Motori per voli interstellari. Voli interstellari. Passaggio attraverso lo spazio curvo

Le moderne tecnologie e scoperte stanno portando l'esplorazione dello spazio a un livello completamente diverso, ma il viaggio interstellare è ancora un sogno. Ma è così irrealistico e irraggiungibile? Cosa possiamo fare ora e cosa possiamo aspettarci nel prossimo futuro?

Studiando i dati del telescopio Kepler, gli astronomi hanno scoperto 54 esopianeti potenzialmente abitabili. Questi mondi lontani sono nella zona abitabile, vale a dire. a una certa distanza dalla stella centrale, che consente di mantenere l'acqua liquida sulla superficie del pianeta.

Tuttavia, la risposta alla domanda principale, siamo soli nell'Universo, è difficile da ottenere, a causa dell'enorme distanza che separa il sistema solare dai nostri vicini più vicini. Ad esempio, il "promettente" pianeta Gliese 581g si trova a 20 anni luce di distanza, abbastanza vicino per gli standard cosmici, ma ancora troppo lontano per gli strumenti terrestri.

L'abbondanza di esopianeti entro un raggio di 100 o meno anni luce dalla Terra e l'enorme interesse scientifico e persino di civiltà che rappresentano per l'umanità ci fanno dare uno sguardo nuovo all'idea finora fantastica dei voli interstellari.

Volare verso altre stelle è, ovviamente, una questione di tecnologia. Inoltre, ci sono diverse possibilità per raggiungere un obiettivo così lontano e la scelta a favore dell'uno o dell'altro metodo non è stata ancora fatta.

L'umanità ha già inviato nello spazio veicoli interstellari: le sonde Pioneer e Voyager. Al momento hanno lasciato il sistema solare, ma la loro velocità non ci consente di parlare di un rapido raggiungimento dell'obiettivo. Quindi, Voyager 1, muovendosi a una velocità di circa 17 km / s, anche verso la stella più vicina a noi, Proxima Centauri (4,2 anni luce), volerà per un tempo incredibilmente lungo - 17 mila anni.

Ovviamente, con i moderni motori a razzo, non andremo oltre il sistema solare: per trasportare 1 kg di carico, anche nella vicina Proxima Centauri, sono necessarie decine di migliaia di tonnellate di carburante. Allo stesso tempo, con un aumento della massa della nave, aumenta la quantità di carburante richiesta e per il suo trasporto è necessario carburante aggiuntivo. Un circolo vizioso che mette fine ai serbatoi di carburante chimico: la costruzione di un veicolo spaziale del peso di miliardi di tonnellate sembra essere un'impresa assolutamente incredibile. Semplici calcoli che utilizzano la formula di Tsiolkovsky dimostrano che per accelerare un veicolo spaziale alimentato da sostanze chimiche a circa il 10% della velocità della luce, sarebbe necessario più carburante di quello disponibile nell'universo conosciuto.

Una reazione di fusione produce energia per unità di massa, in media, un milione di volte di più rispetto ai processi di combustione chimica. Ecco perché, negli anni '70, la NASA ha attirato l'attenzione sulla possibilità di utilizzare motori a razzo termonucleari. Il progetto del veicolo spaziale senza equipaggio Daedalus prevedeva la creazione di un motore in cui piccole palline di combustibile termonucleare sarebbero state immesse nella camera di combustione e accese da fasci di elettroni. I prodotti di una reazione termonucleare volano fuori dall'ugello del motore e danno accelerazione alla nave.

L'astronave Daedalus rispetto all'Empire State Building

Daedalus avrebbe dovuto imbarcare 50mila tonnellate di pellet di combustibile con un diametro di 4 e 2 mm. I granuli sono costituiti da un nucleo con deuterio e trizio e un guscio di elio-3. Quest'ultimo costituisce solo il 10-15% della massa del pellet combustibile, ma, di fatto, è il combustibile. L'elio-3 è abbondante sulla Luna e il deuterio è ampiamente utilizzato nell'industria nucleare. Il nucleo di deuterio funge da detonatore per innescare la reazione di fusione e provoca una potente reazione con il rilascio di un getto di plasma reattivo, controllato da un potente campo magnetico. La camera di combustione principale del molibdeno del motore Daedalus doveva avere un peso di oltre 218 tonnellate, la camera del secondo stadio - 25 tonnellate. Le bobine superconduttrici magnetiche sono anche all'altezza di un enorme reattore: la prima pesa 124,7 tonnellate e la seconda - 43,6 tonnellate Per fare un confronto: il peso a secco della navetta è inferiore a 100 tonnellate.

Il volo di Daedalus doveva essere in due stadi: il motore del primo stadio avrebbe dovuto funzionare per più di 2 anni e bruciare 16 milioni di pellet di carburante. Dopo la separazione del primo stadio, il motore del secondo stadio ha funzionato per quasi due anni. Così, in 3,81 anni di accelerazione continua, Daedalus avrebbe raggiunto una velocità massima del 12,2% della velocità della luce. La distanza dalla stella di Barnard (5,96 anni luce) sarà superata da una nave del genere in 50 anni e sarà in grado, volando attraverso un lontano sistema stellare, di trasmettere via radio i risultati delle sue osservazioni alla Terra. Pertanto, l'intera missione richiederà circa 56 anni.

Nonostante le grandi difficoltà nel garantire l'affidabilità di numerosi sistemi di Daedalus e il suo enorme costo, questo progetto viene implementato al livello moderno della tecnologia. Inoltre, nel 2009 un team di appassionati ha ripreso il lavoro sul progetto di una nave termonucleare. Attualmente, il progetto Icarus comprende 20 argomenti scientifici sullo sviluppo teorico di sistemi e materiali per un veicolo spaziale interstellare.

Pertanto, oggi sono già possibili voli interstellari senza equipaggio fino a 10 anni luce di distanza, che richiederanno circa 100 anni di volo più il tempo necessario al segnale radio per tornare sulla Terra. I sistemi stellari Alpha Centauri, Barnard's Star, Sirius, Epsilon Eridani, UV Ceti, Ross 154 e 248, CN Leo, WISE 1541-2250 rientrano in questo raggio. Come puoi vedere, ci sono abbastanza oggetti vicino alla Terra da studiare con l'aiuto di missioni senza equipaggio. Ma cosa succede se i robot trovano qualcosa di veramente insolito e unico, come una complessa biosfera? Una spedizione che coinvolge persone sarà in grado di andare su pianeti lontani?

Volo di una vita

Se oggi possiamo iniziare a costruire una nave senza equipaggio, allora con una con equipaggio la situazione è più complicata. Prima di tutto, la questione del tempo di volo è acuta. Prendiamo la stessa stella di Barnard. I cosmonauti dovranno essere preparati per un volo con equipaggio da scuola, perché anche se il lancio dalla Terra avviene nel giorno del loro 20° compleanno, la nave raggiungerà l'obiettivo di volo entro il 70° o addirittura il 100° anniversario (data la necessità di frenare, che è non necessario in un volo senza equipaggio). La selezione di un equipaggio in giovane età è irta di incompatibilità psicologica e conflitti interpersonali, e l'età di 100 anni non fa sperare in un fruttuoso lavoro sulla superficie del pianeta e nel ritorno a casa.

Tuttavia, ha senso tornare? Numerosi studi della NASA portano a una conclusione deludente: una lunga permanenza a gravità zero distruggerà irreversibilmente la salute degli astronauti. Ad esempio, il lavoro del professore di biologia Robert Fitts con gli astronauti della ISS mostra che nonostante gli esercizi fisici attivi a bordo del veicolo spaziale, dopo una missione di tre anni su Marte, i muscoli grandi, come i polpacci, diventeranno più deboli del 50%. Allo stesso modo, anche la densità minerale ossea diminuisce. Di conseguenza, la capacità di lavorare e sopravvivere in situazioni estreme diminuisce in modo significativo e il periodo di adattamento alla gravità normale sarà di almeno un anno. Volare a gravità zero per decenni metterà in discussione la vita stessa degli astronauti. Forse il corpo umano sarà in grado di riprendersi, ad esempio, nel processo di frenata con gravità gradualmente crescente. Tuttavia, il rischio di morte è ancora troppo alto e richiede una soluzione radicale.

Stanford Tor è una struttura colossale con intere città all'interno di un cerchio rotante.

Sfortunatamente, non è così facile risolvere il problema dell'assenza di gravità su un veicolo spaziale interstellare. La possibilità a nostra disposizione di creare gravità artificiale ruotando il modulo abitabile presenta una serie di difficoltà. Per creare la gravità terrestre, anche una ruota con un diametro di 200 m dovrà essere fatta ruotare a una velocità di 3 giri al minuto. Con una rotazione così rapida, la forza di Cariolis creerà carichi completamente insopportabili per l'apparato vestibolare umano, provocando nausea e attacchi acuti. mal di mare. L'unica soluzione a questo problema è la Stanford Tor, sviluppata dagli scienziati della Stanford University nel 1975. Questo è un enorme anello con un diametro di 1,8 km, in cui potrebbero vivere 10mila cosmonauti. A causa delle sue dimensioni, fornisce una gravità di 0,9-1,0 ge una vita abbastanza confortevole per le persone. Tuttavia, anche a velocità di rotazione inferiori a un giro al minuto, le persone sperimenteranno comunque un disagio lieve ma evidente. Inoltre, se viene costruito un compartimento abitativo così gigantesco, anche piccoli spostamenti nella distribuzione del peso del toro influiranno sulla velocità di rotazione e causeranno vibrazioni dell'intera struttura.

Il problema delle radiazioni rimane complesso. Anche vicino alla Terra (a bordo della ISS), gli astronauti non trascorrono più di sei mesi a causa del pericolo di esposizione alle radiazioni. La nave interplanetaria dovrà essere dotata di una protezione pesante, ma rimane la questione dell'effetto delle radiazioni sul corpo umano. In particolare, sul rischio di malattie oncologiche, il cui sviluppo in assenza di gravità non è praticamente studiato. All'inizio di quest'anno, lo scienziato Krasimir Ivanov del Centro aerospaziale tedesco di Colonia ha pubblicato i risultati di un interessante studio sul comportamento delle cellule di melanoma (le più forma pericolosa cancro della pelle) in assenza di gravità. Rispetto alle cellule tumorali cresciute a gravità normale, le cellule che hanno trascorso 6 e 24 ore in assenza di gravità hanno meno probabilità di metastatizzare. Questa sembra essere una buona notizia, ma solo a prima vista. Il fatto è che un tale cancro "spaziale" può rimanere dormiente per decenni e diffondersi inaspettatamente su larga scala se il sistema immunitario viene interrotto. Inoltre, lo studio chiarisce che sappiamo ancora poco della reazione corpo umano per una lunga permanenza nello spazio. Oggi gli astronauti, persone sane e forti, vi trascorrono troppo poco tempo per trasferire la loro esperienza in un lungo volo interstellare.

In ogni caso una nave per 10mila persone è un'impresa dubbia. Per creare un ecosistema affidabile per un numero così elevato di persone, è necessario un numero enorme di piante, 60mila polli, 30mila conigli e una mandria di bovini. Solo questo può fornire una dieta al livello di 2400 calorie al giorno. Tuttavia, tutti gli esperimenti per creare tali ecosistemi chiusi finiscono invariabilmente con un fallimento. Così, durante il più grande esperimento "Biosphere-2" di Space Biosphere Ventures, è stata costruita una rete di edifici ermetici con una superficie totale di 1,5 ettari con 3mila specie di piante e animali. L'intero ecosistema doveva diventare un piccolo "pianeta" autosufficiente in cui vivevano 8 persone. L'esperimento è durato 2 anni, ma dopo poche settimane sono iniziati seri problemi: microrganismi e insetti hanno iniziato a moltiplicarsi in modo incontrollabile, consumando ossigeno e piante in quantità troppo grandi, si è scoperto anche che senza vento le piante diventavano troppo fragili. A seguito di una catastrofe ambientale locale, le persone hanno iniziato a perdere peso, la quantità di ossigeno è diminuita dal 21% al 15% e gli scienziati hanno dovuto violare le condizioni dell'esperimento e fornire ossigeno e cibo a otto "cosmonauti".

