Ми вирушили в уявну подорож до Альфи Центавра, точніше до другої планети Проксима b, яку також називають Землею. Для того, щоб дістатися туди за кілька років і отримати наше тіло навантаженням, що відповідає ґрунтовим умовам, 1 g ми починаємо з прискорення, а потім вставляємо розділ невагомості, щоб заощадити паливо, і в кінці уповільнення також дорівнює 1 g-трапиться з.
Тут ми підійшли до критичного питання: скільки пального вам ще потрібно для подорожі? Для цього нам потрібно оцінити роботу прискорення! Проблема в тому, що паливо, яке ми беремо з собою, також потрібно прискорити. Нехай це буде маса M0 при запуску, до якого додається космічний корабель м корисна вага. На фазі прискорення та уповільнення М + м для маси 1 g забезпечити прискорення там, де кількість палива є початковою M0-поступово зменшується від нуля до нуля.
Графіка: Руберт Йонас Тот
Визначте, скільки палива потрібно у фазах прискорення та уповільнення разом. Сукупна довжина двох ділянок, яку необхідно враховувати при нашому розрахунку в системі космічних кораблів, буде меншою через релятивістське скорочення, а саме 1204 світлових роки, тобто c 2/g зменшується до 1,254 довжини на одиницю. Навіть у разі постійного прискорення або уповільнення, кількість палива, що використовується на одиницю довжини, поступово зменшуватиметься, оскільки космічний корабель стане легшим і легшим за рахунок вичерпання палива.
Як ми побачимо, кількість вихідного палива значно перевищує корисне навантаження, тому в першому наближенні достатньо врахувати лише це. Тоді витрачене паливо за одиницю поїздки буде пропорційне масі одиниці k можна описати коефіцієнтом пропорційності. Наслідком цього є те, що кількість пального під час подорожі експоненціально зменшується із зазначеним коефіцієнтом пропорційності k: тобто РС) = M0 · e -k.s . Фактична втрата ваги швидша, ніж це, тому що вона є насправді М + м загальна маса повинна бути прискорена, тому наша оцінка дає нижню межу необхідної кількості палива. До кінця фази уповільнення у вас закінчиться паливо, і космічний корабель буде важити стільки ж м з корисною масою. Ми можемо ввести його в рамках наближення м = M0 · e -k.s рівність, з якої ми отримуємо оцінку мінімального відношення палива до маси нетто:
Повторимося: кількість палива може бути лише більшою за цю! Це призводить до вже згаданого, експоненціально зростаючого попиту на паливо залежно від пройденої відстані.
Але що визначає a k експоненціальне постійне значення? Тут ми дійшли до найважливішого зв’язку між теорією відносності, яка створює зв’язок між масою та енергією, тобто М Максимальна енергія, яку можна отримати від палива з масою M · c 2 . Фактично видобута енергія може бути лише меншою η коефіцієнт корисної дії можна вказати: ηM · c 2 . Використовується при здійсненні одиничної відстані kηM · c 2 енергія створює M · g робота прискорення для якої k = g/ηc 2 . Таким чином, ми отримуємо нижчу оцінку відношення палива до маси нетто:
Роль економії палива в космічних подорожах
Якщо використовується будь-яке хімічне паливо, ефективність менше однієї мільярдної частки, ми не можемо досягти більше десяти тисяч ККД, використовуючи енергію, що виділяється під час розпаду ядер (це випливає з дефіциту маси розпадається радіоактивного атома), навіть використовуючи реакції синтезу, які ми не можемо очікуйте більше 1 відсотка за масою (цей синтез, спричинений дефіцитом маси атомів). У нашому випадку шлях задається у відносних одиницях s · g/c 2 = 1,224, і це слід розділити на мінімум η коефіцієнт корисної дії. В результаті показник експоненції буде надзвичайно високим, і навіть у випадку реактора термоядерного синтезу знадобиться непередбачувана кількість палива, така що не всім зіркам на Чумацькому Шляху вистачить матеріалу.
Найефективніше виробництво енергії за допомогою античастинкового реактора
Отже, основною вимогою експедиції є енергоефективність, близька до одиниці. Це можливо? Не обмежуймося лише технічними бар'єрами і припустімо, що знищення речовини-антиречовини було б джерелом енергії: перш за все, антипротон і знищення протонів могли б бути основою. Проблема, звичайно, полягала б у зборі та зберіганні антипротонів, оскільки потрібен був би контейнер там, де античастинка не могла б контактувати зі стінкою контейнера. Отже, заряджена антипротоном частинка може бути витіснена на орбіту в магнітному полі, і якщо контейнер був заряджений негативно, він міг би відштовхувати антипротони сам по собі. Отже, в принципі можна створити таку електромагнітну пастку, але, звичайно, вона також вимагає енергії, що забезпечує роботу.
Ризики реактора проти частинок
Антипротони можна отримати з космічного випромінювання, оскільки його енергія досить висока для утворення цих частинок - якщо, навпаки, вони збираються у великих масах, ризик надзвичайно зростає. Вони потребували б кількості, багаторазово перевищує загальну масу ядерного заряду водневих бомб, що зберігаються в даний час на Землі, а ефективність можливого вибуху була б більше ніж у сто разів більша. Достатньо однієї невеликої технічної вади, і якби стався вибух, це не тільки знищило б життя на Землі, але й підірвало б земну кору. Астронавтам загрожувала б ще більша небезпека, оскільки вже неможливо було передбачити близьку швидкість світла, якщо якийсь більший космічний об'єкт завадить орбіті, і маневрування буде складно з такою швидкістю. Таким чином, навряд чи можливо створити систему безпеки, яка б достатньо знизила ризик зіткнення та вибуху.
Що б не було сказано, незалежно від високого рівня технологій, ризик міжзоряної експедиції був би надзвичайно високим. Однак життєздатним способом може бути відправлення автоматичних космічних кораблів, безпілотників, які можна прискорити за допомогою наземних джерел енергії (лазерів), щоб дістатися до сусідніх зірок в режимі реального часу і надіслати нам звідти новини про світ Proxima b . Однак я не бачу реалістичного шансу подорожувати до другої планети під назвою Земля, вона назавжди залишиться у світі фантастики - якщо ми не проведемо довгі тисячоліття в подорожі і не звикнемо своє тіло до невагомості.
Автор - почесний професор BME та ELTE.