Cinemática de vuelos interestelares

Supongamos que el vuelo de ida y el vuelo de regreso constan de tres fases: aceleración uniformemente acelerada, vuelo a velocidad constante y desaceleración uniformemente acelerada.

La hora propia de cualquier reloj tiene la forma:

donde esta la velocidad del reloj El reloj de la tierra está inmóvil (), y su propio tiempo es igual a la coordenada. Los relojes de los astronautas tienen una velocidad variable. Dado que la raíz bajo la integral permanece menor que uno todo el tiempo, el tiempo de estos relojes, independientemente de la forma explícita de la función, siempre resulta ser menor que . Como resultado .

Si la aceleración y la desaceleración se aceleran relativistamente de manera uniforme (con el parámetro de la propia aceleración ) para , y el movimiento uniforme es , entonces el tiempo pasará de acuerdo con el reloj del barco:

, donde está el arcoseno hiperbólico

Considere un vuelo hipotético al sistema estelar Alfa Centauro, distante de la Tierra a una distancia de 4,3 años luz. Si el tiempo se mide en años y las distancias en años luz, entonces la velocidad de la luz es igual a uno, y la unidad de aceleración de año luz/año² está cerca de la aceleración de la gravedad y es aproximadamente igual a 9,5 m/s².

Deje que la nave espacial se mueva la mitad del camino con la unidad de aceleración y disminuya la velocidad de la otra mitad con la misma aceleración (). Entonces la nave da la vuelta y repite las etapas de aceleración y desaceleración. En esta situación, el tiempo de vuelo en el sistema de referencia terrestre será de aproximadamente 12 años, mientras que según el reloj de la nave pasarán 7,3 años. La velocidad máxima de la nave alcanzará el 0,95 de la velocidad de la luz.

En 64 años de tiempo adecuado, una nave espacial con aceleración unitaria podría potencialmente hacer un viaje (de regreso a la Tierra) a la galaxia de Andrómeda, a 2,5 millones de años luz de distancia. años . En la Tierra, durante tal vuelo, pasarán unos 5 millones de años. Al desarrollar el doble de aceleración (a lo que una persona entrenada puede acostumbrarse bastante bajo ciertas condiciones y usando una serie de dispositivos, por ejemplo, animación suspendida), uno puede incluso pensar en una expedición al borde visible del Universo (alrededor de 14 mil millones de años luz), lo que les llevará a los astronautas unos 50 años; sin embargo, al regresar de tal expedición (después de 28 mil millones de años según los relojes terrestres), sus participantes corren el riesgo de no encontrar con vida no solo a la Tierra y al Sol, sino incluso a nuestra Galaxia. Sobre la base de estos cálculos, para que los astronautas eviten futuras conmociones al regresar a la Tierra, un radio razonable de accesibilidad para expediciones interestelares con regreso no debe exceder varias decenas de años luz, a menos, por supuesto, que existan principios físicos de movimiento fundamentalmente nuevos. en el espacio-tiempo se descubren. Sin embargo, el descubrimiento de numerosos exoplanetas sugiere que los sistemas planetarios se encuentran cerca de una proporción bastante grande de estrellas, por lo que los astronautas tendrán algo que explorar en este radio (por ejemplo, los sistemas planetarios ε Eridanus y Gliese 581).

Idoneidad de varios tipos de motores para vuelos interestelares.

La idoneidad de varios tipos de motores para vuelos interestelares fue revisada en una reunión de la Sociedad Interplanetaria Británica en 1973 por Tony Martin. Una propulsión eléctrica de propulsión nuclear tiene poca aceleración, por lo que tardará siglos en alcanzar la velocidad adecuada, lo que permitirá su uso únicamente en naves de generación. Los motores nucleares térmicos del tipo NERVA tienen una cantidad suficiente de empuje, pero una baja velocidad de expiración de la masa de trabajo, del orden de 5-10 km / s, por lo que se requerirá una gran cantidad de combustible para acelerar a la velocidad deseada. Por lo tanto, un barco con un motor de este tipo será varios órdenes de magnitud más lento que un barco con un motor de propulsión eléctrica. Para un vuelo a una estrella vecina en una nave de este tipo, tomará decenas y cientos de miles de años (un vuelo a Alpha Centauri a una velocidad de 30 km / s tomará 40 mil años). Un estatorreactor requeriría un embudo de gran diámetro para recolectar hidrógeno interestelar enrarecido, que tiene una densidad de 1 átomo por centímetro cúbico. Si se usa un campo electromagnético súper poderoso para recolectar hidrógeno interestelar, entonces las cargas de fuerza en la bobina generadora serán tan grandes que su superación parece poco probable incluso para la tecnología del futuro.

Proyectos de expedición interestelar

Proyectos de naves estelares-cohetes

Proyecto Orión

La nave espacial diseñada por el proyecto Daedalus resultó ser tan grande que habría tenido que construirse en el espacio exterior. Se suponía que pesaba 54.000 toneladas (casi todo el peso es combustible para cohetes) y podía acelerar hasta el 7,1 % de la velocidad de la luz, transportando una carga útil de 450 toneladas.A diferencia del proyecto Orión, diseñado para utilizar diminutas bombas atómicas, el proyecto Daedalus implicó el uso de bombas de hidrógeno en miniatura con una mezcla de deuterio y helio-3 y un sistema de encendido mediante haces de electrones. Pero los enormes problemas técnicos y las preocupaciones sobre la propulsión nuclear hicieron que el proyecto Daedalus también se suspendiera indefinidamente.

