- Bahagian 1 -
Sekiranya anda menggunakan teknologi yang ada, memerlukan masa yang sangat lama untuk menghantar saintis dan angkasawan ke misi antarbintang. Perjalanan akan memakan masa yang panjang (walaupun mengikut standard kosmik). Sekiranya kita ingin melakukan perjalanan dalam sekurang-kurangnya satu kehidupan, baik, atau generasi, kita memerlukan langkah-langkah yang lebih radikal (baca: semata-mata teoritis). Dan jika lubang cacing dan enjin ruang bawah tanah benar-benar hebat pada masa ini, sudah ada idea lain selama bertahun-tahun yang kami percayai.
Loji kuasa nuklear
Loji tenaga nuklear adalah "enjin" teori yang mungkin untuk perjalanan angkasa lepas. Konsep ini pada mulanya dicadangkan oleh Stanislav Ulam pada tahun 1946, seorang ahli matematik Poland-Amerika yang mengambil bahagian dalam Projek Manhattan, dan pengiraan awal dibuat oleh F. Reines dan Ulam pada tahun 1947. Projek Orion dilancarkan pada tahun 1958 dan wujud hingga tahun 1963.
Diketuai oleh Ted Taylor dari General Atomics dan ahli fizik Freeman Dyson dari Institut Kajian Lanjutan di Princeton, Orion akan memanfaatkan kekuatan letupan nuklear berdenyut untuk memberikan daya dorong yang sangat besar dengan dorongan khusus yang sangat tinggi.
Video promosi:
Singkatnya, Project Orion merangkumi kapal angkasa besar yang mengambil kelajuan dengan menyokong kepala pelindung termonuklear, mengeluarkan bom di belakang dan mempercepat ketika gelombang letupan melarikan diri ke pendorong yang dipasang di belakang, panel tolak. Selepas setiap tolakan, kekuatan letupan diserap oleh panel ini dan ditukar menjadi gerakan ke hadapan.
Walaupun reka bentuk ini hampir tidak elegan dengan piawaian moden, kelebihan konsepnya ialah ia memberikan daya tuju khusus yang tinggi - iaitu, ia mengeluarkan jumlah tenaga maksimum dari sumber bahan bakar (dalam hal ini, bom nuklear) dengan kos minimum. Sebagai tambahan, konsep ini secara teori dapat mempercepat kelajuan yang sangat tinggi, menurut beberapa perkiraan, hingga 5% dari kecepatan cahaya (5,4 x 107 km / jam).
Sudah tentu, projek ini mempunyai kelemahan yang tidak dapat dielakkan. Di satu pihak, kapal seukuran ini akan sangat mahal untuk dibina. Pada tahun 1968, Dyson menganggarkan bahawa kapal angkasa Orion, yang digerakkan oleh bom hidrogen, beratnya antara 400.000 dan 4.000.000 metrik tan. Dan sekurang-kurangnya tiga perempat dari berat itu akan datang dari bom nuklear, masing-masing seberat kira-kira satu tan.
Anggaran konservatif Dyson menunjukkan bahawa jumlah kos pembinaan Orion adalah $ 367 bilion. Diselaraskan untuk inflasi, jumlah ini adalah $ 2.5 trilion, yang jumlahnya cukup banyak. Walaupun dengan anggaran yang paling konservatif, peranti ini akan sangat mahal untuk dihasilkan.
Terdapat juga masalah kecil radiasi yang akan dikeluarkannya, apatah lagi sisa nuklear. Dipercayai inilah sebab mengapa projek itu dibatalkan berdasarkan perjanjian larangan ujian separa tahun 1963, ketika pemerintah dunia berusaha untuk membatasi ujian nuklear dan menghentikan pelepasan radioaktif yang berlebihan ke atmosfer planet ini.
Roket peleburan nuklear
Kemungkinan lain menggunakan tenaga nuklear adalah tindak balas termonuklear untuk menghasilkan tujahan. Di bawah konsep ini, tenaga mesti dibuat dengan selaput inersia yang memicu pelet campuran deuterium dan helium-3 di ruang tindak balas menggunakan pancaran elektron (serupa dengan apa yang dilakukan di Kompleks Pencucuhan Nasional di California). Reaktor peleburan seperti itu akan meletupkan 250 pelet sesaat, menghasilkan plasma bertenaga tinggi, yang kemudian akan dialihkan ke muncung, menimbulkan daya tuju.