Pertanto, la creazione di ecosistemi complessi sembra essere un modo errato e pericoloso per fornire ossigeno e nutrimento all'equipaggio di un veicolo spaziale interstellare. La soluzione di questo problema richiederà organismi appositamente progettati con geni alterati in grado di nutrirsi di luce, rifiuti e sostanze semplici. Ad esempio, grandi impianti moderni per la produzione di alghe alimentari clorella possono produrre fino a 40 tonnellate di sospensione al giorno. Un bioreattore completamente autonomo del peso di diverse tonnellate può produrre fino a 300 litri di sospensione di clorella al giorno, il che è sufficiente per nutrire un equipaggio di diverse dozzine di persone. La clorella geneticamente modificata non solo potrebbe soddisfare le esigenze dell'equipaggio nutrienti ma anche riciclare i rifiuti, compresa l'anidride carbonica. Oggi, il processo di ingegneria genetica delle microalghe è diventato un luogo comune e sono stati sviluppati numerosi progetti per la purificazione. Acque reflue, produzione di biocarburanti, ecc.

Sogno congelato

Quasi tutti i suddetti problemi del volo interstellare con equipaggio potrebbero essere risolti da una tecnologia molto promettente: l'animazione sospesa, o come viene anche chiamata criostasi. L'anabiosi è un rallentamento dei processi della vita umana almeno più volte. Se è possibile immergere una persona in un tale letargo artificiale, che rallenta il metabolismo di 10 volte, allora in un volo di 100 anni invecchierà nel sonno di soli 10 anni. Ciò facilita la soluzione di problemi di alimentazione, apporto di ossigeno, disordini mentali, la distruzione del corpo a seguito dell'impatto dell'assenza di gravità. Inoltre, è più facile proteggere un compartimento con camere di animazione sospese da micrometeoriti e radiazioni rispetto a un'ampia zona abitabile.

Sfortunatamente, rallentare i processi della vita umana è un compito estremamente difficile. Ma in natura ci sono organismi che possono andare in letargo e aumentare la loro aspettativa di vita centinaia di volte. Ad esempio, una piccola lucertola chiamata salamandra siberiana è in grado di ibernarsi Tempi duri e rimanere in vita per decenni, anche congelati in un blocco di ghiaccio con una temperatura di meno 35-40 ° C. Ci sono casi in cui le salamandre sono rimaste in letargo per circa 100 anni e, come se nulla fosse accaduto, si sono scongelate e sono scappate dai ricercatori sorpresi. Allo stesso tempo, la normale aspettativa di vita "continua" di una lucertola non supera i 13 anni. La straordinaria capacità della salamandra è spiegata dal fatto che il suo fegato sintetizza una grande quantità di glicerolo, quasi il 40% del suo peso corporeo, che protegge le cellule dalle basse temperature.

L'ostacolo principale all'immersione di una persona nella criostasi è l'acqua, che costituisce il 70% del nostro corpo. Quando si congela, si trasforma in cristalli di ghiaccio, aumentando di volume del 10%, a causa dei quali la membrana cellulare si rompe. Inoltre, quando si congela, le sostanze disciolte all'interno della cellula migrano nell'acqua rimanente, interrompendo i processi di scambio ionico intracellulare, nonché l'organizzazione delle proteine ​​e di altre strutture intercellulari. In generale, la distruzione delle cellule durante il congelamento rende impossibile il ritorno in vita di una persona.

Tuttavia, esiste un modo promettente per risolvere questo problema: i clatrati idrati. Furono scoperti nel 1810, quando lo scienziato britannico Sir Humphry Davy iniettò cloro ad alta pressione nell'acqua e assistette alla formazione di strutture solide. Questi erano idrati di clatrato, una delle forme di ghiaccio d'acqua, in cui è incluso il gas estraneo. A differenza dei cristalli di ghiaccio, i reticoli di clatrato sono meno duri, non hanno bordi taglienti, ma hanno cavità in cui le sostanze intracellulari possono "nascondersi". La tecnologia dell'animazione sospesa al clatrato sarebbe semplice: un gas inerte, come lo xeno o l'argon, una temperatura appena sotto lo zero e il metabolismo cellulare inizia a rallentare gradualmente fino a quando una persona cade in criostasi. Sfortunatamente, la formazione di clatrati idrati richiede un'elevata pressione (circa 8 atmosfere) e un'altissima concentrazione di gas disciolto in acqua. Come creare tali condizioni in un organismo vivente è ancora sconosciuto, sebbene ci siano alcuni successi in questo settore. Pertanto, i clatrati sono in grado di proteggere il tessuto muscolare cardiaco dalla distruzione dei mitocondri anche a temperature criogeniche (inferiori a 100 gradi Celsius), oltre a prevenire danni alle membrane cellulari. Gli esperimenti sull'anabiosi clatratica nell'uomo non sono ancora stati discussi, poiché la domanda commerciale di tecnologie per la criostasi è ridotta e la ricerca su questo argomento viene svolta principalmente da piccole aziende che offrono servizi per il congelamento dei corpi dei morti.

Volo sull'idrogeno

Nel 1960, il fisico Robert Bassard ha proposto il concetto originale di un motore a fusione ramjet che risolve molti dei problemi del viaggio interstellare. La linea di fondo è usare l'idrogeno e la polvere interstellare presenti nello spazio. Un veicolo spaziale con un tale motore prima accelera con il proprio carburante, quindi dispiega un enorme imbuto di un campo magnetico, di migliaia di chilometri di diametro, che cattura l'idrogeno dallo spazio. Questo idrogeno è utilizzato come fonte inesauribile di carburante per un motore a razzo a fusione.

L'utilizzo del motore Bussard promette enormi vantaggi. Innanzitutto, grazie al carburante "gratuito", è possibile muoversi con un'accelerazione costante di 1 g, il che significa che scompaiono tutti i problemi legati all'assenza di gravità. Inoltre, il motore ti consente di accelerare a una velocità incredibile: il 50% della velocità della luce e anche di più. Teoricamente, muovendosi con un'accelerazione di 1 g, una nave con motore Bussard può percorrere una distanza di 10 anni luce in circa 12 anni terrestri, e per l'equipaggio, per effetti relativistici, sarebbero trascorsi solo 5 anni di tempo della nave.

Sfortunatamente, ci sono una serie di seri problemi sulla strada per creare una nave con un motore Bussard che non possono essere risolti all'attuale livello tecnologico. Prima di tutto, è necessario creare una gigantesca e affidabile trappola di idrogeno che generi campi magnetici giganteschi. Allo stesso tempo, dovrebbe garantire perdite minime e un trasporto efficiente dell'idrogeno a un reattore termonucleare. Il processo stesso di una reazione termonucleare della trasformazione di quattro atomi di idrogeno in un atomo di elio, proposto da Bussard, solleva molte domande. Il fatto è che questa reazione più semplice è difficile da implementare in un reattore a passaggio singolo, poiché procede troppo lentamente e, in linea di principio, è possibile solo all'interno delle stelle.

Tuttavia, i progressi nello studio della fusione termonucleare lasciano sperare che il problema possa essere risolto, ad esempio, utilizzando isotopi "esotici" e antimateria come catalizzatore di reazione.

Finora, la ricerca sul motore Bussard si trova esclusivamente sul piano teorico. Sono necessari calcoli basati su tecnologie reali. Innanzitutto è necessario sviluppare un motore in grado di generare energia sufficiente per alimentare una trappola magnetica e mantenere una reazione termonucleare, produrre antimateria e vincere la resistenza del mezzo interstellare, che rallenterà l'enorme "vela" elettromagnetica.

Antimateria in soccorso

Può sembrare strano, ma oggi l'umanità è più vicina alla creazione di un motore ad antimateria che all'intuitivo e semplice a prima vista il motore ramjet di Bussard.

La sonda, sviluppata da Hbar Technologies, avrà una sottile vela in fibra di carbonio rivestita di uranio 238. Schiantandosi contro la vela, l'anti-idrogeno si annichilerà e creerà la spinta del getto.

Come risultato dell'annichilazione dell'idrogeno e dell'anti-idrogeno, si forma un potente flusso di fotoni, la cui velocità di scarico raggiunge il massimo per un motore a razzo, ad es. la velocità della luce. Questo è un indicatore ideale che ti consente di raggiungere velocità quasi-luce molto elevate di un veicolo spaziale con un motore a fotoni. Sfortunatamente, è molto difficile usare l'antimateria come carburante per missili, poiché durante l'annientamento si verificano lampi delle più potenti radiazioni gamma, che uccideranno gli astronauti. Inoltre, non esistono ancora tecnologie per immagazzinare una grande quantità di antimateria, e il fatto stesso dell'accumulo di tonnellate di antimateria, anche nello spazio lontano dalla Terra, rappresenta una seria minaccia, poiché l'annientamento anche di un chilogrammo di antimateria equivale a un'esplosione nucleare con una capacità di 43 megatoni (un'esplosione di tale forza può trasformare un terzo del territorio degli Stati Uniti). Il costo dell'antimateria è un altro fattore che complica il volo interstellare alimentato da fotoni. Le moderne tecnologie per la produzione di antimateria consentono di produrre un grammo di antiidrogeno al costo di decine di trilioni di dollari.

Tuttavia, i grandi progetti di ricerca sull'antimateria stanno dando i loro frutti. Attualmente sono state create speciali strutture di stoccaggio per i positroni, le “bottiglie magnetiche”, che sono contenitori raffreddati da elio liquido con pareti costituite da campi magnetici. Nel giugno di quest'anno, gli scienziati del CERN sono riusciti a preservare gli atomi di antidrogeno per 2.000 secondi. Presso l'Università della California (USA) è in costruzione il più grande deposito di antimateria del mondo, che sarà in grado di accumulare più di un trilione di positroni. Uno degli obiettivi degli scienziati dell'Università della California è creare contenitori portatili per l'antimateria che possano essere utilizzati per scopi scientifici lontano dai grandi acceleratori. Questo progetto è sostenuto dal Pentagono, che è interessato alle applicazioni militari dell'antimateria, quindi è improbabile che la più vasta gamma di bottiglie magnetiche al mondo sia sottofinanziata.

I moderni acceleratori saranno in grado di produrre un grammo di antidrogeno in poche centinaia di anni. Questo è un tempo molto lungo, quindi l'unica via d'uscita è sviluppare una nuova tecnologia per la produzione di antimateria o unire gli sforzi di tutti i paesi del nostro pianeta. Ma anche in questo caso, con la tecnologia moderna, non si può nemmeno sognare di produrre decine di tonnellate di antimateria per il volo interstellare con equipaggio.

Tuttavia, non tutto è così triste. Gli specialisti della NASA hanno sviluppato diversi progetti per veicoli spaziali che potrebbero andare nello spazio profondo con un solo microgrammo di antimateria. La NASA ritiene che attrezzature migliorate consentiranno di produrre antiprotoni a un costo di circa 5 miliardi di dollari al grammo.

La società americana Hbar Technologies, con il supporto della NASA, sta sviluppando il concetto di sonde senza equipaggio azionate da un motore anti-idrogeno. Il primo obiettivo di questo progetto è creare un veicolo spaziale senza equipaggio che possa volare fino alla fascia di Kuiper ai margini del sistema solare in meno di 10 anni. Oggi è impossibile volare in punti così remoti in 5-7 anni, in particolare la sonda New Horizons della NASA volerà attraverso la fascia di Kuiper 15 anni dopo il lancio.