Las ideas tecnológicas de Daedalus se utilizan en el proyecto de nave estelar termonuclear Ikarus.

Proyectos de naves estelares impulsados ​​por la presión de ondas electromagnéticas.

En 1971, en un informe de G. Marx en un simposio en Byurakan, se propuso utilizar láseres de rayos X para vuelos interestelares. Posteriormente, la NASA investigó la posibilidad de utilizar este tipo de propulsión. Como resultado, se llegó a la siguiente conclusión: “Si se encuentra la posibilidad de crear un láser que funcione en el rango de longitud de onda de los rayos X, entonces podemos hablar sobre el desarrollo real de un avión (acelerado por el haz de dicho láser) que puede cubrir las distancias a las estrellas más cercanas mucho más rápido que todos los sistemas conocidos actualmente con motores de cohetes. Los cálculos muestran que con la ayuda del sistema espacial considerado en este artículo, es posible llegar a la estrella Alfa Centauri... en unos 10 años.

En 1985, R. Forward propuso el diseño de una sonda interestelar acelerada por energía de microondas. El proyecto preveía que la sonda llegaría a las estrellas más cercanas en 21 años.

En el 36º Congreso Astronómico Internacional, se propuso un proyecto para una nave estelar láser, cuyo movimiento es proporcionado por la energía de los láseres ópticos ubicados en órbita alrededor de Mercurio. Según los cálculos, la trayectoria de una nave estelar de este diseño hasta la estrella Epsilon Eridani (10,8 años luz) y de regreso llevaría 51 años.

La ventaja de un velero solar es la falta de combustible a bordo. Su desventaja es que no se puede usar para navegar de regreso a la Tierra, por lo que es bueno para lanzar sondas robóticas, estaciones y naves de carga, pero no muy adecuado para vuelos de regreso tripulados (o los astronautas necesitarán traer un segundo láser con un suministro de combustible para instalar en el destino, lo que en realidad niega todas las ventajas de un velero).

Motores de aniquilación

Cálculos teóricos de los físicos estadounidenses Ronan Keane y Wei-ming Zhang muestran que, basándose en tecnologías modernas, es posible crear un motor de aniquilación capaz de acelerar una nave espacial hasta un 70 % de la velocidad de la luz. El motor que propusieron es más rápido que otros desarrollos teóricos debido al diseño especial de la tobera. Sin embargo, los principales problemas en la creación de cohetes de aniquilación ( inglés) con motores similares están obteniendo la cantidad necesaria de antimateria, así como su almacenamiento. En mayo de 2011, el tiempo de almacenamiento récord para los átomos de antihidrógeno fue de 1000 segundos (~16,5 minutos). Una estimación de la NASA de 2006 costó aproximadamente US $ 25 millones para producir un miligramo de positrones. Un gramo de antihidrógeno valdría 62,5 billones de dólares, según una estimación de 1999.

Motores de flujo directo impulsados ​​por hidrógeno interestelar

El componente principal de la masa de los cohetes modernos es la masa de combustible necesaria para que el cohete acelere. Si es posible de alguna manera usar el entorno que rodea al cohete como fluido de trabajo y combustible, es posible reducir significativamente la masa del cohete y lograr altas velocidades de movimiento debido a esto.

Otra desventaja de un estatorreactor termonuclear es la velocidad limitada que puede alcanzar una nave equipada con él (no más de 0,119 C= 35,7 mil km/s). Esto se debe a que al atrapar cada átomo de hidrógeno (que puede considerarse estacionario con respecto a las estrellas en primera aproximación), la nave pierde cierto impulso, que puede ser compensado por el empuje del motor solo si la velocidad no supera cierto límite. Para superar esta limitación, es necesario utilizar la energía cinética de los átomos atrapados de la forma más completa posible, lo que parece ser una tarea bastante difícil.

Digamos que la pantalla capturó 4 átomos de hidrógeno. Durante el funcionamiento de un reactor termonuclear, cuatro protones se convierten en una partícula alfa, dos positrones y dos neutrinos. Para simplificar, despreciaremos los neutrinos (la contabilización de los neutrinos requerirá un cálculo preciso de todas las etapas de la reacción, y las pérdidas en los neutrinos son de alrededor del uno por ciento), y aniquilaremos los positrones con 2 electrones restantes de los átomos de hidrógeno después de la eliminación de protones de ellos. Se utilizarán otros 2 electrones para convertir la partícula alfa en un átomo de helio neutro que, gracias a la energía recibida de la reacción, se acelerará en la tobera del motor.

La ecuación de reacción final sin tener en cuenta los neutrinos:

4editar] Motor de fotones en monopolos magnéticos

Si algunas versiones de las teorías de la Gran Unificación son válidas, como el modelo de Hooft-Polyakov, entonces es posible construir un motor de fotones que no use antimateria, ya que el monopolo magnético hipotéticamente puede catalizar la descomposición de un protón en un positrón y un mesón π 0:

π 0 se descompone rápidamente en 2 fotones, y el positrón se aniquila con un electrón, como resultado, el átomo de hidrógeno se convierte en 4 fotones, y solo queda sin resolver el problema del espejo.

Un motor de fotones basado en monopolos magnéticos también podría funcionar en un esquema de flujo directo.

Al mismo tiempo, los monopolos magnéticos están ausentes en la mayoría de las teorías modernas de la Gran Unificación, lo que arroja dudas sobre esta atractiva idea.