Seperti roket yang bergantung pada reaktor nuklear, konsep ini mempunyai kelebihan dari segi kecekapan bahan bakar dan dorongan khusus. Anggaran kelajuan harus mencapai 10,600 km / j, jauh di atas had laju roket konvensional. Lebih-lebih lagi, teknologi ini telah banyak dikaji selama beberapa dekad yang lalu, dan banyak cadangan telah dibuat.
Sebagai contoh, antara tahun 1973 dan 1978, British Interplanetary Society menjalankan kajian kemungkinan untuk Project Daedalus. Berdasarkan pengetahuan moden dan teknologi peleburan termonuklear, para saintis meminta pembinaan penyelidikan saintifik tanpa pemandu dua peringkat yang dapat mencapai Bintang Barnard (5,9 tahun cahaya dari Bumi) sepanjang jangka waktu kehidupan manusia.
Tahap pertama, yang terbesar dari kedua, akan berjalan selama 2.05 tahun dan mempercepat kraf hingga 7.1% kelajuan cahaya. Kemudian tahap ini dibuang, yang kedua dinyalakan, dan radas mempercepat hingga 12% kelajuan cahaya dalam 1,8 tahun. Kemudian enjin tahap kedua dimatikan, dan kapal itu telah terbang selama 46 tahun.
Project Daedalus menganggarkan bahawa memerlukan masa 50 tahun untuk mencapai Barnard's Star. Sekiranya ke Proxima Centauri, kapal yang sama akan sampai dalam 36 tahun. Tetapi, tentu saja, projek ini merangkumi banyak masalah yang tidak dapat diselesaikan, khususnya yang tidak dapat diselesaikan dengan penggunaan teknologi moden - dan kebanyakannya belum dapat diselesaikan.
Sebagai contoh, hampir tidak ada helium-3 di Bumi, yang bermaksud bahawa ia mesti dilombong di tempat lain (kemungkinan besar di Bulan). Kedua, reaksi yang menggerakkan kapal memerlukan tenaga yang dikeluarkan jauh lebih besar daripada tenaga yang dikeluarkan untuk mencetuskan reaksi. Dan walaupun eksperimen di Bumi telah melampaui "titik pulang modal", kita masih jauh dari jumlah tenaga yang dapat menggerakkan kenderaan antara bintang.
Ketiga, masih ada persoalan mengenai kos kapal tersebut. Walaupun dengan standard sederhana kenderaan tanpa pemandu Project Daedalus, kenderaan yang lengkap akan mempunyai berat 60,000 tan. Sekadar makluman, berat kasar NASA SLS lebih dari 30 metrik tan, dan pelancarannya sendiri akan menelan belanja $ 5 bilion (anggaran 2013).
Ringkasnya, roket peleburan bukan sahaja terlalu mahal untuk dibina, tetapi juga memerlukan tahap reaktor peleburan yang jauh melebihi kemampuan kita. Icarus Interstellar, sebuah organisasi antarabangsa saintis sipil (beberapa di antaranya telah bekerja untuk NASA atau ESA), berusaha menghidupkan kembali konsep tersebut dengan Project Icarus. Kumpulan yang berkumpul pada tahun 2009 berharap pergerakan fusi (dan lain-lain) dapat dilakukan untuk masa yang akan datang.
Ramjet termonuklear
Juga dikenali sebagai ramjet Bussard, mesin ini pertama kali dicadangkan oleh ahli fizik Robert Bussard pada tahun 1960. Pada intinya, ini adalah peningkatan pada roket termonuklear standard, yang menggunakan medan magnet untuk memampatkan bahan bakar hidrogen ke titik peleburan. Tetapi bagi mesin ramjet, corong elektromagnetik besar menyedut hidrogen dari medium antarbintang dan menuangkannya ke dalam reaktor sebagai bahan bakar.
