NTP als NEC een aantal voordelen. De eerste en meest voor de hand liggende is de vrijwel onbeperkte energiedichtheid die het biedt in vergelijking met raketbrandstof. Bovendien zou een nucleair aangedreven motor ook een superieure stuwkracht kunnen leveren in verhouding tot de hoeveelheid gebruikte stuwstof. Dit zou de totale benodigde hoeveelheid drijfgas verminderen, waardoor het lanceergewicht en de kosten van individuele missies zouden worden verlaagd.
Hoewel er nog nooit nucleair-thermische motoren zijn gevlogen, zijn er de afgelopen decennia verschillende ontwerpconcepten gebouwd en getest en zijn er talloze concepten voorgesteld. Deze varieerden van het traditionele solid-core ontwerp - zoals de Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - tot geavanceerdere en efficiëntere concepten die afhankelijk zijn van een vloeistof- of een gaskern.
Ondanks deze voordelen op het gebied van brandstofefficiëntie en specifieke impuls, heeft het meest geavanceerde NTP-concept een maximale specifieke impuls van 5000 seconden (50 kN · s / kg). Met behulp van door kernsplijting of kernfusie aangedreven nucleaire motoren schatten NASA-wetenschappers dat het slechts 90 dagen zou kosten om een ruimteschip te bereiken om Mars te bereiken wanneer de planeet in oppositie was - d.w.z. zo dicht mogelijk bij 55.000.000 km van de aarde.
Maar aangepast voor een enkele reis naar Proxima Centauri, zou een nucleaire raket nog eeuwen nodig hebben om te versnellen tot het punt waar hij een fractie van de lichtsnelheid vloog. Het zou dan tientallen jaren reistijd vergen, gevolgd door nog vele eeuwen vertraging voordat het zijn bestemming zou bereiken. Alles bij elkaar hebben we het nog steeds over 1000 jaar voordat het zijn bestemming bereikt. Goed voor interplanetaire missies, niet zo goed voor interstellaire.
Theoretische methoden:
Met de bestaande technologie zou de tijd die het kost om wetenschappers en astronauten op een interstellaire missie te sturen onbetaalbaar lang zijn. Als we die reis binnen een enkel leven willen maken, of zelfs een generatie, zal er iets radicaler (oftewel zeer theoretisch) nodig zijn. En hoewel wormgaten en springmotoren op dit moment nog steeds pure fictie zijn, zijn er enkele vrij geavanceerde ideeën die in de loop van de jaren zijn overwogen.
Nuclear Pulse Propulsion:
Kernpulsvoortstuwing is een theoretisch mogelijke vorm van snelle ruimtereizen. Het concept was oorspronkelijk in 1946 voorgesteld door Stanislaw Ulam, een Pools-Amerikaanse wiskundige die deelnam aan het Manhattan-project, en de voorlopige berekeningen werden vervolgens gemaakt door F. Reines en Ulam in 1947. Het eigenlijke project - bekend als Project Orion - werd geïnitieerd in 1958 en duurde tot 1963.
Geleid door Ted Taylor van General Atomics en natuurkundige Freeman Dyson van het Institute for Advanced Study in Princeton, hoopte Orion de kracht van gepulste nucleaire explosies te benutten om een enorme stuwkracht te bieden met een zeer hoge specifieke impuls (dwz de hoeveelheid stuwkracht in vergelijking met gewicht of het aantal seconden dat de raket continu kan vuren).
In een notendop: het Orion-ontwerp betreft een groot ruimtevaartuig met een grote voorraad thermonucleaire kernkoppen die voortstuwing bewerkstelligen door er een bom achter te laten en vervolgens op de ontstekingsgolf te rijden met behulp van een aan de achterkant gemonteerde pad, een 'duwer' genaamd. Na elke explosie wordt de explosieve kracht geabsorbeerd door dit duwkussen, dat vervolgens de stuwkracht omzet in momentum.
Hoewel het naar moderne maatstaven nauwelijks elegant is, heeft het ontwerp het voordeel dat het een hoge specifieke impuls bereikt - wat betekent dat het de maximale hoeveelheid energie uit zijn brandstofbron (in dit geval atoombommen) haalt tegen minimale kosten. Bovendien zou het concept theoretisch zeer hoge snelheden kunnen bereiken, waarbij sommige schattingen suggereren dat een marge tot wel 5% de lichtsnelheid bedraagt (of 5,4 x 107 km / uur).