Sistemas de frenado de naves espaciales interestelares

Se han propuesto varios métodos:

1. Frenado en fuentes internas - cohete

2. Frenado debido a un rayo láser enviado desde el sistema solar.

3. Frenado por campo magnético utilizando la Vela Magnética de Zubrin sobre superconductores.

Naves de generación

El viaje interestelar también es posible utilizando naves estelares que implementan el concepto de "naves de generación" (por ejemplo, como las colonias O'Neill). En tales naves espaciales, se crea y se mantiene una biosfera cerrada, capaz de mantenerse y reproducirse durante varios miles de años. El vuelo se realiza a baja velocidad y dura mucho tiempo, durante el cual muchas generaciones de astronautas tienen tiempo para cambiar.

Peligros del ambiente externo.

Este problema fue considerado en detalle por Ivan Korznikov en el artículo "La realidad de los vuelos interestelares". La colisión con el polvo interestelar se producirá a velocidades cercanas a la luz y se parecerá a las microexplosiones en términos de impacto físico. A velocidades superiores a 0,1 C, la pantalla protectora debe tener un espesor de decenas de metros y una masa de cientos de miles de toneladas. Pero esta pantalla protegerá de manera confiable solo del polvo interestelar. Una colisión con un meteorito tendrá consecuencias fatales. Ivan Korznikov calcula que a una velocidad de más de 0,1 C, la nave espacial no tendrá tiempo de cambiar su trayectoria de vuelo y evitar una colisión. Ivan Korznikov cree que a velocidad sublumínica, la nave colapsará antes de alcanzar el objetivo. En su opinión, el viaje interestelar solo es posible a velocidades significativamente más bajas (hasta 0,01 C).

Energía y recursos

El vuelo interestelar requerirá grandes reservas de energía y recursos que tendrás que llevar contigo. Este es uno de los problemas poco estudiados en la astronáutica interestelar.

Por ejemplo, el proyecto Daedalus más avanzado hasta la fecha con un motor termonuclear pulsado habría llegado a la estrella de Barnard (seis años luz) en medio siglo, gastando 50 mil toneladas de combustible termonuclear (una mezcla de deuterio y helio-3) y entregando un masa útil de 4 mil al blanco.toneladas

Solo en nuestra galaxia, las distancias entre los sistemas estelares son inimaginablemente enormes. Si los extraterrestres del espacio exterior realmente visitan la Tierra, el nivel de su desarrollo técnico debería ser cien veces más alto que el nivel actual de nuestro terrenal.

A unos años luz de distancia

Para indicar las distancias entre las estrellas, los astrónomos introdujeron el concepto de "año luz". La velocidad de la luz es la más rápida del universo: ¡300.000 km/s!

El ancho de nuestra Galaxia es de 100.000 años luz. Para cubrir una distancia tan grande, los extraterrestres de otros planetas necesitan construir una nave espacial, cuya velocidad sea igual o incluso superior a la velocidad de la luz.

Los científicos creen que un objeto material no puede moverse más rápido que la velocidad de la luz. Sin embargo, antes creían que era imposible desarrollar la velocidad supersónica, pero en 1947 el modelo de avión Bell X-1 rompió con éxito la barrera del sonido.

Quizás en el futuro, cuando la humanidad haya acumulado más conocimientos sobre las leyes físicas del universo, los terrícolas podrán construir una nave espacial que se desplazará a la velocidad de la luz e incluso más rápido.

Grandes viajes

Incluso si los extraterrestres pueden moverse por el espacio a la velocidad de la luz, ese viaje debería llevar muchos años. Para los terrícolas, cuya esperanza de vida media es de 80 años, esto sería imposible. Sin embargo, cada especie de seres vivos tiene su propio ciclo de vida. Por ejemplo, en California, EE. UU., hay pinos bristlecone que ya tienen 5000 años.

¿Quién sabe cuánto viven los extraterrestres? ¿Quizás varios miles? Entonces, los vuelos interestelares que duran cientos de años son comunes para ellos.

Atajos

Es probable que los extraterrestres hayan encontrado atajos a través del espacio exterior: "agujeros" gravitatorios o distorsiones del espacio formadas por la gravedad. Tales lugares en el Universo podrían convertirse en una especie de puentes: los caminos más cortos entre cuerpos celestes ubicados en diferentes extremos del Universo.

Categorías

• • . En otras palabras, un horóscopo es una carta astral elaborada teniendo en cuenta el lugar y la hora, teniendo en cuenta la posición de los planetas con respecto a la línea del horizonte. Para construir un horóscopo natal individual, es necesario conocer la hora y el lugar de nacimiento de una persona con la máxima precisión. Esto es necesario para saber cómo se ubicaron los cuerpos celestes en un momento dado y en un lugar determinado. La eclíptica en el horóscopo se representa como un círculo dividido en 12 sectores ( signos del zodiaco. En cuanto a la astrología natal, puede comprenderse mejor a sí mismo y a los demás. El horóscopo es una herramienta para el autoconocimiento. Con su ayuda, no solo puede explorar tu propio potencial, sino también comprender las relaciones con los demás e incluso tomar algunas decisiones importantes."> Horóscopo73
• . Con su ayuda, encuentran las respuestas a preguntas específicas y predicen el futuro.Puedes averiguar el futuro con fichas de dominó, este es uno de los tipos muy raros de adivinación. También adivinan en posos de té y café, en la palma de la mano y en el Libro chino de los Cambios. Cada uno de estos métodos tiene como objetivo predecir el futuro, si quieres saber lo que te espera en un futuro cercano, elige la adivinación que más te guste. Pero recuerde: no importa qué eventos se le pronostiquen, tómelos no como una verdad indiscutible, sino como una advertencia. Usando la adivinación, predices tu destino, pero con un poco de esfuerzo puedes cambiarlo "> Adivinación60

Nuestro lector Nikita Ageev pregunta: ¿cuál es el principal problema de los vuelos interestelares? La respuesta, como , requerirá un artículo extenso, aunque la pregunta se puede responder con un solo carácter: C .