Ketika kenderaan mengambil kelajuan, jisim reaktif memasuki medan magnet yang membatasi, yang memampatkannya sebelum peleburan bermula. Medan magnet kemudian mengarahkan tenaga ke muncung roket, mempercepat kapal. Oleh kerana tidak ada tangki bahan bakar yang akan melambatkannya, ramjet termonuklear dapat mencapai kelajuan urutan cahaya 4% dan pergi ke mana saja di galaksi.
Walaupun begitu, misi ini mempunyai banyak kekurangan. Contohnya, masalah geseran. Kapal angkasa bergantung pada kadar pengumpulan bahan bakar yang tinggi, tetapi juga akan bertabrakan dengan sejumlah besar hidrogen antara bintang dan kehilangan kelajuan - terutama di kawasan galaksi yang padat. Kedua, tidak banyak deuterium dan tritium (yang digunakan dalam reaktor di Bumi) di angkasa, dan sintesis hidrogen biasa, yang banyak terdapat di angkasa, masih di luar kawalan kita.
Walau bagaimanapun, fiksyen sains telah berkembang untuk menyukai konsep ini. Contoh yang paling terkenal mungkin francais Star Trek, yang menggunakan Bussard Collectors. Sebenarnya, pemahaman kita mengenai reaktor peleburan tidak sesempurna yang kita mahukan.
Laser berlayar
Layar suria telah lama dianggap cara yang berkesan untuk menaklukkan sistem suria. Selain relatif sederhana dan murah untuk dibuat, mereka memiliki nilai tambah yang besar: mereka tidak memerlukan bahan bakar. Daripada menggunakan roket yang memerlukan bahan bakar, layar menggunakan tekanan dari radiasi dari bintang untuk mendorong cermin ultra tipis ke kelajuan tinggi.
Namun, dalam hal penerbangan antarbintang, layar seperti itu harus didorong oleh pancaran tenaga yang difokuskan (laser atau gelombang mikro) untuk mempercepat hingga kecepatan mendekati cahaya. Konsep ini pertama kali dicadangkan oleh Robert Forward pada tahun 1984, seorang ahli fizik di Makmal Pesawat Hughes.
Ideanya mengekalkan kelebihan layar solar kerana ia tidak memerlukan bahan bakar di kapal, dan juga bahawa tenaga laser tidak tersebar jauh dari jarak yang sama dengan sinaran matahari. Oleh itu, sementara pelayaran laser memerlukan sedikit masa untuk mempercepat hingga hampir cahaya, ia kemudian hanya akan dibatasi oleh kelajuan cahaya itu sendiri.
Menurut kajian tahun 2000 oleh Robert Frisbee, pengarah penyelidikan pendorong maju di Makmal Jet Propulsion NASA, layar laser akan mencecah separuh kelajuan cahaya dalam waktu kurang dari sepuluh tahun. Dia juga mengira bahawa layar dengan diameter 320 kilometer dapat mencapai Proxima Centauri dalam 12 tahun. Sementara itu, belayar berdiameter 965 kilometer akan tiba hanya dalam 9 tahun.
Bagaimanapun, layar seperti itu harus dibina dari bahan komposit canggih untuk mengelakkan lebur. Yang akan sangat sukar memandangkan ukuran layarnya. Kosnya lebih teruk. Menurut Frisbee, laser akan memerlukan aliran 17,000 terawat tenaga yang stabil - kira-kira berapa banyak yang digunakan oleh seluruh dunia dalam satu hari.
Enjin antimateri
Pencinta fiksyen sains mengetahui apa itu antimateri. Tetapi jika anda terlupa, antimateri adalah bahan yang terdiri daripada zarah yang mempunyai jisim yang sama dengan zarah biasa, tetapi dengan muatan yang berlawanan. Enjin antimateri adalah enjin hipotetikal yang bergantung pada interaksi antara jirim dan antimateri untuk menghasilkan tenaga, atau mencipta daya tuju.
Ringkasnya, mesin antimateri menggunakan zarah hidrogen dan antihidrogen bertembung antara satu sama lain. Tenaga yang dilepaskan dalam proses pemusnahan sebanding dengan tenaga letupan bom termonuklear disertai dengan aliran zarah subatom - pion dan muon. Zarah-zarah ini, yang bergerak pada satu pertiga kecepatan cahaya, diarahkan ke muncung magnet dan menghasilkan daya tuju.