Una sonda che percorre una distanza di 250 UA tra 10 anni sarà molto piccolo, con un carico utile di soli 10 mg, ma avrà anche bisogno di un po' di antiidrogeno - 30 mg. Il Tevatron produrrà questa quantità in pochi decenni e gli scienziati potrebbero testare il concetto di un nuovo motore durante una vera missione spaziale.

Calcoli preliminari mostrano anche che una piccola sonda può essere inviata ad Alpha Centauri in modo simile. Con un grammo di antidrogeno, volerà su una stella lontana tra 40 anni.

Può sembrare che tutto quanto sopra sia finzione e non abbia nulla a che fare con il prossimo futuro. Fortunatamente, non è questo il caso. Mentre l'attenzione pubblica è rivolta alle crisi globali, ai fallimenti delle pop star e ad altri eventi attuali, le iniziative epocali rimangono nell'ombra. L'agenzia spaziale della NASA ha lanciato il grandioso progetto 100 Year Starship, che prevede la creazione graduale e pluriennale di una base scientifica e tecnologica per i voli interplanetari e interstellari. Questo programma è unico nella storia dell'umanità e dovrebbe attrarre scienziati, ingegneri e appassionati di altre professioni da tutto il mondo. Dal 30 settembre al 2 ottobre 2011 si terrà a Orlando, in Florida, un simposio per discutere varie tecnologie Voli spaziali. Sulla base dei risultati di tali eventi, gli specialisti della NASA svilupperanno un piano aziendale per assistere determinate industrie e aziende che stanno sviluppando tecnologie non ancora disponibili, ma necessarie per il futuro volo interstellare. Se l'ambizioso programma della NASA avrà successo, entro 100 anni l'umanità sarà in grado di costruire un'astronave interstellare e ci muoveremo nel sistema solare con la stessa facilità con cui oggi voliamo da terraferma a terraferma.

L'espressione - "Vola sulla luna" evoca associazioni sull'orlo della fantasia per la maggior parte di noi, paragonabili solo a progetti come Apollo 11 (Apollo 11) per consegnare una persona sulla superficie della luna. La Breakthrough Starshot Initiative ci sta portando molto oltre la luna, poiché il suo obiettivo è viaggiare verso i sistemi solari più vicini.

Viaggio interstellare:

Nato da un'idea di Yuri Milner: miliardario, innovatore tecnologico, originario della Russia, il progetto Breakthrough Starshot è stato annunciato in una conferenza stampa nell'aprile 2016 con la partecipazione di famosi scienziati come Stephen Hawking e Freeman Dyson. L'essenza della tecnologia è la seguente: migliaia di chip a forma di piatto attaccati a una grande vela leggera d'argento verranno posizionati nell'orbita terrestre. Questa vela verrebbe quindi letteralmente spinta nello spazio profondo da un raggio di raggi laser da terra.

In soli due minuti di azione direzionale dei laser, la vela spaziale raggiungerà 1/5 della velocità della luce, ovvero 1000 volte più veloce delle velocità mai sviluppate dagli oggetti macroscopici.

Durante il volo ventennale, la nave raccoglierà dati sullo spazio interstellare. Al raggiungimento della costellazione Alpha Centauri la telecamera di bordo acquisirà una serie di immagini ad alta precisione e le invierà sulla Terra. Questo ci darà l'opportunità di guardare i vicini planetari più vicini e capire come possono essere adatti alla colonizzazione.

Il team di Breakthrough Starshot è impressionante quanto l'idea stessa. Il consiglio di amministrazione comprendeva Milner, Hawking e Mark Zuckerberg. Pete Vorden, ex capo del Centro di ricerca Ames della NASA, è stato nominato direttore esecutivo (S. Pete Worden). Il resto dei contributori include premi Nobel e altri consulenti del progetto Breakthrough. Milner promette di contribuire con i suoi 100 milioni di dollari per avviare il progetto e raccogliere altri 10 miliardi di dollari nei prossimi anni con l'aiuto dei suoi colleghi.

A prima vista può sembrare fantascienza, anche se in realtà non ci sono ostacoli scientifici alla realizzazione di questo progetto. Questo non significa che tutto accadrà domani. Per una svolta di successo verso le stelle, è necessario fare una serie di scoperte scientifiche. I partecipanti ei consulenti del progetto contano sulla crescita esponenziale delle tecnologie che consentiranno la realizzazione di Breakthrough Starshot nei prossimi 20 anni.

Scoperta di esopianeti

Gli esopianeti includono tutti i pianeti al di fuori del nostro sistema solare. Mentre le prime scoperte risalgono al 1988, al 1° maggio 2017 sono stati scoperti 3.608 esopianeti in 2.702 sistemi solari. Alcuni dei pianeti sono molto simili al nostro, altri hanno una serie di caratteristiche uniche come anelli 200 volte più larghi del nostro Saturno.

La ragione di questa esplosione di reperti è un potente passo avanti nel miglioramento delle tecnologie telescopiche.

Solo 100 anni fa, il telescopio più grande del mondo era l'Hooker Telescope, con una lente dal diametro di 2,5 metri. Oggi l'Osservatorio europeo meridionale dispone di un complesso di quattro telescopi, ciascuno di 8,2 metri di diametro. È considerata la più grande struttura a terra per lo studio dell'astronomia, pubblicando in media un articolo scientifico sottoposto a revisione paritaria al giorno.

Gli scienziati usano anche MBT () e strumenti speciali per cercare pianeti rocciosi nelle zone "abitabili" (consentendo acqua liquida) di altri sistemi solari. Nel maggio 2016, con l'aiuto di TRAPPIST, i ricercatori in Cile hanno scoperto sette esopianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile.

Nel frattempo, la navicella spaziale Kepler (NASA Kepler), costruita appositamente per questo scopo, ha già identificato più di 2.000 esopianeti. Il James Webb Space Telescope (JWST), il cui lancio è previsto per ottobre 2018, aprirà opportunità finora inedite per testare la presenza di vita sugli esopianeti. "Se questi pianeti hanno un'atmosfera, il telescopio Webb sarà la chiave per svelare i loro segreti", afferma Doug Hudgins, NASA Exoplanet Program Scientist presso la sede della NASA a Washington.

Costo di partenza

La nave madre Starshot verrà sollevata da terra da un booster e quindi lancerà mille piccoli dischi nello spazio. Il costo del lancio di un carico utile con razzi consumabili è troppo alto, ma aziende come SpaceX e Blue Origin stanno mostrando reali speranze nell'utilizzo di razzi riutilizzabili che ridurranno significativamente il costo del lancio. SpaceX è già riuscita a tagliare i costi di lancio di Falcon 9 di 60 milioni di dollari. Con un aumento della quota di società spaziali private nel mercato mondiale, il lancio di razzi riutilizzabili diventerà più conveniente ed economico.

piatto a stella

Ogni wafer da 15 mm dovrebbe contenere una serie di sofisticati dispositivi elettronici come un navigatore, una fotocamera, un laser di comunicazione, una batteria di radioisotopi, una fotocamera multiplex e una fotocamera di interfaccia. La capacità di completare un intero veicolo spaziale su una minuscola piastra è spiegata dalla diminuzione esponenziale delle dimensioni di sensori e chip.

Negli anni '60, i primi chip per computer consistevano in una manciata di transistor. Oggi, grazie alla legge di Moore, possiamo montare miliardi di transistor su un singolo chip. La prima fotocamera digitale pesava 8 libbre e scattava 0,01 megapixel. Ora le fotocamere digitali che acquisiscono immagini a colori da 12 megapixel di alta qualità si adattano a uno smartphone con una serie di altri sensori come GPS, accelerometro e giroscopio. Con l'avvento di satelliti più piccoli che forniscono dati migliori, stiamo assistendo all'applicazione di tutti questi miglioramenti all'esplorazione spaziale.

Affinché Starshot abbia successo, abbiamo bisogno di una massa di chip di circa 0,22 grammi entro il 2030. Se il ritmo del miglioramento continua, le proiezioni suggeriscono che è del tutto possibile.

vela leggera

La vela dovrebbe essere fatta di un materiale altamente riflettente (per ottenere la massima accelerazione dal laser), minimamente assorbente (quindi non brucia per il calore) e anche molto leggero (consentendo una rapida accelerazione). Questa è una combinazione estremamente complessa ed è attualmente materiale adatto non ancora trovato.

Applicazione dell'automazione intelligenza artificiale accelererà la scoperta di tali materiali. L'essenza dell'automazione sta nel fatto che la macchina sarà in grado di generare una libreria di decine di migliaia di materiali per i test. Ciò renderà molto più facile la selezione per gli ingegneri le migliori opzioni per ricerca e sviluppo.

Batteria

Sebbene Starchip utilizzerà una minuscola batteria di radioisotopi nucleari per il viaggio di 24 anni, avremo comunque bisogno di batterie chimiche laser convenzionali. I laser consumano un'enorme quantità di energia in un breve lasso di tempo, il che significa che l'energia deve essere immagazzinata il più vicino possibile.

La capacità della batteria cresce in media del 5-8% all'anno; spesso non ce ne accorgiamo, perché il consumo energetico dei gadget cresce proporzionalmente, lasciando la stessa durata complessiva. Se la dinamica del miglioramento delle batterie continua, tra 20 anni dovrebbero avere un aumento di 3-5 volte la loro capacità attuale. Queste aspettative si basano sull'innovazione Tesla-Solar City derivante dagli investimenti nella tecnologia delle batterie. Le aziende di Kauai hanno già installato circa 55.000 batterie per alimentare gran parte della loro infrastruttura.

laser

Migliaia di potenti laser verranno utilizzati per accelerare la vela alla velocità della luce.

Le tecnologie laser hanno seguito la legge di Moore alla stessa velocità dei circuiti integrati, dimezzando il rapporto costo/capacità ogni 18 mesi. In particolare, l'ultimo decennio ha visto un drammatico aumento del ridimensionamento della potenza dei laser a diodi e fibra, con i primi in grado di spremere 10 kilowatt dalla fibra monomodale nel 2010 e 100 kilowatt mesi dopo. Insieme all'energia convenzionale, dobbiamo anche migliorare le tecnologie per combinare i laser phased array.

Velocità

La nostra capacità di muoversi velocemente, si muoveva velocemente... Nel 1804 fu inventata la prima locomotiva a vapore, raggiungendo una velocità senza precedenti di 110 km/h in quel momento. La navicella spaziale Helios 2 ha battuto questo record nel 1976, allontanandosi dalla Terra a una velocità di 356.040 km/h. 40 anni dopo, la sonda New Horizons ha raggiunto una velocità eliocentrica di quasi 45 km/s o 160.000 km/h. Ma anche a queste velocità, ci vorrebbe molto tempo per arrivare ad Alpha Centauri, a più di quattro anni luce di distanza.

Sebbene l'accelerazione delle particelle subatomiche alla velocità della luce sia comune negli acceleratori di particelle, ciò non è mai stato ottenuto prima da oggetti macroscopici. Raggiungere solo il 20% della velocità della luce per Starshot significherebbe un aumento della velocità di 1.000 volte per un oggetto mai costruito dall'uomo.

Archivio dati

La base per l'informatica è la capacità di immagazzinare informazioni. Starshot fa affidamento sul continuo calo del costo e delle dimensioni dell'archiviazione digitale per fornire spazio di archiviazione sufficiente per i suoi programmi e le immagini catturate nel sistema Alpha Centauri e nei suoi pianeti.

