Interstellare rumrejser: definition, teknologier og store udfordringer

Den største udfordring ved interstellar rejse er de store afstande, der skal tilbagelægges. Det betyder, at der er behov for en meget høj hastighed og/eller en meget lang rejsetid. Rejsetiden med de mest realistiske fremdriftsmetoder vil være fra årtier til årtusinder.

Et interstellart skib ville derfor være langt mere udsat for de farer, der findes ved interplanetariske rejser, herunder vakuum, stråling, vægtløshed og mikrometeoroider. Ved høje hastigheder vil køretøjet blive gennemtrængt af mange mikroskopiske partikler af stof, medmindre det er stærkt afskærmet. At bære skjoldet ville i høj grad øge problemerne med fremdriften.

Kosmiske stråler

Kosmiske stråler er af stor interesse, fordi der ikke er nogen beskyttelse uden for atmosfæren og magnetfeltet. De mest energirige ultrahøjenergikosmosstråler (UHECR) er blevet observeret til at nærme sig 3 × 10 ²⁰eV, ca. 40 millioner gange energien af de partikler, der accelereres af Large Hadron Collider. Ved 50 J har de højenergiske ultrahøjenergiske kosmiske stråler en energi, der svarer til den kinetiske energi af en baseball med en hastighed på 90 km/t. Som følge af disse opdagelser har der været interesse for at undersøge kosmisk stråling med endnu højere energier. De fleste kosmiske stråler har dog ikke så ekstreme energier. Energifordelingen af kosmisk stråling topper ved 0,3 gigaelektronvolt (4,8×10⁻¹¹ J).

Nødvendig energi

En væsentlig faktor er den energi, der er nødvendig for at opnå en rimelig rejsetid. En nedre grænse for den nødvendige energi er den kinetiske energi K = ½ mv², hvor m er den endelige masse. Hvis man ønsker at bremse skibet ved ankomsten og ikke kan opnå det på anden måde end ved hjælp af skibets motorer, fordobles den nødvendige energi mindst, fordi den energi, der er nødvendig for at standse skibet, er lig med den energi, der er nødvendig for at accelerere det til rejsehastighed.

Hastigheden for en bemandet rundrejse på få årtier til selv den nærmeste stjerne er tusindvis af gange større end de nuværende rumfartøjers hastighed. Det betyder, at der på grund af v-terminen² i formlen for kinetisk energi er behov for millioner af gange så meget energi. At accelerere et ton til en tiendedel af lysets hastighed kræver mindst 450 PJ eller 4,5 ×10¹⁷ J eller 125 milliarder kWh, uden at der tages højde for tab.

Energikilden skal transporteres, da solpaneler ikke fungerer langt fra Solen og andre stjerner. Størrelsen af denne energi kan gøre det umuligt at rejse interstellært. En ingeniør udtalte: "Der vil være behov for mindst 100 gange den samlede energiproduktion fra hele verden [i et givet år] til rejsen (til Alpha Centauri)".

Interstellært medium

interstellart støv og gas kan forårsage betydelig skade på fartøjet på grund af de høje relative hastigheder og store kinetiske energier. Større objekter (som f.eks. større støvkorn) er langt mindre almindelige, men vil være langt mere ødelæggende. .

Rejsetid

De lange rejsetider gør det vanskeligt at udforme bemandede missioner. De grundlæggende begrænsninger i rumtiden udgør en anden udfordring. Desuden vil interstellare rejser være vanskelige at retfærdiggøre af økonomiske årsager.

Man kan hævde, at en interstellar mission, som ikke kan gennemføres inden for 50 år, slet ikke bør påbegyndes. I stedet bør ressourcerne investeres i at designe et bedre fremdriftssystem. Dette skyldes, at et langsomt rumfartøj sandsynligvis vil blive passeret af en anden mission, der sendes senere med mere avanceret fremdrift.

På den anden side kan man derfor argumentere for at starte en mission uden forsinkelse, fordi de problemer, der ikke vedrører fremdrift, kan vise sig at være vanskeligere end fremdriftsteknikken.

Intergalaktiske rejser involverer afstande, der er omkring en million gange større end interstellare afstande, hvilket gør det radikalt vanskeligere end selv interstellare rejser.

Kennedy's beregning

Andrew Kennedy har vist, at rejser, der foretages før minimumsventetiden, vil blive overhalet af dem, der afgår ved minimumstiden, mens dem, der afgår efter minimumstiden, aldrig vil overhale dem, der afgår ved minimumstiden.

Kennedys beregning afhænger af r, den gennemsnitlige årlige stigning i verdens elproduktion. Fra et hvilket som helst tidspunkt til et givet bestemmelsessted er der et minimum for den samlede tid til bestemmelsesstedet. Rejsende ville sandsynligvis nå frem uden at blive overhalet af senere rejsende ved at vente en tid t, før de tager af sted. Forholdet mellem den tid det tager at nå frem til et bestemmelsessted (nu, T_now, eller efter ventetid, T_t, og væksten i rejsehastigheden er

T n o w T t = ( + 1r ) t {\displaystyle2 {\frac {\frac {T_{{now}}}{T_{t}}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}}}

Med en rejse til Barnards stjerne, seks lysår væk, som eksempel, viser Kennedy, at med en gennemsnitlig årlig økonomisk vækst på 1,4 % og en tilsvarende vækst i rejsehastigheden vil den menneskelige civilisation hurtigst kunne nå frem til stjernen om 1.110 år fra 2007.