Maar natuurlijk zijn er de onvermijdelijke nadelen aan het ontwerp. Ten eerste zou een schip van deze omvang ongelooflijk duur zijn om te bouwen. Volgens schattingen van Dyson in 1968 zou een Orion-ruimtevaartuig dat waterstofbommen gebruikte om voortstuwing te genereren 400.000 tot 4.000.000 ton wegen. En minstens driekwart van dat gewicht bestaat uit atoombommen, waarbij elke kernkop ongeveer 1 ton weegt.
Alles bij elkaar plaatsten de meest conservatieve schattingen van Dyson de totale kosten van het bouwen van een Orion-vaartuig op 367 miljard dollar. Gecorrigeerd voor inflatie komt dat neer op ongeveer $ 2,5 biljoen dollar, wat goed is voor meer dan tweederde van de huidige jaarlijkse inkomsten van de Amerikaanse regering. Daarom zou het vaartuig, zelfs op zijn lichtst, extreem duur zijn om te vervaardigen.
Er is ook het kleine probleem van alle straling die het genereert, om nog maar te zwijgen van kernafval. Het is in feite om deze reden dat wordt aangenomen dat het project is beëindigd als gevolg van de goedkeuring van het Partial Test Ban-verdrag van 1963, dat tot doel had de nucleaire tests te beperken en de buitensporige verspreiding van nucleaire neerslag in de atmosfeer van de planeet te stoppen.
Fusion-raketten:
Een andere mogelijkheid binnen het domein van de benutte kernenergie zijn raketten die afhankelijk zijn van thermonucleaire reacties om stuwkracht te genereren. Voor dit concept wordt energie gecreëerd wanneer pellets van een deuterium / helium-3-mengsel in een reactiekamer worden ontstoken door inertiële opsluiting met behulp van elektronenstralen (vergelijkbaar met wat wordt gedaan in de National Ignition Facility in Californië). Deze fusiereactor zou 250 pellets per seconde tot ontploffing brengen om hoogenergetisch plasma te creëren, dat vervolgens door een magnetisch mondstuk zou worden geleid om stuwkracht te creëren.
Als een raket die afhankelijk is van een kernreactor, biedt dit concept voordelen wat betreft brandstofefficiëntie en specifieke impulsen. Uitlaatsnelheden tot 10.600 km / s worden geschat, wat ver boven de snelheid van conventionele raketten ligt. Bovendien is de technologie de afgelopen decennia uitgebreid bestudeerd en zijn er veel voorstellen gedaan.
Zo heeft de British Interplanetary Society tussen 1973 en 1978 een haalbaarheidsonderzoek uitgevoerd dat bekend staat als Project Daedalus. Zich baserend op de huidige kennis van fusietechnologie en bestaande methoden, riep de studie op tot de creatie van een tweetraps onbemande wetenschappelijke sonde die een reis naar Barnard's Star (5,9 lichtjaar van de aarde) maakt in één enkel leven.
De eerste fase, de grootste van de twee, zou 2,05 jaar werken en het ruimtevaartuig versnellen tot 7,1% van de lichtsnelheid (o.071 c). Deze fase zou dan worden afgeworpen, waarna de tweede fase de motor zou ontsteken en het ruimtevaartuig zou versnellen tot ongeveer 12% van de lichtsnelheid (0,12 c) in de loop van 1,8 jaar. De motor van de tweede trap zou dan worden uitgeschakeld en het schip zou een cruise van 46 jaar ingaan.
Volgens schattingen van het project duurt het 50 jaar voordat de missie Barnard's Star bereikt. Gecorrigeerd voor Proxima Centauri, zou hetzelfde vaartuig de reis kunnen maken 36 jaar. Maar natuurlijk identificeerde het project ook tal van struikelblokken die het onhaalbaar maakten met de toenmalige huidige technologie - waarvan de meeste nog steeds niet zijn opgelost.
Zo is er bijvoorbeeld het feit dat helium-3 op aarde schaars is, wat betekent dat het elders (waarschijnlijk op de maan) moet worden gedolven. Ten tweede vereist de reactie die het ruimtevaartuig aandrijft dat de vrijgekomen energie de energie die wordt gebruikt om de reactie op gang te brengen, enorm overtreft. En hoewel experimenten hier op aarde het 'break-even-doel' hebben overtroffen, zijn we nog ver verwijderd van de soorten energie die nodig zijn om een interstellair ruimteschip aan te drijven.