Il costo della memoria è diminuito esponenzialmente per decenni: nel 1970 un megabyte costava circa un milione di dollari; Ora circa 0,1 centesimi. Anche lo spazio di archiviazione si è ridotto, da un disco rigido da 5 megabyte caricato con un carrello elevatore nel 1956 alle chiavette USB da 512 gigabyte disponibili oggi che pesano pochi grammi.

Connessione

Una volta ricevute le prime immagini, Starchip le rispedirà sulla Terra per l'elaborazione.

Da quando Alexander Graham Bell ha inventato il telefono nel 1876, le telecomunicazioni hanno fatto molta strada. La velocità media di Internet negli Stati Uniti oggi è di circa 11 megabit al secondo. La larghezza di banda e la velocità richieste da Starshot per inviare immagini digitali su quattro anni luce (o 20 trilioni di miglia) richiederanno le più recenti tecnologie di comunicazione.

Una tecnologia promettente è il Li-Fi, una connessione wireless 100 volte più veloce del Wi-Fi. Il secondo sono le fibre ottiche, che ora consentono il passaggio di 1,125 terabit al secondo. A questi si aggiungono gli sviluppi nel campo delle comunicazioni quantistiche, non solo ultraveloci, ma anche assolutamente sicure.

Elaborazione dati

La fase finale del progetto Starshot è l'analisi dei dati ricevuti dal veicolo spaziale. La scommessa è su un aumento esponenziale della potenza di calcolo con un aumento di un trilione di volte nei prossimi 60 anni.

La rapida riduzione del costo di questo momento è in gran parte associata allo sviluppo del cloud computing. Guardando al futuro, i metodi di elaborazione delle informazioni quantistiche promettono un aumento di mille volte della potenza quando verranno ricevuti i primi dati da Starshot. Questi processori avanzati consentiranno complesse simulazioni scientifiche e analisi di sistemi stellari vicini.

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Migliaia di romanzi di fantascienza descrivono gigantesche astronavi fotoniche delle dimensioni di una piccola (o grande) città, che partono per un volo interstellare dall'orbita del nostro pianeta (meno spesso, dalla superficie della Terra). Ma secondo gli autori del progetto Breakthrough Starshot, tutto accadrà in modo completamente diverso: in un giorno significativo, duemila di qualche anno, non uno o due, ma centinaia e migliaia di piccole astronavi delle dimensioni di un'unghia inizieranno a uno di le stelle più vicine, Alpha Centauri e una massa di 1 G. E ognuna di esse avrà la vela solare più sottile con un'area di 16 m 2, che trasporterà l'astronave con velocità sempre crescente in avanti - verso le stelle.

Sartiame. Per preservare la forma della vela, dovrebbe essere rinforzata con grafene. Alcuni materiali compositi a base di grafene possono contrarsi se sottoposti a una tensione elettrica applicata per il controllo attivo. Per la stabilizzazione, la vela può essere srotolata o modellata in un cono invertito per l'auto-stabilizzazione passiva nel campo di radiazione laser. Vela solare. Uno degli elementi principali del progetto è una vela solare con una superficie di 16 m² e una massa di solo 1 G. Gli specchi dielettrici multistrato sono considerati come il materiale della vela, riflettendo il 99,999% della luce incidente (secondo calcoli preliminari , questo dovrebbe essere sufficiente perché la vela non si sciolga in un campo di radiazione di 100 GW). Un approccio più promettente che permette di rendere lo spessore della vela inferiore alla lunghezza d'onda della luce riflessa è quello di utilizzare come base della vela un monostrato di metamateriale con indice di rifrazione negativo (tale materiale presenta anche nanoperforazioni, che ne riducono ulteriormente la massa). La seconda opzione consiste nell'utilizzare un materiale con un basso coefficiente di assorbimento (10−9) piuttosto che un'elevata riflettanza, come i materiali ottici per le guide luminose.

"Spara alle stelle"

Il progetto Breakthrough Starshot era basato su un articolo del professore di fisica della UC Santa Barbara Philip Lubin, A Roadmap to Interstellar Flight. Il principale obiettivo dichiarato del progetto è rendere possibili i voli interstellari già durante la vita della prossima generazione di persone, cioè non in secoli, ma in decenni.

piano di volo

1. Un razzo lancia una nave madre contenente decine, centinaia, migliaia o decine di migliaia di sonde nell'orbita terrestre. 2. Le sonde lasciano la nave madre, spiegano le vele, si orientano e assumono una posizione di partenza. 3. Un phased array di 1 x 1 km di dimensioni di 20 milioni di piccoli emettitori laser (con un'apertura di 20–25 cm) inizia a funzionare sulla Terra, focalizzando il raggio laser sulla superficie della vela. 4. Per compensare le distorsioni atmosferiche, vengono utilizzate boe di riferimento: "stelle artificiali" nell'atmosfera superiore, sulla nave madre, nonché un segnale riflesso dalla vela. 5. La sonda viene accelerata da un raggio laser in pochi minuti fino al 20% della velocità della luce, mentre l'accelerazione raggiunge i 30.000 g. Durante il volo, che durerà circa 20 anni, il laser monitora periodicamente la posizione della sonda. 6. All'arrivo al bersaglio, nel sistema Alpha Centauri, le sonde cercano di rilevare i pianeti e fotografarli durante il sorvolo. 7. Utilizzando la vela come lente di Fresnel e un diodo laser come trasmettitore, la sonda si orienta e trasmette i dati ricevuti in direzione della Terra. 8. Cinque anni dopo, questi dati vengono accettati sulla Terra.

Subito dopo l'annuncio ufficiale del programma Starshot, un'ondata di critiche da parte di scienziati e tecnici esperti in vari campi si è abbattuta sugli autori del progetto. Gli esperti critici hanno notato numerose valutazioni errate e semplicemente "punti vuoti" in termini di programma. Alcuni commenti sono stati presi in considerazione e il piano di volo è stato leggermente modificato nella prima iterazione.

Quindi, la sonda interstellare sarà una barca a vela spaziale con un modulo elettronico StarChip del peso di 1 g, collegato da imbracature per impieghi gravosi a una vela solare con un'area di 16 m 2, uno spessore di 100 nm e una massa di 1 g Velocità alle quali il viaggio interstellare non durerebbe millenni. Pertanto, il momento clou principale del progetto StarShot è l'accelerazione utilizzando una potente radiazione laser, che è focalizzata sulla vela. Secondo Lyubin, con una potenza del raggio laser di 50-100 GW, l'accelerazione sarà di circa 30.000 g, e in pochi minuti la sonda raggiungerà una velocità del 20% della velocità della luce. Il volo per Alpha Centauri durerà circa 20 anni.

Sotto vele stellari

Uno dei dettagli chiave del progetto è la vela solare. Nella versione originale, la superficie velica era inizialmente di solo 1 m 2 e, per questo motivo, non poteva sopportare il riscaldamento durante l'accelerazione nel campo di radiazione laser. La nuova versione utilizza una vela di 16 m 2 , in modo che il regime termico, anche se piuttosto severo, non dovrebbe, secondo stime preliminari, fondere o distruggere la vela. Come scrive lo stesso Philip Lubin, si prevede di utilizzare come base per la vela non rivestimenti metallizzati, ma specchi multistrato completamente dielettrici: “Tali materiali sono caratterizzati da un coefficiente di riflessione moderato e un assorbimento estremamente basso. Ad esempio, i vetri ottici per fibre ottiche sono progettati per grandi flussi di luce e hanno un assorbimento dell'ordine di venti trilioni per 1 micron di spessore. Ottenere un buon coefficiente di riflessione da un dielettrico con uno spessore della vela di 100 nm, che è molto inferiore a una lunghezza d'onda, non è facile. Ma gli autori del progetto ripongono alcune speranze sull'uso di nuovi approcci, come i monostrati di un metamateriale con un indice di rifrazione negativo. "Inoltre, è necessario tenere conto del fatto che il riflesso degli specchi dielettrici è sintonizzato su una gamma ristretta di lunghezze d'onda e, mentre la sonda accelera, l'effetto Doppler sposta la lunghezza d'onda di oltre il 20%", afferma Lubin. “Ne abbiamo tenuto conto, quindi il riflettore sarà impostato su circa il venti percento della larghezza di banda di emissione. Abbiamo progettato tali riflettori. Se necessario, sono disponibili anche riflettori con larghezza di banda maggiore.

Yuri Milner, Uomo d'affari russo e filantropo, fondatore della Breakthrough Initiatives Foundation: Negli ultimi 15 anni, ci sono stati progressi significativi, si potrebbe dire, rivoluzionari in tre aree tecnologiche: la miniaturizzazione dei componenti elettronici, la creazione di una nuova generazione di materiali e la riduzione di costo e aumento della potenza del laser. La combinazione di queste tre tendenze porta alla possibilità teorica di accelerare un nanosatellite a velocità quasi relativistiche. Nella prima fase (5-10 anni), abbiamo in programma di condurre uno studio scientifico e ingegneristico più approfondito per capire come questo progetto sia fattibile. Il sito web del progetto ha un elenco di circa 20 gravi problemi tecnici, senza i quali non saremo in grado di andare avanti. Non si tratta di un elenco definitivo, ma sulla base del parere del consiglio scientifico, riteniamo che la prima fase del progetto abbia una motivazione sufficiente. So che il progetto della vela stellare è oggetto di serie critiche da parte degli esperti, ma penso che la posizione di alcuni esperti critici sia collegata a una comprensione non del tutto accurata di ciò che proponiamo realmente. Finanziamo non un volo verso un'altra stella, ma sviluppi polivalenti abbastanza realistici legati all'idea di una sonda interstellare solo in una direzione generale. Queste tecnologie troveranno applicazione sia per i voli nel sistema solare che per la protezione contro pericolosi asteroidi. Ma fissare un obiettivo strategico così ambizioso come il volo interstellare sembra giustificato nel senso che lo sviluppo della tecnologia negli ultimi 10-20 anni rende probabilmente la realizzazione di un tale progetto non questione di secoli, come molti pensavano, ma piuttosto di decenni.

Macchina laser

La centrale elettrica principale dell'astronave non volerà verso le stelle: si troverà sulla Terra. Si tratta di un phased array a terra di emettitori laser con una dimensione di 1x1 km. La potenza totale del laser dovrebbe essere compresa tra 50 e 100 GW (questo è equivalente alla potenza di 10-20 Krasnoyarsk HPP). Si suppone che focalizzi la radiazione con una lunghezza d'onda di 1,06 μm dall'intero array in un punto con un diametro di diversi metri a distanze fino a molti milioni di chilometri utilizzando il phasing (ovvero, cambiando le fasi su ogni singolo emettitore) (l'ultimo la precisione della messa a fuoco è di 10-9 radianti). Ma tale messa a fuoco è fortemente ostacolata dall'atmosfera turbolenta, che confonde il raggio in un punto di circa un secondo d'arco (10−5 radianti) di grandezza. Si prevede di ottenere un miglioramento di quattro ordini di grandezza utilizzando l'ottica adattiva (AO), che compenserà le distorsioni atmosferiche. I migliori sistemi di ottica adattiva nei telescopi odierni riducono la sfocatura a 30 millisecondi d'arco, lasciando circa due ordini e mezzo di grandezza in più per raggiungere l'obiettivo previsto.