Kelebihan roket kelas ini ialah sebilangan besar jisim campuran bahan / antimateri dapat diubah menjadi tenaga, yang memberikan kepadatan tenaga yang tinggi dan dorongan khusus yang lebih tinggi daripada roket lain. Lebih-lebih lagi, reaksi pemusnahan dapat mempercepat roket hingga separuh kelajuan cahaya.
Kelas peluru berpandu ini akan menjadi yang paling pantas dan paling cekap tenaga yang mungkin (atau mustahil, tetapi dicadangkan). Sekiranya roket kimia konvensional memerlukan banyak bahan bakar untuk mendorong kapal angkasa ke tempat tujuannya, mesin antimateri akan melakukan pekerjaan yang sama dengan menggunakan beberapa miligram bahan bakar. Kemusnahan bersama setengah kilogram zarah hidrogen dan antihidrogen membebaskan lebih banyak tenaga daripada bom hidrogen 10 megaton.
Atas sebab inilah Institut Konsep Lanjutan NASA sedang menyiasat teknologi ini untuk kemungkinan misi ke Marikh masa depan. Malangnya, ketika melihat misi ke sistem bintang yang berdekatan, jumlah bahan bakar yang diperlukan meningkat dengan pesat, dan kosnya menjadi astronomi (dan ini bukan masalah).
Menurut laporan yang disiapkan untuk Persidangan dan Pameran Gabungan Bersama AIAA / ASME / SAE / ASEE ke-39, roket antimateri dua peringkat akan memerlukan lebih dari 815,000 metrik tan bahan bakar untuk mencapai Proxima Centauri dalam 40 tahun. Ia agak pantas. Tetapi harganya …
Walaupun satu gram antimateri menghasilkan sejumlah besar tenaga, menghasilkan satu gram sahaja memerlukan 25 juta bilion kilowatt-jam tenaga dan berjumlah satu trilion dolar. Pada masa ini, jumlah antimateri yang telah dibuat oleh manusia kurang dari 20 nanogram.
Dan walaupun kita dapat menghasilkan antimateri dengan murah, kita memerlukan kapal besar yang dapat menahan jumlah bahan bakar yang diperlukan. Menurut laporan oleh Dr. Darrell Smith dan Jonathan Webby dari Embry-Riddle Aviation University di Arizona, sebuah kapal antarbintang yang berkuasa antimateri dapat mengambil 0,5 kelajuan cahaya dan mencapai Proxima Centauri dalam waktu lebih dari 8 tahun. Namun, kapal itu sendiri akan menimbang 400 tan dan memerlukan 170 tan bahan bakar antimateri.
Cara yang mungkin dilakukan adalah dengan membuat kapal yang akan menghasilkan antimateri dan kemudian menggunakannya sebagai bahan bakar. Konsep ini, yang dikenali sebagai Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), dicadangkan oleh Richard Obausi dari Icarus Interstellar. Berdasarkan idea pemprosesan semula di lokasi, VARIES akan menggunakan laser besar (dikuasakan oleh panel solar besar) untuk membuat zarah antimateri ketika ditembakkan ke ruang kosong.
Sama dengan konsep dengan mesin ramjet termonuklear, cadangan ini menyelesaikan masalah mengangkut bahan bakar dengan mengekstraknya terus dari angkasa. Tetapi sekali lagi, kos kapal seperti itu akan sangat tinggi jika dibina dengan kaedah moden kami. Kita tidak boleh membuat antimateri secara besar-besaran. Masalah radiasi juga perlu ditangani, kerana pemusnahan jirim dan antimateri menghasilkan ledakan sinar gamma bertenaga tinggi.
Mereka tidak hanya membahayakan kru, tetapi juga mesin, sehingga mereka tidak terpecah menjadi partikel subatomik di bawah pengaruh semua radiasi ini. Ringkasnya, mesin antimateri tidak praktikal dengan teknologi terkini kita.
