Cât de mult combustibil ai nevoie pentru călătorii interstelare?

Am pornit într-o călătorie imaginară către Centaurul Alfa, mai precis a doua planetă Proxima b, numită și Pământ. Pentru a ajunge acolo în câțiva ani și a obține corpului nostru o sarcină adecvată condițiilor de la sol, 1 g începem cu accelerația și apoi introducem o secțiune de imponderabilitate pentru a economisi combustibil, apoi la sfârșit decelerarea este și 1 g-s-ar întâmpla cu.

Aici ajungem la întrebarea critică: de cât combustibil mai aveți nevoie pentru a călători? Pentru a face acest lucru, trebuie să estimăm activitatea de accelerare! Problema este că și combustibilul pe care îl luăm cu noi trebuie accelerat. Să fie aceasta masa M0 la lansare, la care se adaugă nava spațială m greutate utilă. În faza de accelerație și decelerare, M + m pentru masa 1 g asigurați o accelerație acolo unde cantitatea de combustibil este inițială M0-scade treptat de la zero la zero.

Grafică: Róbert Jónás Tóth

Determinați cât de mult combustibil este necesar în fazele de accelerație și decelerare împreună. Lungimea combinată a celor două secțiuni, care trebuie luată în considerare la calculul nostru în sistemul navei spațiale, va fi mai mică datorită contracției relativiste, și anume 1.204 ani-lumină, adică c 2/g scade la 1,244 în lungime pe unitate. Chiar și în cazul accelerației sau decelerării constante, cantitatea de combustibil utilizată pe unitate de lungime va scădea treptat, deoarece nava spațială va deveni mai ușoară și mai ușoară din cauza epuizării combustibilului.

După cum vom vedea, cantitatea de combustibil de pornire depășește cu mult sarcina utilă, deci în prima aproximare este suficient să se ia în considerare doar acest lucru. Apoi, combustibilul consumat pe unitate de deplasare va fi proporțional cu masa unuia k poate fi descris printr-un factor de proporționalitate. Consecința acestui fapt este că cantitatea de combustibil în timpul călătoriei scade exponențial cu factorul de proporționalitate k: adică Domnișoară) = M0 · e -k.s . Pierderea reală în greutate este mai rapidă, pentru că este de fapt M + m masa totală trebuie să fie accelerată, astfel încât estimarea noastră oferă o limită inferioară a cantității de combustibil necesare. Până la sfârșitul fazei de decelerare, veți rămâne fără combustibil, iar nava va cântări la fel m cu masa utilă. Îl putem introduce în cadrul aproximării m = M0 · e -k.s egalitate din care obținem o estimare a raportului minim combustibil/masă netă:

Să repetăm: cantitatea de combustibil poate fi mai mare decât aceasta! Acest lucru duce la cererea de combustibil menționată deja, crescând exponențial în funcție de distanța parcursă.

Dar ce definește a k valoare constantă exponențială? Aici ajungem la cea mai importantă legătură dintre teoria relativității, care creează o legătură între masă și energie, adică M Energia maximă care poate fi obținută din combustibilul cu o masă M · c 2 . Energia extrasă de fapt poate fi mai mică decât aceasta η factorul de eficiență poate fi specificat: ηM · c 2 . Folosit la distanța unității kηM · c 2 energia creează M · g muncă de accelerare pentru care k = g/ηc 2 . În acest fel, obținem o estimare mai mică a raportului dintre combustibil și masa netă:

Rolul consumului de combustibil în călătoriile spațiale

Dacă se folosește combustibil chimic, eficiența este mai mică de o miliardime, folosind energia eliberată în timpul degradării nucleare, nu putem obține o eficiență mai mare de zece mii (acest lucru se datorează deficitului de masă al atomului radioactiv în descompunere), chiar și folosind fuziunea reacții nu ne putem aștepta la mai mult de 1 la sută rezultând din deficitul de masă al atomilor). În cazul nostru, calea este dată în unități relative s · g/c 2 = 1.244 și acest lucru ar trebui să fie împărțit la minim η factorul de eficiență. Ca rezultat, exponentul exponențial va fi extrem de mare și chiar și în cazul unui reactor de fuziune, ar fi necesară o cantitate imprevizibilă de combustibil, astfel încât nu toate stelele din Calea Lactee ar avea suficient.

Cea mai eficientă producție de energie cu un reactor anti-particule

Deci, cerința de bază pentru o expediție este de a avea o eficiență energetică aproape de unitate. Este posibil? Să nu ne limităm la bariere tehnice și să presupunem că anihilarea substanței-antimaterie ar fi sursa de energie: mai presus de toate, anihilarea antiprotonului și a protonilor ar putea sta la bază. Desigur, problema ar fi colectarea și depozitarea antiprotonilor, deoarece ar fi nevoie de un container în care antiparticulele nu ar putea intra în contact cu peretele containerului. Prin urmare, particula încărcată cu antiprotonii poate fi forțată pe orbită într-un câmp magnetic și, dacă containerul ar fi încărcat negativ, ar putea respinge antiprotonii de la sine. Deci, în principiu, poate fi creată o astfel de capcană electromagnetică, dar, desigur, necesită și energie, care asigură funcționarea.

Riscurile reactorului anti-particule

Antiprotonii ar putea fi obținuți din radiația cosmică, deoarece energia sa este suficient de mare pentru a forma aceste particule - dacă, pe de altă parte, sunt colectate în mase mari, riscul crește enorm. Acestea ar necesita o cantitate de multe ori mai mare decât masa totală a încărcăturii nucleare a bombelor de hidrogen stocate în prezent pe Pământ, iar eficiența unei eventuale explozii ar fi de peste o sută de ori mai mare. Un mic defect tehnic este suficient și, dacă ar avea loc o explozie, aceasta ar distruge nu numai viața de pe Pământ, ci ar arunca în aer și scoarța Pământului. Astronauții ar fi în pericol și mai mare, deoarece în apropierea vitezei luminii nu ar mai fi posibil să se prevadă dacă un obiect spațial mai mare ar intra în calea orbitei, iar manevrarea ar fi dificilă la această viteză. Astfel, cu greu ar fi posibil să se dezvolte un sistem de siguranță care să reducă suficient riscul de coliziune și explozie.

Orice s-a spus despre orice nivel înalt ar trebui să ia tehnologia, riscul unei expediții interstelare ar fi extrem de ridicat. Cu toate acestea, o modalitate viabilă ar putea fi trimiterea navelor spațiale automate, drone, care pot fi accelerate cu ajutorul surselor de energie de la sol (lasere) pentru a ajunge în timp real la stelele vecine și a ne trimite de acolo știri despre lumea Proxima b. Cu toate acestea, nu văd nicio șansă realistă de a călători pe a doua planetă numită Pământ, ea va rămâne pentru totdeauna în lumea ficțiunii - cu excepția cazului în care vom petrece lungi milenii în călătorie și ne vom obișnui corpul cu condițiile de imponderabilitate.

Autorul este profesor onorific la BME și ELTE.