La velocidad de la luz en el vacío, c, es de unos 300.000 kilómetros por segundo y no se puede superar. Por lo tanto, es imposible llegar a las estrellas en menos de unos pocos años (la luz tarda 4.243 años en llegar a Proxima Centauri, por lo que la nave espacial no puede llegar aún más rápido). Si sumamos el tiempo de aceleración y desaceleración con una aceleración más o menos aceptable para una persona, entonces obtenemos unos diez años a la estrella más cercana.

¿Cuáles son las condiciones para volar?

Y este período ya es un obstáculo importante en sí mismo, incluso si ignoramos la pregunta "cómo acelerar a una velocidad cercana a la velocidad de la luz". Ahora no hay naves espaciales que permitan a la tripulación vivir de forma autónoma en el espacio durante tanto tiempo: los astronautas reciben constantemente suministros frescos de la Tierra. Por lo general, una conversación sobre los problemas de los viajes interestelares comienza con preguntas más fundamentales, pero comenzaremos con problemas puramente aplicados.

Incluso medio siglo después del vuelo de Gagarin, los ingenieros no pudieron crear una lavadora y una ducha bastante práctica para naves espaciales, y los inodoros diseñados para la ingravidez se descomponen en la ISS con envidiable regularidad. Un vuelo al menos a Marte (22 minutos luz en lugar de 4 años luz) ya plantea una tarea nada trivial para los diseñadores de fontanería: por lo que viajar a las estrellas requerirá al menos inventar un inodoro espacial con veinte años de garantía y el mismo lavado máquina.

El agua para lavar, lavar y beber también deberá llevarse con usted o reutilizarse. Además del aire y los alimentos, también deben almacenarse o cultivarse a bordo. Ya se han realizado experimentos para crear un ecosistema cerrado en la Tierra, pero sus condiciones siguen siendo muy diferentes a las del espacio, al menos en presencia de la gravedad. La humanidad sabe cómo convertir el contenido de un orinal en agua limpia y potable, pero en este caso se requiere poder hacerlo en gravedad cero, con absoluta fiabilidad y sin un camión de consumibles: llevar un camión de cartuchos filtrantes a las estrellas es demasiado caro.

Lavar los calcetines y protegerse contra las infecciones intestinales puede parecer una restricción demasiado banal y "no física" en los vuelos interestelares; sin embargo, cualquier viajero experimentado confirmará que las "pequeñas cosas", como zapatos incómodos o malestar estomacal por comida desconocida en una expedición autónoma, pueden volverse en una amenaza para la vida.

La solución de incluso los problemas cotidianos elementales requiere la misma base tecnológica seria que el desarrollo de motores espaciales fundamentalmente nuevos. Si en la Tierra se puede comprar una junta desgastada en un inodoro en la tienda más cercana por dos rublos, entonces ya en una nave espacial marciana es necesario proporcionar una reserva todos piezas similares, o una impresora tridimensional para la producción de repuestos a partir de materias primas plásticas universales.

En la Marina de los EE. UU. en 2013 en serio se dedica a la impresión 3D después de evaluar el tiempo y el costo de reparar equipos militares utilizando métodos tradicionales en el campo. Los militares razonaron que era más fácil imprimir una junta rara para un ensamblaje de helicóptero que se había descontinuado hace diez años que pedir una pieza de un almacén en otro continente.

Uno de los socios más cercanos de Korolev, Boris Chertok, escribió en sus memorias "Rockets and People" que en algún momento el programa espacial soviético se enfrentó a una escasez de contactos de enchufe. Los conectores fiables para cables multinúcleo tuvieron que desarrollarse por separado.

Además de repuestos para equipos, alimentos, agua y aire, los astronautas necesitarán energía. El motor y el equipo de a bordo necesitarán la energía, por lo que el problema de una fuente potente y confiable deberá resolverse por separado. Las baterías solares no son adecuadas, aunque solo sea por la distancia de las estrellas en vuelo, los generadores de radioisótopos (que alimentan a las Voyagers y New Horizons) no proporcionan la energía necesaria para una gran nave espacial tripulada, y todavía no han aprendido a hacer reactores nucleares completos para el espacio.

El programa soviético de satélites de propulsión nuclear se vio empañado por un escándalo internacional tras la caída de Kosmos-954 en Canadá, así como por una serie de fracasos con consecuencias menos dramáticas; un trabajo similar en los EE. UU. se redujo incluso antes. Ahora Rosatom y Roskosmos tienen la intención de crear una planta de energía nuclear espacial, pero estas siguen siendo instalaciones para vuelos cortos y no un viaje a largo plazo a otro sistema estelar.

Quizás, en lugar de un reactor nuclear, los tokamaks se usarán en futuras naves interestelares. Sobre lo difícil que es al menos determinar correctamente los parámetros de un plasma termonuclear, en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú este verano. Por cierto, el proyecto ITER en la Tierra avanza con éxito: incluso aquellos que ingresaron hoy al primer año tienen todas las posibilidades de unirse al trabajo en el primer reactor termonuclear experimental con un balance de energía positivo.