Philip Lubin nel suo articolo fornisce stime numeriche dei punti del piano, ma molti scienziati e specialisti sono molto critici nei confronti di questi dati. Ovviamente, per sviluppare un progetto così ambizioso come Breakthrough Starshot, ci vogliono anni di lavoro e 100 milioni di dollari non sono una cifra così grande per un lavoro di questa portata. Ciò è particolarmente vero per le infrastrutture terrestri: una serie graduale di emettitori laser. L'installazione di una tale capacità (50-100 GW) richiederà un'enorme quantità di energia, ovvero nelle vicinanze sarà necessario costruire almeno una dozzina di grandi centrali elettriche. Inoltre, sarà necessario rimuovere un'enorme quantità di calore dagli emettitori per diversi minuti e come farlo non è ancora del tutto chiaro. Ci sono un numero enorme di tali domande senza risposta nel progetto Breakthrough Starshot, ma finora il lavoro è appena iniziato. “Il consiglio scientifico del nostro progetto comprende i maggiori esperti, scienziati e ingegneri in vari campi rilevanti, tra cui due Premi Nobel, dice Yuri Milner. — E ho sentito valutazioni molto equilibrate sulla fattibilità di questo progetto. Nel fare ciò, ci affidiamo certamente alle competenze combinate di tutti i membri del nostro consiglio scientifico, ma allo stesso tempo siamo aperti a una discussione scientifica più ampia».

"Per sconfiggere la turbolenza atmosferica su piccola scala, il phased array deve essere scomposto in elementi molto piccoli, la dimensione dell'elemento radiante per la nostra lunghezza d'onda non dovrebbe essere superiore a 20-25 cm", spiega Philip Lubin. - Sono almeno 20 milioni di emettitori, ma questo numero non mi spaventa. Per il feedback nel sistema AO, prevediamo di utilizzare molte fonti di riferimento - boe - sia sulla sonda, sia sulla nave madre e nell'atmosfera. Inoltre, seguiremo la sonda nel suo percorso verso il bersaglio. Vogliamo anche utilizzare le stelle come faro per regolare la fasatura dell'array quando si riceve un segnale dalla sonda all'arrivo, ma per essere sicuri, seguiremo la sonda».

Arrivo

Ma poi la sonda è arrivata nel sistema Alpha Centauri, ha fotografato i dintorni del sistema e il pianeta (se presente). Queste informazioni devono in qualche modo essere trasmesse alla Terra e la potenza del trasmettitore laser della sonda è limitata a pochi watt. E in cinque anni, questo debole segnale deve essere ricevuto sulla Terra, separando le stelle dalla radiazione di fondo. Come concepito dagli autori del progetto, la sonda manovra sul bersaglio in modo tale che la vela si trasformi in una lente di Fresnel, focalizzando il segnale della sonda in direzione della Terra. Secondo le stime, una lente ideale con messa a fuoco ideale e orientamento ideale amplifica un segnale con una potenza da 1 W a 10 13 W in equivalente isotropo. Ma come considerare questo segnale sullo sfondo di radiazioni stellari molto più potenti (di 13-14 ordini di grandezza!)? “La luce della stella è in realtà piuttosto debole, perché la larghezza di riga del nostro laser è molto piccola. La linea stretta è un fattore chiave per ridurre lo sfondo, afferma Lubin. — L'idea di realizzare una lente di Fresnel da una vela basata su un elemento diffrattivo a film sottile è piuttosto complicata e richiede molto lavoro preliminare per capire esattamente come farlo al meglio. Questo elemento è in realtà uno dei principali nel nostro piano di progetto.

D'altra parte, un phased array di emettitori ottici/ricevitori di radiazioni con un'apertura totale di un chilometro è uno strumento in grado di vedere gli esopianeti da una distanza di decine di parsec. Utilizzando ricevitori con lunghezza d'onda regolabile, è possibile determinare la composizione dell'atmosfera degli esopianeti. Le sonde sono davvero necessarie in questo caso? “Naturalmente, l'uso di un phased array come un telescopio molto grande apre nuove possibilità in astronomia. “Ma”, aggiunge Lubin, “abbiamo in programma di aggiungere uno spettrometro a infrarossi alla sonda come programma a lungo termine oltre alla fotocamera e ad altri sensori. Abbiamo un grande gruppo di fotonica all'UC Santa Barbara che fa parte della collaborazione".

Ma in ogni caso, secondo Lubin, i primi voli saranno effettuati all'interno del sistema solare: “Poiché possiamo inviare un numero enorme di sonde, questo ci offre molte diverse opportunità. Possiamo anche inviare simili piccole sonde (su scala wafer, cioè su un chip) su razzi convenzionali e utilizzare le stesse tecnologie per studiare la Terra o i pianeti e i loro satelliti nel sistema solare.

I redattori desiderano ringraziare il quotidiano Trinity Variant - Science e il suo caporedattore Boris Stern per il loro aiuto nella preparazione dell'articolo.

Abbiamo acquisito familiarità con le possibili differenze fisiche tra noi ei nostri fratelli spaziali. Ora passiamo a ciò che potrebbe essere più significativo per noi: alle differenze intellettuali. Questo problema può essere formulato come segue.

Indovinello 1. Altre civiltà ci hanno superato nel loro sviluppo o sono rimaste indietro rispetto a noi?

Supponiamo che nella nostra Galassia ci siano almeno un milione di "gemelli" della Terra, sui quali esista vita intelligente. Si sono formati in epoche diverse - milioni di anni prima o dopo la nostra - e, quindi, si trovano in diversi stadi di sviluppo. I tempi dei dinosauri, dell'uomo preistorico, del primo Impero Romano: tutte queste epoche della storia della Terra vengono attualmente "copiate" e allo stesso tempo su diversi pianeti. È possibile che, a nostra volta, noi sulla Terra stiamo ora vivendo un'era in cui altri mondi sono passati migliaia o addirittura milioni di anni fa.

Quante civiltà ci hanno superato nel loro sviluppo? E quanto costa? Ciò che Pozin dice al riguardo non è affatto confortante per il nostro orgoglio. La Terra non può essere inclusa nel numero di civiltà con un grado di sviluppo elevato o addirittura medio. Molto probabilmente occupiamo un palcoscenico non troppo lontano da inferiore fine della scala evolutiva. Ciò deriva da una logica semplice e, come ci sembra, indiscutibile.

Gli astronomi ritengono che l'energia del nostro Sole durerà almeno 10 miliardi di anni. Aggiungendo questo numero all'età della Terra, stimata in 5 miliardi di anni, otteniamo il tempo totale dell'esistenza della Terra: 15 miliardi di anni. Sono trascorsi 2,5 miliardi di anni prima dell'origine della vita sulla Terra, e altrettanti prima della comparsa dell'uomo, che in totale è 1/3 dei 15 miliardi di anni “assegnati” alla quota della Terra. L'uomo, le cui tracce di un predecessore incivile possono essere fatte risalire solo a un milione di anni fa, emerse dalle caverne e iniziò a unirsi alla civiltà al massimo 12.000 anni fa. Di conseguenza, rimangono 10 miliardi di anni per l'ulteriore sviluppo dell'umanità.

Se anche la "durata della vita" di un milione di altri pianeti come la Terra è di 15 miliardi di anni, la loro età media è di 7,5 miliardi di anni e l'età media delle civiltà è di 2,5 miliardi di anni. Ma circa la metà di questi "gemelli" della Terra, cioè circa 500.000 pianeti, sono ancora più antichi.

Poiché siamo vicini all'ultimo gradino della metà sottosviluppata, siamo probabilmente superati di circa 50.000 civiltà, ma superati da altre 950.000. Coloro che hanno 10 miliardi di anni (basti pensare - milioni di secoli!) E che hanno raggiunto vette inimmaginabili nello sviluppo mentale, senza dubbio, metterebbero noi terrestri non al di sopra delle abili formiche che vivono in colonie e rivelano dubbia intelligenza.

Tuttavia, i nostri calcoli sui mondi abitati potrebbero essere sbagliati. È possibile che le condizioni su molti pianeti impediscano l'emergere della vita. È probabile che alcune civiltà abbiano incontrato ostacoli nel processo di evoluzione e siano state in grado di svilupparsi normalmente solo dopo un lungo ritardo. Alcune delle stelle sono esplose prematuramente come nuove, causando così danni irreparabili ai pianeti abitabili che le orbitano attorno. E chissà quante civiltà sono morte nel fuoco delle guerre atomiche?

Ma anche centinaia e migliaia di tali restrizioni non ridurranno di molto il numero di civiltà più antiche e, apparentemente, più intelligenti della nostra. Indipendentemente da come ci sentiamo al riguardo, la Terra è probabilmente al livello di una cultura spaziale primitiva. Ci sono molte migliaia di civiltà che ci precedono di più anni di quanti ne occorra alla luce per superare la distanza che ci separa.

Indovinello 2. La Terra è stata visitata da esseri alieni che ci hanno osservato con dischi volanti?

La maggior parte degli scienziati sorriderà immediatamente con scetticismo quando sentirà parlare di dischi volanti.

Secondo autorevoli esperti, nella maggior parte dei casi, i dischi volanti sono solo un frutto dell'immaginazione. Ciò è particolarmente vero per i cosiddetti oggetti volanti non identificati a contatto (UFO), che presumibilmente vengono lanciati da Marte, Venere o altri pianeti e atterrano regolarmente alle loro basi. Alcuni di loro sono stati annunciati come astronavi interstellari, il che ha portato a vivaci discussioni sulle esperienze esotiche dei loro equipaggi.

Ma non si possono ignorare del tutto le opinioni di chi crede che gli UFO, anche se non sono atterrati sulla Terra, siano apparsi nel nostro cielo. Dopo il primo rapporto di Arnold nel 1947, oltre 20.000 casi di comparsa di dischi volanti - strane formazioni furono registrate da speciali squadre di ricerca. forma insolita o oggetti incandescenti che sfrecciano nell'aria a grande velocità. Numerosi esperti credibili - piloti, operatori radar e persino alcuni scienziati - hanno affermato di aver osservato tali fenomeni più di una volta.

La cosa principale che l'intera campagna per testare la realtà degli UFO ha dimostrato è che per più di 15 anni non è stata presentata una sola prova convincente della loro esistenza. I devoti degli UFO affermano che alcune fotografie di frammenti di "dischi esplosi", una strana scia di cenere dietro un oggetto sospetto e altre prove circostanziali confermano l'esistenza di messaggeri alieni. Ma nessuna di queste "prove" è accettabile né per l'autore del libro né per la comunità scientifica nel suo insieme.

Gli aderenti ai "dischi volanti" si concedono un'interpretazione arbitraria dell'uno o dell'altro fatto - e sempre a loro favore. Se qualcuno annunciasse all'improvviso che la Terra è vuota, i sostenitori dei dischi volanti sarebbero tra coloro che chiederebbero una prova. Rifiuterebbero l'interpretazione delle registrazioni sismiche come la scomparsa delle onde sonore in una gigantesca cavità a una profondità, diciamo, di 800 km. Chiederebbero perché centinaia di sismologi esperti non hanno ottenuto tali risultati, e avrebbero ragione a non accettare questa teoria selvaggia basata sulle prove traballanti fornite da un piccolo gruppo di fanatici che difendono il loro modello di Terra Cava. Tuttavia, gli stessi sostenitori dei "dischi volanti", a quanto pare, non sono in grado di comprendere la ferocia della loro posizione, avanzando con sicurezza argomentazioni leggere e di parte.

Se un bel giorno atterra un disco volante e il mondo intero vede con i propri occhi che ne è uscito un astronauta di un altro pianeta, allora gli scienziati - e con loro l'autore - ammetteranno il loro errore.

Poiché lo sviluppo della tecnologia del volo orbitale porterà a voli sulla Luna e all'emergere di stazioni spaziali abitabili, i nostri astronauti alla fine saranno in grado di rispondere alla domanda se sono soli nello spazio. I sostenitori eccessivamente fanatici dei "dischi volanti", che oggi chiedono l'identificazione di ospiti spaziali in oggetti sospetti, devono pazientare, ma per ora le loro richieste sono del tutto infondate. Se gli alieni avessero un obiettivo specifico, diciamo, la conquista della Terra, allora, avendo una tecnologia estremamente avanzata, compresi i "dischi volanti", lo avrebbero realizzato molto tempo fa.