Ten derde is er de kostenfactor voor het bouwen van een dergelijk schip. Zelfs volgens de bescheiden standaard van het onbemande vaartuig van Project Daedalus, zou een volledig gevuld vaartuig maar liefst 60.000 Mt wegen. Om dat in perspectief te plaatsen, het brutogewicht van NASA's SLS is iets meer dan 30 Mt, en een enkele lancering heeft een prijskaartje van $ 5 miljard (gebaseerd op schattingen gemaakt in 2013).
Kortom, een fusieraket zou niet alleen onbetaalbaar zijn om te bouwen; het zou ook een niveau van fusiereactortechnologie vereisen dat momenteel buiten onze mogelijkheden ligt. Icarus Interstellar, een internationale organisatie van vrijwillige burgerwetenschappers (van wie sommigen voor NASA of de ESA hebben gewerkt), hebben sindsdien geprobeerd het concept nieuw leven in te blazen met Project Icarus. Opgericht in 2009, hoopt de groep in de nabije toekomst (onder andere) fusie-aandrijving haalbaar te maken.
Fusion Ramjet:
Deze theoretische vorm van voortstuwing, ook bekend als de Bussard Ramjet, werd voor het eerst voorgesteld door natuurkundige Robert W. Bussard in 1960. In wezen is het een verbetering ten opzichte van de standaard kernfusieraket, die magnetische velden gebruikt om waterstofbrandstof te comprimeren tot het punt dat fusie treedt op. Maar in het geval van de Ramjet "haalt" een enorme elektromagnetische trechter waterstof uit het interstellaire medium en dumpt het als brandstof in de reactor.
Naarmate het schip sneller wordt, wordt de reactieve massa in een geleidelijk beperkt magnetisch veld gedwongen en gecomprimeerd totdat er thermonucleaire fusie optreedt. Het magnetische veld stuurt vervolgens de energie als raketuitlaat door een motormondstuk, waardoor het vaartuig wordt versneld. Zonder brandstoftanks om het te verzwaren, zou een fusion ramjet snelheden kunnen bereiken die de 4% van de lichtsnelheid benaderen en overal in de melkweg reizen.
De mogelijke nadelen van dit ontwerp zijn echter talrijk. Er is bijvoorbeeld het probleem van slepen. Het schip vertrouwt op verhoogde snelheid om brandstof te verzamelen, maar naarmate het botst met steeds meer interstellaire waterstof, kan het ook snelheid verliezen - vooral in dichtere gebieden van de melkweg. Ten tweede zijn deuterium en tritium (gebruikt in fusiereactoren hier op aarde) zeldzaam in de ruimte, terwijl het fuseren van gewone waterstof (die in de ruimte overvloedig aanwezig is) onze huidige methoden te boven gaat.
Dit concept is op grote schaal populair geworden in science fiction. Misschien wel het bekendste voorbeeld hiervan is in de franchise van Star Trek, waar "Bussard-verzamelaars" de gloeiende gondels op kettingmotoren zijn. Maar in werkelijkheid moet onze kennis van fusiereacties aanzienlijk toenemen voordat een ramjet mogelijk is. We zouden ook dat vervelende probleem van slepen moeten uitzoeken voordat we begonnen met het bouwen van zo'n schip!
Laser zeil:
Zonnezeilen worden al lang beschouwd als een kosteneffectieve manier om het zonnestelsel te verkennen. Behalve dat ze relatief eenvoudig en goedkoop te vervaardigen zijn, is er de extra bonus dat zonnezeilen geen brandstof nodig hebben. In plaats van raketten te gebruiken die drijfgas nodig hebben, gebruikt het zeil de stralingsdruk van sterren om grote ultradunne spiegels naar hoge snelheden te duwen.
Omwille van de interstellaire vlucht zou een dergelijk zeil echter moeten worden aangedreven door gerichte energiebundels (d.w.z. lasers of microgolven) om het naar een snelheid te duwen die de lichtsnelheid nadert. Het concept werd oorspronkelijk voorgesteld door Robert Forward in 1984, die destijds fysicus was bij de onderzoekslaboratoria van Hughes Aircraft.