¿Qué volar?

Los motores de cohetes ordinarios no son adecuados para la aceleración y desaceleración de una nave espacial interestelar. Aquellos que están familiarizados con el curso de mecánica, que se imparte en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú en el primer semestre, pueden calcular de forma independiente cuánto combustible necesitará un cohete para alcanzar al menos cien mil kilómetros por segundo. Para aquellos que aún no están familiarizados con la ecuación de Tsiolkovsky, anunciaremos de inmediato el resultado: la masa de los tanques de combustible es significativamente mayor que la masa del sistema solar.

Es posible reducir el suministro de combustible aumentando la velocidad a la que el motor expulsa el fluido de trabajo, gas, plasma u otro, hasta un haz de partículas elementales. Actualmente, los propulsores de plasma e iones se utilizan activamente para vuelos de estaciones interplanetarias automáticas dentro del sistema solar o para corregir la órbita de satélites geoestacionarios, pero tienen otras desventajas. En particular, todos estos motores dan muy poco empuje, hasta ahora no pueden dar a la nave una aceleración de varios metros por segundo al cuadrado.

El vicerrector del MIPT, Oleg Gorshkov, es uno de los expertos reconocidos en el campo de los motores de plasma. Los motores de la serie SPD se producen en Fakel Design Bureau, estos son productos en serie para corregir la órbita de los satélites de comunicación.

En la década de 1950, se estaba desarrollando un proyecto de motor que utilizaría el impulso de una explosión nuclear (Proyecto Orión), pero está lejos de convertirse en una solución lista para los vuelos interestelares. Menos desarrollado aún está el diseño del motor, que utiliza el efecto magnetohidrodinámico, es decir, acelera debido a la interacción con el plasma interestelar. Teóricamente, la nave espacial podría "chupar" el plasma y devolverlo con la creación de un chorro de propulsión, pero hay otro problema.

¿Como sobrevivir?

El plasma interestelar es principalmente protones y núcleos de helio, si consideramos las partículas pesadas. Al moverse a velocidades del orden de cientos de miles de kilómetros por segundo, todas estas partículas adquieren energía en megaelectronvoltios o incluso decenas de megaelectronvoltios, la misma cantidad que tienen los productos de las reacciones nucleares. La densidad del medio interestelar es de unos cien mil iones por metro cúbico, lo que significa que en un segundo un metro cuadrado de la piel de la nave recibirá unos 10 13 protones con energías de decenas de MeV.

Un electrón voltio, eV,― esta es la energía que adquiere un electrón al volar de un electrodo a otro con una diferencia de potencial de un voltio. Los cuantos de luz tienen esa energía, y los cuantos ultravioleta con mayor energía ya son capaces de dañar las moléculas de ADN. Las radiaciones o partículas con energías en megaelectronvoltios acompañan a las reacciones nucleares y, además, son ellas mismas capaces de provocarlas.

Tal irradiación corresponde a una energía absorbida (asumiendo que toda la energía es absorbida por la piel) de decenas de julios. Además, esta energía vendrá no solo en forma de calor, sino que puede gastarse parcialmente en iniciar reacciones nucleares en el material de la nave con la formación de isótopos de vida corta: en otras palabras, la piel se volverá radiactiva.

Parte de los protones incidentes y los núcleos de helio pueden ser desviados hacia un lado por un campo magnético, una capa compleja de muchas capas puede protegerse de la radiación inducida y la radiación secundaria, pero estos problemas tampoco se han resuelto aún. Además, las dificultades fundamentales de la forma "qué material será menos destruido por la irradiación" en la etapa de servicio de la nave en vuelo se convertirán en problemas particulares: "cómo desenroscar cuatro pernos por 25 en un compartimento con un fondo de cincuenta milisieverts por hora".

Recuerde que durante la última reparación del telescopio Hubble, los astronautas al principio no pudieron desatornillar los cuatro pernos que sujetaban una de las cámaras. Después de consultar con Earth, reemplazaron la llave dinamométrica con una llave normal y aplicaron fuerza bruta. Los pernos comenzaron a moverse, la cámara se reemplazó con éxito. Si el perno atascado se hubiera arrancado al mismo tiempo, la segunda expedición habría costado 500 millones de dólares estadounidenses. O no habría sucedido en absoluto.

¿Hay soluciones?

En la ciencia ficción (a menudo más fantasía que ciencia), el viaje interestelar se logra a través de "túneles subespaciales". Formalmente, las ecuaciones de Einstein, que describen la geometría del espacio-tiempo dependiendo de la masa y la energía distribuidas en este espacio-tiempo, realmente permiten algo similar: solo que los costos de energía estimados son incluso más deprimentes que las estimaciones de la cantidad de combustible para cohetes para un Vuelo a Próxima Centauri. No solo se necesita mucha energía, sino que también la densidad de energía debe ser negativa.

La cuestión de si es posible crear un "agujero de gusano" estable, grande y energéticamente posible está ligada a cuestiones fundamentales sobre la estructura del Universo en su conjunto. Uno de los problemas físicos sin resolver es la falta de gravedad en el llamado Modelo Estándar, una teoría que describe el comportamiento de las partículas elementales y tres de las cuatro interacciones físicas fundamentales. La gran mayoría de los físicos son bastante escépticos de que haya un lugar en la teoría cuántica de la gravedad para los "saltos a través del hiperespacio" interestelares, pero, estrictamente hablando, nadie prohíbe intentar buscar una solución para los vuelos a las estrellas.