Un altro argomento è che i piloti preferiscono deliberatamente osservarci da lontano, poiché temono che il loro atterraggio provochi il panico tra gli abitanti della Terra e, possibilmente, la minaccia di una guerra spaziale. Questo è un tentativo di spiegare il fatto importante che nessuna delle astronavi a disco è mai atterrata sulla Terra e il suo equipaggio non è entrato in contatto diretto con noi, gli abitanti della Terra.

Naturalmente, si può presumere che gli alieni di altri mondi abbiano visitato la Terra in passato. Basti ricordare che in 10 miliardi di anni molte civiltà avrebbero potuto raggiungere un livello insolitamente alto di sviluppo della tecnologia spaziale per accettare la possibilità di più visite sulla Terra, separate da intervalli di un milione di anni. Tali visite non sembrano affatto fantastiche ora, quando l'uomo stesso è pronto a visitare la Luna e altri pianeti e sogna già di volare verso le stelle.

Quindi, la logica quasi inesorabilmente ci dice che migliaia di civiltà stanno ora prendendo parte all'esplorazione della Galassia e, forse, i semafori che regolano questo incredibile "movimento cosmico" sono controllati da un unico centro.

Mistero 3. Esiste un'organizzazione spaziale delle civiltà unite?

Fantasia? Ma perché, se ci sono almeno un milione di pianeti abitabili nella Galassia? Se la maggior parte delle civiltà ci ha superato nel loro sviluppo e da tempo ha inviato navi interstellari in tutte le direzioni, prima o poi avrebbero dovuto incontrarsi. Forse ebbero luogo vere e proprie "guerre dei mondi" e sorsero imperi, il cui bottino erano i singoli pianeti. E tutte le altre azioni oscure commesse dall'uomo sulla Terra possono essere ripetute su scala cosmica.

Probabilmente, si svilupperebbe un sistema di diritto spaziale e si formerebbe un'assemblea galattica, comprendente sia rappresentanti di civiltà avanzate che nuovi arrivati ​​​​sottosviluppati. Le sue sessioni possono adottare risoluzioni volte a preservare la pace e ridurre il divario nel livello di sviluppo delle civiltà separate da molti anni luce.

L'Organizzazione delle Civiltà Unite sarebbe iniziata milioni di anni fa. E quando i delegati del nostro sistema solare arriveranno all'assemblea "affollata" e si guarderanno intorno con stupore i diplomatici alieni, la Terra sarà uno degli ultimi membri a raggiungere lo status galattico ed emergere dai pianeti sottosviluppati.

Gli scienziati più eminenti sulla Terra non vedono nulla di antiscientifico in questa idea, e Hoyle parla con tutta serietà di un "club interstellare" a cui un giorno l'umanità sarà invitata.

Combinare gli sforzi di varie civiltà per risolvere i problemi galattici generali e lo sviluppo della tecnologia (che probabilmente iniziò anche prima della comparsa del primo microrganismo sulla Terra) porterebbe senza dubbio a una ricerca sistematica di civiltà arretrate che non siano ancora inaccessibili ai voli interstellari. Se non ci sono ancora esseri intelligenti sul pianeta scoperto, o se la loro cultura è ancora troppo primitiva per risolvere veri problemi cosmici, un tale pianeta non può essere considerato un candidato membro della comunità. La Terra sarebbe un tale pianeta.

Ma non c'è certezza che civiltà altamente sviluppate nel campo della tecnologia spaziale, ma non ancora socialmente mature, non tenterebbero di conquistare altri pianeti. È del tutto possibile che alcune delle nostre leggende più antiche e durature debbano la loro esistenza all'invasione di alieni spaziali.

Ad esempio, la morte della leggendaria Atlantide nell'oceano è stato un atto spietato che i conquistatori dello spazio hanno commesso dopo averla derubata (oro, diamanti, uranio o persino ferro - un metallo raro e quindi inestimabile sul loro pianeta), nascondendo le tracce del loro crimine dalle pattuglie vigili del gruppo "umano" di civiltà.

Indovinello 4. Il meteorite Tunguska era un'astronave con un equipaggio?

Nel giugno 1908 sul territorio Siberia orientale cadde un gigantesco meteorite, il cui suono poteva essere udito entro un raggio di 300 km. A differenza dei meteoriti Arizona e Chubb, non ha formato un cratere, tuttavia, una potente onda d'aria ha abbattuto alberi entro un raggio di 80 km, come se il meteorite fosse esploso a mezz'aria prima di colpire la superficie. Ma diverse spedizioni nell'area dell'impatto, organizzate dall'Accademia delle scienze dell'URSS, non hanno trovato grandi frammenti di un meteorite gigante che sarebbe dovuto cadere sulla Terra.

Sono state avanzate due teorie, ognuna delle quali considera artificiale l'oggetto esploso, ovvero una nave proveniente da un altro mondo.

Secondo la prima teoria, lo era navicella spaziale con un motore termonucleare che è esploso durante il tentativo di atterraggio. Questo spiegherebbe l'enorme potenza dell'onda d'urto; ma il livello di radioattività nell'area dell'impatto è troppo basso, il che non è coerente con questa teoria. L'energia dell'esplosione del motore nucleare di un veicolo spaziale, equivalente ad almeno mille bombe all'idrogeno, basterebbe a trasformare l'area dell'esplosione in un deserto atomico per centinaia di anni. Ma al momento questa zona della taiga è ricoperta da una vegetazione lussureggiante.

Un'altra ipotesi si riduce al fatto che la nave è arrivata dall'anti-mondo. Nell'ultimo decennio, i fisici nucleari hanno previsto teoricamente un'antiparticella per ogni particella elementare conosciuta, e molte di esse sono già state ottenute sperimentalmente. Un elettrone con carica negativa corrisponde a un antielettrone o positrone con carica positiva, un protone a un antiprotone, un neutrone a un antineutrone e così via per più di trenta particelle.

Quando una particella incontra la sua antiparticella, scompare, si annichila e l'intera massa si trasforma in radiazione con il rilascio di energia, in mille volte maggiore che nelle reazioni di fissione o fusione dei nuclei atomici.

Le antiparticelle sono insolite solo nel mondo delle particelle normali, mentre nell'antimondo i ruoli sono invertiti. Ma, poiché le antiparticelle sono state scoperte per la prima volta come parte dei raggi cosmici che piovono dallo spazio interstellare, la domanda ragionevole è: perché non esistono stelle intere e persino galassie costituite da antimateria?

Finché le galassie e le "antigalassie" sono separate da grandi distanze, possono esistere senza causare la morte reciproca. Tuttavia, è possibile che la radiazione delle galassie in collisione (ad esempio, nella costellazione del Cigno) debba il suo enorme potere ai processi catastrofici di annientamento di stelle e "antistelle".

Ora è facile vedere quale terribile dramma avrebbe potuto svolgersi sulla superficie della Terra. Avendo viaggiato per molti anni, forse una vita, coprendo la distanza da una stella all'altra, astronauti sconosciuti, convinti che la Terra fosse abitata, preparati con entusiasmo per l'atterraggio. Ma quando immerso in strati densi atmosfera terrestre(a quota 80 circa km) l'antimateria della loro nave ha reagito con i gas dell'atmosfera e il viaggio stellare si è concluso con un mostruoso lampo.

Questa superesplosione non ha disperso gli atomi nel vento. Hanno annientato e, allo stesso tempo, è stata rilasciata energia, molte volte maggiore dell'energia di un'esplosione termonucleare. La tomba dei cosmonauti è contrassegnata solo da una foresta completamente caduta e non ci sono tracce degli alieni stessi o della loro nave.

Questa teoria spiega perfettamente il mistero del meteorite Tunguska e, se è vera, ci offre un esempio di una delle rare visite dallo spazio.

Eppure questa è solo una congettura; finora nessuno può darci una risposta alla domanda se la Terra sia stata visitata da ospiti del Cosmo.

Mistero 5. Un'astronave proveniente dalla Terra diventerà un misterioso "disco volante" per gli abitanti di un altro pianeta?

Il nostro sistema planetario più vicino è la stella Proxima Centauri, almeno 7.500 volte più lontana di Plutone, a una distanza di 42 trilioni km. (Ovviamente, Proxima Centauri potrebbe non avere affatto pianeti e, in tal caso, potrebbero essere disabitati.) È difficile immaginare le enormi distanze che separano il Sole e le stelle vicine.

In una sfera con un raggio di 12 anni luce (113 trilioni km) ci sono 18 stelle visibili ad occhio nudo, comprese due ben note: Sirio e Procione. Ovviamente per visitare una qualsiasi di queste stelle interplanetario le navi sono inutili. Anche se il razzo raggiunge una velocità di 1600 km/sec e attraverserà l'orbita di Plutone dopo 40 ore dal momento del lancio, per raggiungere Proxima Centauri avrà bisogno 3000 anni. Pertanto, molto più veloce interstellare navi. Ma anche aumentare la velocità di 10 volte ridurrà il tempo di viaggio a soli 300 anni. Affinché il volo interstellare sia possibile, la velocità di un razzo deve avvicinarsi alla velocità della luce. Un'astronave che vola alla velocità della luce (300.000 km/sec), avrebbe raggiunto Plutone in sole cinque ore, e le stelle del suo vicino più prossimo Proxima Centauri in 38.000 ore o 4,3 anni. I razzi a propellente chimico non sono adatti, perché per sviluppare una velocità anche pari a una piccola frazione della velocità della luce occorrono serbatoi di carburante delle dimensioni di asteroidi. I razzi con motori a ioni nucleari e cosiddetti elettrostatici potrebbero sviluppare una velocità elevata, ma ancora una volta insufficiente.

Solo tipi di motori completamente nuovi ci forniranno vere navi interstellari. Tra questi, forse, ci sarà un razzo fotonico.

Proprio come in un motore a razzo elettrostatico, un flusso di ioni ad alta velocità funge da fonte di spinta, un motore a fotoni emette un potente raggio di quanti di luce che fornisce potenza reattiva. È vero, alcuni scienziati missilistici ritengono che questi progetti non siano realistici, poiché sarebbe necessario un generatore di fotoni di dimensioni e potenza incredibili.

Negli ultimi anni c'è stato un rapido sviluppo laser. Questi dispositivi generano raggi di radiazione insolitamente potenti (visibili, ultravioletti o infrarossi). Ogni giorno ascoltiamo e leggiamo rapporti su nuovi exploit dei laser: bruciano fori nei diamanti in una frazione di secondo, tagliano lastre d'acciaio. Gli ingegneri non hanno dubbi che alla fine riusciranno a concentrare milioni di watt di potenza in un raggio laser.

Un veicolo spaziale dotato di un motore a fotoni laser è in grado di raggiungere velocità pari al 90% della velocità della luce. Quindi il viaggio verso Proxima Centauri richiederà meno di cinque anni e verso Sirio (distanza 8,6 anni luce) - circa nove anni. Se gli astronauti si offrissero volontari per trascorrere la loro vita a bordo di un veicolo spaziale, allora si potrebbero visitare tutte le stelle entro un raggio di 25 anni luce nella speranza di trovare un altro sistema planetario e uno dei milioni di "gemelli" della Terra abitati da esseri intelligenti.

Ma aiuterà?

Indovinello 6. Qual è la probabilità di rilevare la vita nel quartiere "più vicino" al Sole accessibile a un razzo fotonico?