Het concept behoudt de voordelen van een zonnezeil, omdat het geen brandstof aan boord nodig heeft, maar ook omdat laserenergie langzamer niet verdwijnt als zonnestraling. Dus terwijl een lasergestuurd zeil enige tijd nodig zou hebben om te versnellen tot bijna lichtgevende snelheden, zou het alleen beperkt zijn tot de lichtsnelheid zelf.
Volgens een onderzoek uit 2000 van Robert Frisbee, een directeur van geavanceerde voortstuwingsconceptstudies bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, zou een laserzeil in minder dan een decennium kunnen worden versneld tot de helft van de lichtsnelheid. Hij berekende ook dat een zeil met een diameter van ongeveer 320 km (200 mijl) in iets meer dan Proxima Centauri kon bereiken 12 jaar. Ondertussen zou een zeil met een diameter van ongeveer 965 km (600 mijl) binnenkomen 9 jaar.
Een dergelijk zeil zou echter van geavanceerde composieten moeten worden gemaakt om smelten te voorkomen. In combinatie met zijn formaat zou dit een mooie cent opleveren! Erger nog, de enorme kosten van het bouwen van een laser die groot en krachtig genoeg is om een zeil tot de helft van de lichtsnelheid te laten rijden. Volgens Frisbee's eigen onderzoek zouden de lasers een gestage stroom van 17.000 terawatt aan stroom nodig hebben - dicht bij wat de hele wereld in één dag verbruikt.
Antimaterie Engine:
Fans van sciencefiction hebben vast wel eens van antimaterie gehoord. Maar voor het geval dat niet het geval is, is antimaterie in wezen materiaal dat bestaat uit antideeltjes, die dezelfde massa hebben, maar de tegenovergestelde lading als gewone deeltjes. Een antimaterie-motor is een vorm van voortstuwing die interacties tussen materie en antimaterie gebruikt om kracht op te wekken of stuwkracht te creëren.
Kortom, een antimaterie-motor houdt in dat deeltjes waterstof en anti-waterstof samen worden dichtgeslagen. Deze reactie ontketent evenveel energie als een thermonucleaire bom, samen met een regen van subatomaire deeltjes die pionen en muonen worden genoemd. Deze deeltjes, die met een derde van de lichtsnelheid zouden reizen, worden vervolgens gekanaliseerd door een magnetisch mondstuk om stuwkracht te genereren.
Het voordeel van deze klasse raketten is dat een groot deel van de restmassa van een materie / antimaterie-mengsel kan worden omgezet in energie, waardoor antimaterie-raketten een veel hogere energiedichtheid en een specifieke impuls kunnen hebben dan elke andere voorgestelde raketklasse. Bovendien zou het beheersen van dit soort reacties mogelijk een raket tot de helft van de lichtsnelheid kunnen duwen.
Pond voor pond zou deze scheepsklasse de snelste en zuinigste ooit zijn. Terwijl conventionele raketten tonnen chemische brandstof nodig hebben om een ruimteschip naar zijn bestemming te stuwen, zou een antimaterie-motor hetzelfde werk kunnen doen met slechts een paar milligram brandstof. In feite zou de wederzijdse vernietiging van een half pond waterstof- en anti-waterstofdeeltjes meer energie vrijmaken dan een waterstofbom van 10 megaton.
Het is precies om deze reden dat NASA's Institute for Advanced Concepts (NIAC) heeft de technologie onderzocht als een mogelijk middel voor toekomstige Mars-missies. Helaas, bij het overwegen van missies naar nabijgelegen sterrenstelsels, wordt de hoeveelheid brandstof die nodig is om de reis te maken exponentieel vermenigvuldigd, en de kosten die ermee gemoeid zijn, zouden astronomisch zijn (geen woordspeling!).
Volgens een rapport opgesteld voor de 39e AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit (ook door Robert Frisbee), zou een tweetraps antimaterieraket meer dan 815.000 ton (900.000 US ton) brandstof nodig hebben om de reis te maken aan Proxima Centauri in ongeveer 40 jaar. Dat is niet erg, wat de tijdlijnen betreft. Maar nogmaals, de kosten ...
Terwijl één gram antimaterie een ongelooflijke hoeveelheid energie zou produceren, wordt geschat dat het produceren van slechts één gram ongeveer 25 miljoen miljard kilowattuur energie zou kosten en meer dan een biljoen dollar zou kosten. Op dit moment is de totale hoeveelheid antimaterie die door mensen is gemaakt minder dan 20 nanogram.