¿Podemos realmente llegar a planetas desconocidos fuera del sistema solar? Como es esto posible?

Fantásticos y directores de fotografía, por supuesto, bien hecho, hicieron un buen trabajo. Tengo muchas ganas de creer en historias coloridas donde una persona conquista los rincones más recónditos del espacio. Desafortunadamente, antes de que esta imagen se haga realidad, tendremos que superar muchas limitaciones. Por ejemplo, las leyes de la física tal como las vemos ahora.

¡Pero! En los últimos años, han surgido varias organizaciones voluntarias y de financiación privada (Tau Zero Foundation, Project Icarus, Project Breakthrough Starshot), cada una de las cuales tiene como objetivo crear vehículos para vuelos interestelares y acercar a la humanidad a la conquista del universo. Su esperanza y fe en el éxito se fortalecen con noticias positivas, por ejemplo, en la órbita de la estrella Próxima-Centauro, un planeta del tamaño de la Tierra.

La creación de una nave espacial interestelar será uno de los temas de discusión en la BBC Future World Summit "Ideas that change the world" en Sydney en noviembre. ¿Podrán los humanos viajar a otras galaxias? Y si es así, ¿qué tipos de naves espaciales necesitaremos para esto?

¿Dónde iríamos?

¿Dónde no deberías volar? Hay más estrellas en el Universo que granos de arena en la Tierra -alrededor de 70 sextillones (eso es 22 ceros después del siete)- y, según los científicos, miles de millones de ellas tienen de uno a tres planetas en sus órbitas en el llamado "Zona Goldilocks": no hay demasiado frío ni demasiado calor. Solo bien .

Desde el principio y hasta ahora, el mejor candidato para el primer vuelo interestelar ha sido nuestro vecino más cercano, el sistema estelar triple Alpha Centauri. Se encuentra a una distancia de 4,37 años luz de la Tierra. Este año, los astrónomos del Observatorio Europeo Austral descubrieron un planeta del tamaño de la Tierra que orbita alrededor de la enana roja Proxima Centauri en esta constelación. El planeta, llamado Proxima b, tiene al menos 1,3 veces la masa de la Tierra y tiene un período orbital muy corto alrededor de su estrella, solo 11 días terrestres. Pero aún así, esta noticia fue extremadamente emocionante para los astrónomos y cazadores de exoplanetas, porque el régimen de temperatura de Próxima b es adecuado para la existencia de agua en forma líquida, y esto es una gran ventaja para la posible habitabilidad.

Pero hay inconvenientes: no sabemos si Proxima b tiene una atmósfera, y dada su proximidad a Proxima Centauri (más cerca que Mercurio del Sol), es probable que se vea afectado por las emisiones y la radiación de plasma estelar. Y está tan encerrado por las fuerzas de las mareas que siempre mira a la estrella por un lado. Esto, por supuesto, puede cambiar por completo nuestra comprensión del día y la noche.

¿Y cómo llegamos allí?

Esta es la pregunta de los 64 billones de dólares. Incluso a la velocidad máxima que la tecnología moderna nos permite desarrollar, estamos a 18 mil años de Próxima B. Y es muy probable que habiendo llegado a la meta nos encontremos allí... nuestros descendientes en la Tierra, que ya han colonizado un nuevo planeta y se han llevado toda la gloria. Por lo tanto, mentes profundas y bolsillos sin fondo se propusieron una tarea ambiciosa: encontrar una forma más rápida de cruzar grandes distancias.

Breakthrough Starshot es un proyecto espacial de 100 millones de dólares financiado por el multimillonario ruso Yuri Milner. Breakthrough Starshot se centró en la construcción de diminutas sondas de vela ligera no tripuladas impulsadas por un potente láser terrestre. La idea es que una nave espacial de un peso suficientemente pequeño (apenas 1 gramo) con una vela ligera pueda ser acelerada regularmente por un potente haz de luz desde la Tierra hasta aproximadamente una quinta parte de la velocidad de la luz. A este ritmo, las nanosondas llegarán a Alpha Centauri en unos 20 años.

Los desarrolladores del proyecto Breakthrough Starshot cuentan con la miniaturización de todas las tecnologías, porque una diminuta sonda espacial debe llevar una cámara, propulsores, fuente de alimentación, comunicaciones y equipos de navegación. Todo con el fin de anunciar a su llegada: “Mira, estoy aquí. Y ella no se mueve en absoluto". Miller espera que esto funcione y siente las bases para la próxima fase más compleja de los viajes interestelares: los viajes humanos.

¿Qué pasa con las unidades warp?

Sí, en la serie Star Trek todo parece muy simple: encendió el motor warp y voló más rápido que la velocidad de la luz. Pero todo lo que sabemos actualmente sobre las leyes de la física nos dice que viajar más rápido que o igual a la velocidad de la luz es imposible. Pero los científicos no se dan por vencidos: la NASA, inspirada en otro emocionante motor de ciencia ficción, ha lanzado el Propulsor de Xenón Evolutivo de la NASA (NEXT, por sus siglas en inglés), un propulsor de iones que puede acelerar naves espaciales a 145 000 km/h usando solo una fracción de propulsor. para un cohete convencional.