Da quanto detto sopra ne consegue che tale probabilità è praticamente pari a zero. Se la valutazione di Struve è corretta e il numero di pianeti simili alla Terra nella nostra Galassia è davvero un milione, ciò significa che, in media, su 200.000 stelle, solo una ha avuto la fortuna di essere il proprietario di una famiglia di pianeti. Sfortunatamente, come risulta dai calcoli di Horner (Osservatorio di Heidelberg), ci sono solo 10 stelle con sistemi planetari in una sfera con un raggio di 160 anni luce. Quindi, solo con una fantastica fortuna "vicino" a noi c'è una stella - forse anche Proxima Centauri - con un pianeta abitabile.

Se aumentiamo la stima di Struve di un fattore 100, allora i nostri cosmonauti dovranno esaminare 2.000 stelle prima di trovarne una con un pianeta abitabile. Inoltre, il loro viaggio durerà almeno 100 anni, più a lungo della loro vita. Quindi, a causa della notevole durata dei voli, sembrerebbe impossibile affrontare con successo il compito di cercare mondi fraterni. Ovviamente, gli astronauti non avranno abbastanza vita per superare nemmeno un decimo del percorso verso stelle così lontane, e ancor di più per visitarle e tornare sulla Terra.

Tuttavia, una circostanza rimuove questa barriera temporale.

Mistero 7. Gli astronauti possono viaggiare per 1.000 anni luce in un anno?

Se un veicolo spaziale potesse raggiungere, diciamo, il 99% della velocità della luce o più, il famoso paradosso della "dilatazione del tempo" della teoria della relatività di Einstein eliminerebbe la barriera del tempo. Teoricamente, per una persona che si muove con un razzo a una tale velocità, il tempo rallenterebbe letteralmente.

Mentre l'orologio sulla Terra segna 1.000 anni, ci vorranno 10 anni o meno per l'equipaggio della nave, a seconda di quanto è vicino alla velocità della luce. Pertanto, quando raggiungeranno il pianeta, invecchieranno solo di pochi anni. Tornando alla stessa velocità, arriveranno sulla Terra poco invecchiati, ma non ritroveranno i loro parenti e amici, morti da tempo.

Mistero 8. Una persona sarà in grado di visitare altri mondi su navi superluminali?

Dalla teoria della relatività deriva che se la velocità di un oggetto tende alla velocità della luce (che si presume costante), la sua massa tende all'infinito, per cui è fisicamente impossibile continuare ad accelerare l'oggetto a una velocità superiore .

Ma se la velocità della luce cessasse di svolgere il ruolo di deterrente per le nostre astronavi, allora il sistema solare diventerebbe uno stagno, la Via Lattea un lago, lo spazio intergalattico un mare e l'intero Universo un oceano. Una velocità sufficientemente elevata ridurrà la durata del viaggio da secoli a diversi mesi e anni.

Tuttavia, superare le distanze cosmiche è un compito mostruosamente difficile. Anche un anno luce non è un'unità abbastanza grande quando si ha a che fare con oggetti distanti. Tutte le stelle visibili nel cielo notturno si trovano entro 100.000 anni luce nella nostra galassia. Ma già la galassia più vicina nella costellazione di Andromeda è a 2.300.000 anni luce da noi, e altri milioni e milioni di galassie sono a miliardi di anni luce. Gli astronomi sono a disagio nell'usare questa unità e ne hanno introdotta una nuova - parsec.

La parola "parsec" è formata dalle sillabe iniziali di due parole: parallasse e seconda. La parallasse è il valore dello spostamento angolare dell'immagine di una stella rispetto allo sfondo stellare se vista da punti diametralmente opposti dell'orbita terrestre, la cui distanza è di 300 milioni di km. km. Se la parallasse (spostamento apparente) è di 1 secondo d'arco, la distanza dall'oggetto osservato è di 1 parsec. Un parsec corrisponde a 3,26 anni luce, ovvero 31 trilioni km. Come puoi vedere, un parsec non è molto più grande di un anno luce, quindi gli astronomi usano spesso unità derivate dal parsec - kiloparsec (1000 parsec) e megaparsec (1.000.000 di parsec). La Nebulosa di Andromeda è a 700 kiloparsec da noi, e il gruppo di galassie nella costellazione della chioma della Veronica è a 25 megaparsec (quasi 90.000.000 di anni luce).

Con l'aiuto dei radiotelescopi e del riflettore Palomar di 5 metri, i confini dell'Universo osservabile sono stati spinti fino a 7,5 miliardi di anni luce, cioè fino a 2300 megaparsec. Pertanto, anche il megaparsec come unità di distanza diventa inutilizzabile e alcuni astronomi fanno un ulteriore passo avanti e determinano la dimensione della parte visibile dell'Universo come 2,3 gigaparsec(consolare Giga significa miliardo).

La velocità che sarebbe richiesta per volare verso le più lontane galassie conosciute è un numero fantastico; la distanza si ottiene moltiplicando 7,5 miliardi di anni luce per il percorso che la luce compie in un anno (10 trilioni km), ed è 75 10 21 km. Muovendosi un milione di volte più veloce della luce, il veicolo spaziale raggiungerebbe oggetti così distanti solo dopo 750 anni.

Ovviamente, anche l'eliminazione di tutte le restrizioni relativistiche non renderà tali voli nel Grande Universo una piacevole passeggiata, e persino le navi superluminali ci permetteranno di esplorare solo la nostra Galassia relativamente piccola e difficilmente gli oggetti al di là di essa.

Questa è in qualche misura una risposta a chi, contemplando la miriade di mondi, eventualmente abitati, chiederà, come Teller: "Dove sei?" Solo i nativi della nostra Galassia potrebbero visitarci su razzi superveloci, e anche allora dovrebbero faticare per trovarne uno circondato da pianeti tra ogni 200.000 stelle. Da ciò ne consegue logicamente che nessun pianeta, inclusa la Terra, non sarà visitato troppo spesso in tutti i 10 miliardi di anni di esistenza della vita.

Utilizzando la tecnologia esistente, ci vorrà molto, molto tempo per inviare scienziati e astronauti in una missione interstellare. Il viaggio sarà terribilmente lungo (anche per gli standard cosmici). Se vogliamo fare un viaggio del genere in almeno una vita, beh, o una generazione, abbiamo bisogno di misure più radicali (leggi: puramente teoriche). E se i wormhole e le unità subspaziali sono assolutamente fantastici al momento, ci sono state altre idee per molti anni che crediamo si avvereranno.

centrale nucleare

La propulsione nucleare è un "motore" teoricamente possibile per viaggi spaziali veloci. Il concetto fu originariamente proposto da Stanislaw Ulam nel 1946, un matematico polacco-americano che partecipò al Progetto Manhattan, e i calcoli preliminari furono fatti da F. Reines e Ulam nel 1947. Il progetto Orion fu lanciato nel 1958 e durò fino al 1963.

Guidato da Ted Taylor della General Atomics e dal fisico Freeman Dyson dell'Institute for Advanced Study di Princeton, Orion userebbe la potenza delle esplosioni nucleari pulsate per fornire una spinta tremenda con un impulso specifico molto elevato.

In poche parole, il progetto Orion prevede un grande veicolo spaziale che guadagna velocità supportando testate termonucleari, espellendo bombe da dietro e accelerando sull'onda d'urto che va nel "pusher" posteriore, il push panel. Dopo ogni spinta, la forza dell'esplosione viene assorbita da questo pannello e convertita in movimento in avanti.

Sebbene questo design difficilmente possa essere definito elegante secondo gli standard moderni, il vantaggio del concetto è che fornisce un'elevata spinta specifica, ovvero estrae la massima quantità di energia dalla fonte di combustibile (in questo caso, bombe nucleari) mentre costo minimo. Inoltre, questo concetto può teoricamente accelerare velocità molto elevate, fino al 5% della velocità della luce (5,4 x 107 km/h) secondo alcune stime.

Naturalmente, questo progetto ha inevitabili svantaggi. Da un lato, una nave di queste dimensioni sarebbe estremamente costosa da costruire. Dyson stimò nel 1968 che il veicolo spaziale Orion bombardato a idrogeno avrebbe pesato tra 400.000 e 4.000.000 di tonnellate. E almeno tre quarti di quel peso proverranno da bombe nucleari, ognuna delle quali pesa circa una tonnellata.

I calcoli prudenti di Dyson hanno mostrato che il costo totale della costruzione dell'Orion sarebbe stato di 367 miliardi di dollari. Adeguato all'inflazione, risulta a 2,5 trilioni di dollari, che è parecchio. Anche con le stime più modeste, il dispositivo sarà estremamente costoso da produrre.

C'è anche il piccolo problema delle radiazioni che emetterà, per non parlare delle scorie nucleari. Si ritiene che questo sia il motivo per cui il progetto è stato annullato in base al trattato sul divieto parziale dei test del 1963, quando i governi mondiali cercarono di limitare i test nucleari e fermare l'eccessivo rilascio di ricadute radioattive nell'atmosfera del pianeta.

Razzi a fusione nucleare

Un'altra possibilità di utilizzare l'energia nucleare è nelle reazioni termonucleari per produrre spinta. In base a questo concetto, l'energia deve essere creata durante l'accensione dei pellet di una miscela di deuterio ed elio-3 nella camera di reazione mediante confinamento inerziale utilizzando fasci di elettroni (simile a quanto avviene presso la National Ignition Facility in California). Un tale reattore a fusione esploderebbe 250 pallini al secondo, creando un plasma ad alta energia che verrebbe poi reindirizzato in un ugello, creando spinta.

Come un razzo che si basa su un reattore nucleare, questo concetto presenta vantaggi in termini di efficienza del carburante e impulso specifico. Si stima che la velocità dovrebbe raggiungere i 10.600 km/h, che è molto superiore ai limiti di velocità dei missili convenzionali. Inoltre, questa tecnologia è stata studiata attivamente negli ultimi decenni e sono state fatte molte proposte.

Ad esempio, tra il 1973 e il 1978, la British Interplanetary Society ha condotto uno studio sulla possibilità del Progetto Daedalus. Attingendo alle attuali conoscenze e alla tecnologia di fusione, gli scienziati hanno chiesto la costruzione di una sonda scientifica senza equipaggio a due stadi che potrebbe raggiungere la stella di Barnard (5,9 anni luce dalla Terra) in una vita umana.

Il primo stadio, il più grande dei due, durerebbe 2,05 anni e accelererebbe il velivolo al 7,1% della velocità della luce. Quindi questo stadio viene scartato, il secondo viene acceso e il dispositivo accelera al 12% della velocità della luce in 1,8 anni. Quindi il motore del secondo stadio viene spento e la nave vola per 46 anni.

Il progetto Daedalus ha stimato che la missione avrebbe impiegato 50 anni per raggiungere la stella di Barnard. Se a Proxima Centauri, la stessa nave ci arriverà in 36 anni. Ma, ovviamente, il progetto include molti problemi irrisolti, in particolare l'utilizzo irrisolvibile tecnologie moderne- e la maggior parte di loro sono ancora irrisolti.

Ad esempio, non c'è praticamente elio-3 sulla Terra, il che significa che dovrà essere estratto altrove (molto probabilmente sulla Luna). In secondo luogo, la reazione che aziona l'apparato richiede che l'energia emessa sia molto maggiore dell'energia spesa per avviare la reazione. E sebbene gli esperimenti sulla Terra abbiano già superato il punto di pareggio, siamo ancora lontani dalla quantità di energia che può alimentare un veicolo interstellare.

In terzo luogo, rimane la questione del costo di una tale nave. Anche per standard modesti veicolo senza pilota progetto "Daedalus", un apparato completamente attrezzato peserà 60.000 tonnellate. Per darti un'idea, il peso lordo dell'SLS della NASA è poco più di 30 tonnellate e il solo lancio costerà 5 miliardi di dollari (stima 2013).