En zelfs als we goedkoop antimaterie zouden kunnen produceren, zou je een enorm schip nodig hebben om de hoeveelheid brandstof vast te houden. Volgens een rapport van Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby van de Embry-Riddle Aeronautical University in Arizona, zou een interstellair vaartuig uitgerust met een antimaterie-motor 0,5 de lichtsnelheid kunnen bereiken en Proxima Centauri iets meer bereiken 8 jaar. Het schip zelf zou echter 400 ton (441 US ton) wegen en 170 ton (187 US ton) antimateriebrandstof nodig hebben om de reis te maken.
Een mogelijke manier om dit te omzeilen is om een vat te maken dat antimaterie kan maken en dat vervolgens als brandstof kan opslaan. Dit concept, bekend als het Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), werd voorgesteld door Richard Obousy van Icarus Interstellar. Gebaseerd op het idee van in-situ tanken, zou een VARIES-schip vertrouwen op grote lasers (aangedreven door enorme zonnepanelen) die deeltjes antimaterie zouden creëren wanneer ze op lege ruimte zouden worden afgevuurd.
Net als het Ramjet-concept lost dit voorstel het probleem van het vervoeren van brandstof op door het vanuit de ruimte te gebruiken. Maar nogmaals, de enorme kosten van een dergelijk schip zouden met de huidige technologie onbetaalbaar zijn. Bovendien is het vermogen om in grote hoeveelheden antimaterie te creëren niet iets dat we momenteel kunnen doen. Er is ook de kwestie van straling, aangezien vernietiging van materie-antimaterie explosies van hoogenergetische gammastraling kan veroorzaken.
Dit vormt niet alleen een gevaar voor de bemanning, waarvoor aanzienlijke stralingsafscherming nodig is, maar vereist ook dat de motoren worden afgeschermd om ervoor te zorgen dat ze geen atomaire afbraak ondergaan van alle straling waaraan ze worden blootgesteld. Kortom, de antimaterie-engine is volkomen onpraktisch met onze huidige technologie en in de huidige budgetomgeving.
Alcubierre Warp Drive:
Fans van sciencefiction zijn ongetwijfeld bekend met het concept van een Alcubierre (of "Warp") Drive. Deze voorgestelde methode, die in 1994 door de Mexicaanse natuurkundige Miguel Alcubierre werd voorgesteld, was een poging om FTL-reizen mogelijk te maken zonder de theorie van de speciale relativiteitstheorie van Einstein te schenden. Kortom, het concept houdt in dat het weefsel van ruimte-tijd in een golf wordt uitgerekt, waardoor de ruimte vóór een object theoretisch zou samentrekken en de ruimte erachter zou uitzetten.
Een object binnen deze golf (d.w.z. een ruimteschip) zou dan deze golf, bekend als een "warpbel", voorbij relativistische snelheden kunnen berijden. Aangezien het schip niet binnen deze bel beweegt, maar wordt meegenomen terwijl het beweegt, zouden de regels van ruimte-tijd en relativiteit niet meer gelden. De reden hiervoor is dat deze methode niet afhankelijk is van het sneller bewegen dan licht in lokale zin.
Het is alleen 'sneller dan licht' in die zin dat het schip sneller zijn bestemming zou kunnen bereiken dan een lichtstraal die buiten de warpbel reisde. Dus in de veronderstelling dat een ruimtevaartuig zou kunnen worden uitgerust met een Alcubierre Drive-systeem, zou het de reis naar Proxima Centauri kunnen maken in minder dan 4 jaar. Dus als het gaat om theoretische interstellaire ruimtevaart, is dit veruit de meest veelbelovende technologie, althans in termen van snelheid.
Uiteraard heeft het concept door de jaren heen zijn aandeel in tegenargumenten gekregen. De belangrijkste daarvan is het feit dat het geen rekening houdt met de kwantummechanica en kan worden ongeldig gemaakt door een theorie van alles (zoals de kwantumzwaartekracht van de lus). Berekeningen van de hoeveelheid benodigde energie hebben er ook op gewezen dat voor een kettingaandrijving een onbetaalbare hoeveelheid stroom nodig is om te werken. Andere onzekerheden zijn onder meer de veiligheid van een dergelijk systeem, de effecten op de ruimtetijd op de bestemming en schendingen van causaliteit.
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!