Pemacu Alcubierre Warp
Pecinta fiksyen ilmiah pasti mengetahui konsep drive warp (atau drive Alcubierre). Dicadangkan oleh ahli fizik Mexico Miguel Alcubierre pada tahun 1994, idea ini adalah usaha untuk membayangkan pergerakan seketika di ruang angkasa tanpa melanggar teori relativiti khas Einstein. Ringkasnya, konsep ini melibatkan peregangan kain ruang-waktu menjadi gelombang, yang secara teorinya akan menyebabkan ruang di depan objek berkontrak dan di belakangnya mengembang.
Objek di dalam gelombang ini (kapal kita) akan dapat menunggang gelombang ini, berada dalam "gelembung melengkung", dengan kelajuan yang jauh lebih tinggi daripada gelombang relativistik. Oleh kerana kapal tidak bergerak dalam gelembung itu sendiri, tetapi dibawa olehnya, hukum relativiti dan ruang-waktu tidak akan dilanggar. Sebenarnya, kaedah ini tidak melibatkan pergerakan lebih cepat daripada kelajuan cahaya dalam pengertian tempatan.
Ia "lebih cepat daripada cahaya" hanya dalam arti kapal dapat mencapai tujuannya lebih cepat daripada sinar cahaya yang bergerak di luar gelembung melengkung. Dengan andaian kapal angkasa akan dilengkapi dengan sistem Alcubierre, ia akan mencapai Proxima Centauri dalam masa kurang dari 4 tahun. Oleh itu, jika kita bercakap mengenai perjalanan ruang angkasa antara teori, ini adalah teknologi yang paling menjanjikan dari segi kepantasan.
Sudah tentu, keseluruhan konsep ini sangat kontroversial. Hujah menentang, misalnya, merangkumi bahawa tidak mengambil kira mekanik kuantum dan boleh disangkal oleh teori segalanya (seperti graviti kuantum gelung). Pengiraan jumlah tenaga yang diperlukan juga menunjukkan bahawa pemacu melengkung akan sangat keras. Ketidakpastian lain termasuk keselamatan sistem seperti itu, kesan ruang-waktu di tempat tujuan, dan pelanggaran kausalitas.
Namun, pada tahun 2012, saintis NASA, Harold White mengatakan bahawa dia dan rakan-rakannya mula meneroka kemungkinan mencipta mesin Alcubierre. White menyatakan bahawa mereka telah membina interferometer yang akan menangkap distorsi spasial yang dihasilkan oleh pengembangan dan pengecutan jarak masa metrik Alcubierre.
Pada tahun 2013, Jet Propulsion Laboratory menerbitkan hasil ujian medan lengkungan, yang dilakukan dalam keadaan vakum. Sayangnya, hasilnya dianggap "tidak meyakinkan". Dalam jangka masa panjang, kita mungkin mendapati bahawa metrik Alcubierre melanggar satu atau lebih undang-undang asas alam. Dan walaupun fiziknya betul, tidak ada jaminan bahawa sistem Alcubierre dapat digunakan untuk penerbangan.
Secara umum, semuanya seperti biasa: anda dilahirkan terlalu awal untuk pergi ke bintang terdekat. Walaupun begitu, jika umat manusia merasakan keperluan untuk membina "bahtera antarbintang" yang akan menempatkan masyarakat manusia yang dapat menopang diri sendiri, ia akan memerlukan seratus tahun untuk sampai ke Proxima Centauri. Sekiranya, tentu saja, kita ingin melabur dalam acara seperti itu.
Dari segi masa, semua kaedah yang ada nampaknya sangat terhad. Dan jika kita menghabiskan beratus-ratus ribu tahun perjalanan ke bintang terdekat, kita mungkin tidak begitu berminat ketika kelangsungan hidup kita sendiri dipertaruhkan, ketika teknologi ruang angkasa maju, kaedahnya akan tetap tidak praktikal. Pada saat bahtera kita mencapai bintang terdekat, teknologinya akan menjadi usang, dan manusia itu sendiri mungkin sudah tidak ada lagi.
Oleh itu, melainkan jika kita membuat kemajuan besar dalam teknologi peleburan, antimateri, atau laser, kita akan berpuas hati dengan meneroka sistem suria kita sendiri.
Berdasarkan bahan dari Universe Today
- Bahagian 1 -