Interstellare afstande

Astronomiske afstande måles ofte i den tid, det tager en lysstråle at rejse mellem to punkter (se lysår). Lys i et vakuum bevæger sig ca. 300.000 km i sekundet eller 186.000 miles i sekundet.

Afstanden fra Jorden til Månen er 1,3 lyssekunder. Med de nuværende teknologier til fremdrift af rumfartøjer kan et fartøj tilbagelægge afstanden fra Jorden til Månen på ca. otte timer (New Horizons). Det betyder, at lyset bevæger sig ca. 30.000 gange hurtigere end de nuværende rumfartøjer med fremdriftsteknologier. Afstanden fra Jorden til andre planeter i solsystemet varierer fra tre lysminutter til omkring fire lystimer. Afhængigt af planeten og dens placering i forhold til Jorden vil disse rejser for et typisk ubemandet rumfartøj tage fra et par måneder til lidt over et årti. Afstanden til andre stjerner er meget større. Hvis afstanden fra Jorden til Solen skaleres ned til en meter, vil afstanden til Alpha Centauri A være 271 kilometer eller ca. 169 miles.

Den nærmeste kendte stjerne til Solen er Proxima Centauri, som er 4,23 lysår væk. Det hurtigste rumfartøj, Voyager 1, der endnu er sendt ud i rummet, har tilbagelagt 1/600 af et lysår på 30 år og bevæger sig i øjeblikket med 1/18.000 af lysets hastighed. Med denne hastighed ville en rejse til Proxima Centauri tage 72.000 år. Selvfølgelig var denne mission ikke specifikt beregnet til at rejse hurtigt til stjernerne, og den nuværende teknologi kunne gøre det meget bedre. Rejsetiden kunne reduceres til et par årtusinder ved hjælp af solsejl eller til et århundrede eller mindre ved hjælp af atomdrevne impulsmotorer.

Den specielle relativitetsteori giver mulighed for at forkorte rejsetiden: Hvis et stjerneskib med tilstrækkeligt avancerede motorer kunne nå hastigheder tæt på lysets hastighed, ville relativistisk tidsudvidelse gøre rejsen meget kortere for den rejsende. Det ville dog stadig tage mange år af den tid, der er gået, set fra de mennesker, der er tilbage på Jorden. Når de rejsende vender tilbage til Jorden, vil de opdage, at der er gået langt mere tid på Jorden end for dem selv (tvillingparadoks).

Mange problemer ville være løst, hvis der fandtes ormehuller. Den generelle relativitetsteori udelukker dem ikke, men så vidt vi ved på nuværende tidspunkt, findes de ikke.

Kommunikation

Forsinkelsestiden er den tid, der mindst går mellem det tidspunkt, hvor et sonde-signal når Jorden, og det tidspunkt, hvor sonden modtager instruktioner fra Jorden. Da information ikke kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed, er dette for Voyager 1 ca. 32 timer, mens det i nærheden af Proxima Centauri ville være 8 år. Hurtigere reaktioner ville skulle programmeres til at blive udført automatisk. I tilfælde af en bemandet flyvning kan besætningen naturligvis reagere straks på deres observationer. Men forsinkelsestiden frem og tilbage gør dem ikke blot ekstremt langt væk, men også ekstremt isolerede fra Jorden, hvad angår kommunikation. En anden faktor er den energi, der er nødvendig for, at interstellar kommunikation kan komme pålideligt frem. Gas og partikler vil naturligvis forringe signalerne (interstellar udtynding), og der vil være grænser for den energi, der er til rådighed til at sende signalet.

Bemandede missioner

Massen af ethvert fartøj, der kan transportere mennesker, vil uundgåeligt være betydeligt større end den masse, der er nødvendig for en ubemandet interstellar sonde. De langt længere rejsetider ville kræve et livshjælpssystem. Det er usandsynligt, at de første interstellare missioner vil transportere livsformer.

Der er 59 kendte stjernesystemer inden for 20 lysår fra Solen, som indeholder 81 synlige stjerner. Følgende kan betragtes som primære mål for interstellare missioner: Strålefarer ville udelukke organiske væsener fra en ekspedition til Sirius. Under alle omstændigheder er det svært at forestille sig nogen bemandede ekspeditioner overhovedet i betragtning af den sandsynlige rejsetid.

Måske er det mest sandsynlige tidspunkt for interstellar rejse det tidspunkt, hvor en stjerne kommer gennem vores Oortsky. Vi burde få et godt 10.000 års varsel om dette, så vi kan planlægge begivenheden i detaljer. Se Scholz' stjerne for den sidste gang en stjerne kom igennem.

Den eksisterende og kommende astronomiske teknologi er i stand til at finde planetsystemer omkring disse objekter, hvilket øger deres potentiale for udforskning.