In breve, un razzo a fusione non solo sarebbe troppo costoso da costruire, ma richiederebbe un livello di reattore a fusione ben oltre le nostre capacità. Icarus Interstellar, un'organizzazione internazionale di scienziati cittadini (alcuni dei quali hanno lavorato per la NASA o l'ESA), sta cercando di far rivivere il concetto con Project Icarus. Formatosi nel 2009, il gruppo spera di rendere possibile il movimento di sintesi (e altri) nel prossimo futuro.

Ramjet termonucleare

Conosciuto anche come motore ramjet Bussard, il motore fu proposto per la prima volta dal fisico Robert Bussard nel 1960. Al suo interno, è un miglioramento rispetto a un razzo a fusione standard che utilizza campi magnetici per comprimere il combustibile a idrogeno fino al punto di fusione. Ma nel caso di un ramjet, un enorme imbuto elettromagnetico aspira l'idrogeno dal mezzo interstellare e lo versa nel reattore come combustibile.

Man mano che il velivolo prende velocità, la massa di reazione entra in un campo magnetico confinante che la comprime fino all'inizio della fusione. Il campo magnetico quindi dirige l'energia nell'ugello del razzo, accelerando la nave. Poiché nessuna quantità di serbatoi di carburante lo rallenterà, un ramjet a fusione può raggiungere velocità dell'ordine del 4% della velocità della luce e andare ovunque nella galassia.

Tuttavia, questa missione ha molti potenziali svantaggi. Ad esempio, il problema dell'attrito. Il veicolo spaziale fa affidamento su un'elevata velocità di raccolta del carburante, ma incontrerà anche molto idrogeno interstellare e perderà velocità, specialmente nelle regioni dense della galassia. In secondo luogo, nello spazio non c'è molto deuterio e trizio (che vengono utilizzati nei reattori sulla Terra) e la sintesi dell'idrogeno ordinario, che è abbondante nello spazio, è ancora al di fuori del nostro controllo.

Tuttavia, la fantascienza amava questo concetto. L'esempio più famoso è forse il franchise di Star Trek, che utilizza "collezionisti Bussard". In realtà, la nostra comprensione dei reattori a fusione è lungi dall'essere perfetta come vorremmo.

vela laser

Le vele solari sono state a lungo considerate un modo efficace per conquistare il sistema solare. Oltre ad essere relativamente semplici ed economici da realizzare, hanno un grande vantaggio: non necessitano di carburante. Invece di utilizzare razzi affamati di carburante, la vela utilizza la pressione di radiazione delle stelle per spingere specchi ultrasottili ad alte velocità.

Tuttavia, nel caso di un volo interstellare, tale vela dovrebbe essere spinta da fasci di energia focalizzati (laser o microonde) per accelerare a una velocità prossima a quella della luce. Il concetto è stato proposto per la prima volta da Robert Forward nel 1984, un fisico dello Hughes Aircraft Laboratory.

La sua idea conserva i vantaggi di una vela solare in quanto non richiede carburante a bordo, e anche in quanto l'energia laser non si disperde a distanza nello stesso modo della radiazione solare. Pertanto, anche se ci vorrà del tempo prima che la vela laser acceleri a una velocità vicina alla luce, successivamente sarà limitata solo dalla velocità della luce stessa.

Secondo uno studio del 2000 di Robert Frisby, direttore della ricerca avanzata sul concetto di propulsione presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, una vela laser accelererebbe fino alla metà della velocità della luce in meno di dieci anni. Ha anche calcolato che una vela con un diametro di 320 chilometri potrebbe raggiungere Proxima Centauri in 12 anni. Intanto la vela, di 965 chilometri di diametro, arriverà a posto in soli 9 anni.

Tuttavia, una tale vela dovrà essere costruita con materiali compositi avanzati per evitare la fusione. Cosa che sarà particolarmente difficile date le dimensioni della vela. Il costo è ancora peggiore. Secondo Frisbee, i laser avrebbero bisogno di un flusso costante di 17.000 terawatt di potenza, circa la quantità che il mondo intero consuma in un solo giorno.

Motore ad antimateria

I fan della fantascienza sanno bene cos'è l'antimateria. Ma nel caso l'avessi dimenticato, l'antimateria è materia composta da particelle che hanno la stessa massa delle particelle normali ma carica opposta. Un impulso antimateria è un impulso ipotetico basato sulle interazioni tra materia e antimateria per generare energia o creare spinta.

In breve, il motore ad antimateria utilizza particelle in collisione di idrogeno e anti-idrogeno. L'energia emessa durante il processo di annichilazione è paragonabile in volume all'energia di un'esplosione di una bomba termonucleare accompagnata da un flusso di particelle subatomiche - pioni e muoni. Queste particelle, che viaggiano a un terzo della velocità della luce, vengono reindirizzate in un ugello magnetico e generano spinta.

Il vantaggio di questa classe di missili è questo maggior parte le masse della miscela materia/antimateria possono essere convertite in energia, fornendo un'elevata densità energetica e un impulso specifico che supera qualsiasi altro razzo. Inoltre, la reazione di annichilazione può accelerare un razzo fino alla metà della velocità della luce.

Una tale classe di missili sarebbe la più veloce e la più efficiente dal punto di vista energetico possibile (o impossibile, ma proposta). Laddove i razzi chimici convenzionali richiedono tonnellate di propellente per spingere un veicolo spaziale verso la sua destinazione, un motore ad antimateria farà lo stesso lavoro con pochi milligrammi di propellente. L'annientamento reciproco di mezzo chilogrammo di particelle di idrogeno e anti-idrogeno rilascia più energia di una bomba all'idrogeno da 10 megatoni.

È per questo motivo che l'Institute for Advanced Concepts della NASA sta studiando questa tecnologia come possibilità per future missioni su Marte. Sfortunatamente, quando si considerano le missioni nei sistemi stellari vicini, la quantità di carburante necessaria cresce in modo esponenziale e i costi diventano astronomici (nessun gioco di parole).

Secondo un rapporto preparato per la 39a conferenza e mostra congiunta AIAA/ASME/SAE/ASEE, un razzo antimateria a due stadi richiederebbe più di 815.000 tonnellate di propellente per raggiungere Proxima Centauri in 40 anni. È relativamente veloce. Ma il prezzo...

Mentre un grammo di antimateria produce un'incredibile quantità di energia, la produzione di un solo grammo di antimateria richiederebbe 25 milioni di miliardi di chilowattora di energia e costerebbe mille miliardi di dollari. Attualmente, la quantità totale di antimateria creata dall'uomo è inferiore a 20 nanogrammi.

E anche se potessimo produrre antimateria a buon mercato, avremmo bisogno di una nave enorme che possa contenere la quantità di carburante richiesta. Secondo un rapporto del dottor Darrell Smith e Jonathan Webby della Embry-Riddle Aviation University in Arizona, un velivolo interstellare alimentato ad antimateria potrebbe raggiungere la velocità della luce di 0,5 e raggiungere Proxima Centauri in poco più di 8 anni. Tuttavia, la nave stessa peserebbe 400 tonnellate e richiederebbe 170 tonnellate di carburante antimateria.

Un possibile modo per aggirare questo è creare una nave che creerà antimateria e quindi la utilizzerà come combustibile. Questo concetto, noto come Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), è stato proposto da Richard Aubousi di Icarus Interstellar. Basandosi sull'idea del riciclaggio in situ, VARIES utilizzerebbe grandi laser (alimentati da enormi pannelli solari) che creano particelle di antimateria quando vengono sparati nello spazio vuoto.

Simile al concetto di fusion ramjet, questa proposta risolve il problema del trasporto del carburante estraendolo direttamente dallo spazio. Ma ancora una volta, il costo di una nave del genere sarebbe estremamente alto se costruita utilizzando i nostri metodi moderni. Semplicemente non possiamo creare antimateria su vasta scala. E poi c'è il problema delle radiazioni, poiché l'annichilazione di materia e antimateria produce lampi di raggi gamma ad alta energia.

Non rappresentano solo un pericolo per l'equipaggio, ma anche per il motore, in modo che non si sfaldino in particelle subatomiche sotto l'influenza di tutte queste radiazioni. In breve, un drive antimateria è del tutto impraticabile data la nostra attuale tecnologia.

Motore a curvatura Alcubierre

I fan della fantascienza hanno senza dubbio familiarità con il concetto di motore a curvatura (o motore di Alcubierre). Proposta dal fisico messicano Miguel Alcubierre nel 1994, questa idea era un tentativo di immaginare un viaggio istantaneo attraverso lo spazio senza violare la teoria della relatività ristretta di Einstein. In breve, questo concetto implica lo stiramento del tessuto dello spazio-tempo in un'onda, che teoricamente causerebbe la contrazione dello spazio davanti all'oggetto e l'espansione dietro di esso.

Un oggetto all'interno di questa onda (la nostra nave) sarà in grado di cavalcare quest'onda, trovandosi in una "bolla di curvatura", a una velocità molto superiore a quella relativistica. Poiché la nave non si muove nella bolla stessa, ma ne è trasportata, le leggi della relatività e dello spazio-tempo non saranno violate. In effetti, questo metodo non comporta viaggi più veloci della luce in senso locale.

"Più veloce della luce" è solo nel senso che la nave può raggiungere la sua destinazione più velocemente di un raggio di luce che viaggia fuori dalla bolla di curvatura. Ipotizzando che la navicella sarà equipaggiata con il sistema Alcubierre, raggiungerà Proxima Centauri in meno di 4 anni. Pertanto, se parliamo di viaggi spaziali interstellari teorici, questa è di gran lunga la tecnologia più promettente in termini di velocità.

Naturalmente, l'intero concetto è estremamente controverso. Tra gli argomenti contro, ad esempio, c'è che non tiene conto della meccanica quantistica e può essere confutata dalla teoria del tutto (come la gravità quantistica a loop). I calcoli della quantità di energia richiesta mostravano anche che il motore a curvatura sarebbe stato proibitivamente ghiotto. Altre incertezze includono la sicurezza di un tale sistema, gli effetti spazio-temporali a destinazione e le violazioni della causalità.

Tuttavia, nel 2012, lo scienziato della NASA Harold White ha affermato che lui ei suoi colleghi hanno iniziato a esplorare la possibilità di creare un motore Alcubierre. White ha affermato di aver costruito un interferometro che avrebbe raccolto le distorsioni spaziali prodotte dall'espansione e dalla contrazione dello spazio-tempo della metrica di Alcubierre.

Nel 2013, il Jet Propulsion Laboratory ha pubblicato i risultati dei test del campo di curvatura, che sono stati effettuati nel vuoto. Sfortunatamente, i risultati sono stati considerati "inconcludenti". Alla lunga, potremmo scoprire che la metrica di Alcubierre viola una o più delle leggi fondamentali della natura. E anche se la sua fisica risulta corretta, non vi è alcuna garanzia che il sistema Alcubierre possa essere utilizzato per il volo.

In generale, tutto è come al solito: sei nato troppo presto per viaggiare verso la stella più vicina. Tuttavia, se l'umanità sentirà il bisogno di costruire una "arca interstellare" che ospiterà una società umana autosufficiente, sarà possibile arrivare a Proxima Centauri in cento anni. Se, ovviamente, vogliamo investire in un evento del genere.

In termini di tempo, tutti i metodi disponibili sembrano essere estremamente limitati. E se trascorrere centinaia di migliaia di anni viaggiando verso la stella più vicina può essere di scarso interesse per noi quando è in gioco la nostra stessa sopravvivenza, con l'avanzare della tecnologia spaziale, i metodi rimarranno estremamente impraticabili. Quando la nostra arca raggiungerà la stella più vicina, la sua tecnologia sarà obsoleta e l'umanità stessa potrebbe non esistere più.

Quindi, a meno che non facciamo un importante passo avanti nella fusione, nell'antimateria o nella tecnologia laser, ci accontenteremo di studiare il nostro sistema solare.