Pero incluso a estas velocidades, no podremos volar lejos del sistema solar en una vida humana. Hasta que descubramos cómo trabajar con el espacio-tiempo, el viaje interestelar será muy, muy lento. Tal vez sea hora de comenzar a ver el tiempo que los vagabundos galácticos pasarán a bordo de una nave interestelar como simplemente la vida, y no como un viaje en un "autobús espacial" del punto A al punto B.

¿Cómo sobreviviremos al viaje interestelar?

Los motores warp y los motores iónicos son geniales, por supuesto, pero nada de esto será de mucha utilidad si nuestros errantes interestelares mueren de hambre, frío, deshidratación o falta de oxígeno incluso antes de abandonar el sistema solar. La investigadora Rachel Armstrong argumenta que es hora de que pensemos en crear un verdadero ecosistema para la humanidad interestelar.

“Estamos pasando de una visión industrial a una visión ecológica de la realidad”, dice Armstrong.

Armstrong, profesor de arquitectura experimental en la Universidad de Newcastle en el Reino Unido, dice de la creación de mundos: "Se trata del espacio del entorno, no solo del diseño del objeto". Hoy, dentro de una nave o estación espacial, todo es estéril y parece una instalación industrial. Armstrong cree que, en cambio, deberíamos pensar en el impacto ambiental de las naves espaciales, las plantas que podemos cultivar a bordo e incluso los tipos de suelo que podemos llevar con nosotros. En el futuro, sugiere, las naves espaciales se verán como biomas gigantes llenos de vida orgánica, no como las frías cajas de metal de hoy.

¿No podemos dormir todo el camino?

El criosueño y la hibernación son, por supuesto, una buena solución a un problema bastante desagradable: cómo mantener con vida a las personas durante un viaje que dura mucho más que la propia vida humana. Al menos así lo hacen en las películas. Y el mundo está lleno de criooptimistas: la Fundación Alcor Life Extension almacena muchos cuerpos y cabezas crioconservados de personas que esperan que nuestros descendientes aprendan cómo descongelar personas de manera segura y deshacerse de enfermedades que ahora son incurables, pero en la actualidad tales tecnologías no existe.

Películas como Interstellar y libros como Seveneves de Neil Stevenson han tenido la idea de enviar embriones congelados al espacio que podrían sobrevivir incluso al vuelo más largo porque no necesitan comer, beber ni respirar. Pero esto trae a colación el problema del huevo y la gallina: alguien tiene que cuidar de esta naciente humanidad en una edad inconsciente.

Entonces, ¿es todo real?

“Desde los albores de la humanidad, hemos mirado hacia las estrellas y volcado en ellas nuestras esperanzas y miedos, ansiedades y sueños”, dice Rachel Armstrong..

Con el lanzamiento de nuevos proyectos de ingeniería como Breakthrough Starshot, “un sueño se convierte en un experimento real”.

La expresión "Fly to the Moon" evoca asociaciones al borde de la fantasía para la mayoría de nosotros, comparable solo a proyectos como el Apolo 11 (Apolo 11) para llevar a una persona a la superficie de la luna. La iniciativa Breakthrough Starshot nos lleva mucho más allá de la luna, ya que su objetivo es viajar a los sistemas solares más cercanos.

Viaje interestelar:

La creación de Yuri Milner: multimillonario, innovador tecnológico, nativo de Rusia, el proyecto Breakthrough Starshot fue Anunciado en una conferencia de prensa en abril de 2016 con la participación de científicos tan famosos como Stephen Hawking y Freeman Dyson. La esencia de la tecnología es la siguiente: miles de chips en forma de placa unidos a una gran vela ligera hecha de plata se colocarán en la órbita de la Tierra. Esta vela sería literalmente impulsada hacia el espacio profundo por un haz de rayos láser desde el suelo.

En solo dos minutos de acción direccional de los láseres, la vela espacial alcanzará 1/5 de la velocidad de la luz, que es 1000 veces más rápida que las velocidades jamás desarrolladas por objetos macroscópicos.

Durante el vuelo de veinte años, la nave recopilará datos sobre el espacio interestelar. Al llegar a la constelación Alfa Centauro la cámara a bordo tomará una serie de imágenes de alta precisión y las enviará de regreso a la Tierra. Esto nos dará la oportunidad de mirar a los vecinos planetarios más cercanos y comprender cómo pueden ser adecuados para la colonización.

El equipo de Breakthrough Starshot es tan impresionante como la idea misma. La junta directiva incluía a Milner, Hawking y Mark Zuckerberg. Pete Vorden, exjefe del Centro de Investigación Ames de la NASA, nombrado director ejecutivo (S.Pete Worden). El resto de los contribuyentes incluyen premios Nobel y otros asesores del proyecto Breakthrough. Milner promete contribuir con sus propios $100 millones para iniciar el proyecto y recaudar otros $10 mil millones en los próximos años con la ayuda de sus colegas.

A primera vista, esto puede parecer ciencia ficción, aunque en realidad no existen obstáculos científicos para la implementación de este proyecto. Esto no significa que todo sucederá mañana. Para un avance exitoso hacia las estrellas, es necesario realizar una serie de descubrimientos científicos. Los participantes y consultores del proyecto cuentan con el crecimiento exponencial de las tecnologías que permitirán que Breakthrough Starshot se realice en los próximos 20 años.

Descubrimiento de exoplanetas

Los exoplanetas incluyen todos los planetas fuera de nuestro sistema solar. Si bien los primeros descubrimientos datan de 1988, al 1 de mayo de 2017 se habían descubierto 3608 exoplanetas en 2702 sistemas solares. Algunos de los planetas son muy similares al nuestro, otros tienen una serie de características únicas, como anillos 200 veces más anchos que nuestro Saturno.

El motivo de esta explosión de hallazgos es un gran avance en la mejora de las tecnologías telescópicas.

Hace apenas 100 años, el telescopio más grande del mundo era el telescopio Hooker, con un diámetro de lente de 2,5 metros. Hoy, el Observatorio Europeo Austral tiene un complejo de cuatro telescopios, cada uno de 8,2 metros de diámetro. Se considera la estructura terrestre más grande para el estudio de la astronomía y publica un promedio de un artículo científico revisado por pares por día.

Los científicos también usan MBT () y herramientas especiales para buscar planetas rocosos en las zonas "habitables" (que permiten el agua líquida) de otros sistemas solares. En mayo de 2016, con la ayuda de TRAPPIST (TRAPPIST - Small Telescope for Observing Transiting Planets and Planetesimals), investigadores en Chile descubrieron siete exoplanetas del tamaño de la Tierra en la zona habitable.

Mientras tanto, la nave espacial Kepler (NASA Kepler), construida específicamente para este fin, ya ha identificado más de 2.000 exoplanetas. El Telescopio Espacial James Webb (JWST), cuyo lanzamiento está programado para octubre de 2018, abrirá oportunidades nunca antes vistas para probar exoplanetas en busca de vida. “Si estos planetas tienen una atmósfera, el telescopio Webb será la clave para descubrir sus secretos”, dice Doug Hudgins, científico del programa de exoplanetas de la NASA en la sede de la NASA en Washington.

Costes iniciales

La nave nodriza Starshot será levantada del suelo por un propulsor y luego disparará mil discos pequeños al espacio. El costo de lanzar una carga útil con cohetes desechables es demasiado alto, pero compañías como SpaceX y Blue Origin están mostrando esperanzas reales de usar cohetes reutilizables que reducirán significativamente el costo del lanzamiento. SpaceX ya ha podido reducir los costos de lanzamiento de Falcon 9 en $ 60 millones. Con un aumento en la participación de las empresas espaciales privadas en el mercado mundial, el lanzamiento de cohetes reutilizables será más asequible y económico.

plato estrella

Cada oblea de 15 mm necesitaría contener una gran cantidad de dispositivos electrónicos sofisticados, como un navegador, una cámara, un láser de comunicación, una batería de radioisótopos, una cámara multiplex y una cámara de interfaz. La capacidad de completar una nave espacial completa en una placa diminuta se explica por la disminución exponencial del tamaño de los sensores y chips.

En la década de 1960, los primeros chips de computadora consistían en un puñado de transistores. Hoy, gracias a la ley de Moore, podemos colocar miles de millones de transistores en un solo chip. La primera cámara digital pesó 8 libras y disparó 0,01 megapíxeles. Ahora, las cámaras digitales que toman imágenes en color de 12 megapíxeles de alta calidad caben en un teléfono inteligente con muchos otros sensores como GPS, acelerómetro y giroscopio. Con la llegada de satélites más pequeños que brindan mejores datos, estamos viendo que todas estas mejoras se aplican a la exploración espacial.

Para que Starshot tenga éxito, necesitamos una masa de chip de alrededor de 0,22 gramos para 2030. Si el ritmo de mejora continúa, las proyecciones sugieren que es bastante posible.

vela ligera

La vela debe estar hecha de un material altamente reflectante (para obtener la máxima aceleración del láser), mínimamente absorbente (para que no se queme con el calor) y también muy liviano (permitiendo una aceleración rápida). Esta es una combinación extremadamente compleja y aún no se ha encontrado ningún material adecuado.

El uso de la automatización de inteligencia artificial acelerará el descubrimiento de tales materiales. La esencia de la automatización radica en el hecho de que la máquina podrá generar una biblioteca de decenas de miles de materiales para la prueba. Esto hará que sea mucho más fácil para los ingenieros seleccionar las mejores opciones para la investigación y el desarrollo.

Batería

Si bien Starchip utilizará una pequeña batería nuclear de radioisótopos para el viaje de 24 años, aún necesitaremos baterías químicas láser convencionales. Los láseres gastarán una gran cantidad de energía en un corto período de tiempo, lo que significa que la energía debe almacenarse lo más cerca posible.

La capacidad de la batería está creciendo en un promedio de 5-8% por año; a menudo no nos damos cuenta de esto, porque el consumo de energía de los dispositivos crece proporcionalmente, dejando la vida útil general igual. Si la dinámica de mejora de las baterías continúa, en 20 años deberían tener un aumento de 3-5 veces su capacidad actual. Estas expectativas se basan en la innovación de Tesla-Solar City a partir de la inversión en tecnología de baterías. Las empresas de Kauai ya han instalado unas 55.000 baterías para alimentar gran parte de su infraestructura.

láseres

Se utilizarán miles de potentes láseres para acelerar la vela a la velocidad de la luz.

Las tecnologías láser siguieron la Ley de Moore al mismo ritmo que los circuitos integrados, reduciendo la relación costo-capacidad a la mitad cada 18 meses. En particular, la última década ha visto un aumento dramático en la escala de potencia de los láseres de diodo y fibra, con el primero capaz de exprimir 10 kilovatios de fibra monomodo en 2010 y 100 kilovatios meses después. Junto con la energía convencional, también necesitamos mejorar las tecnologías para combinar láseres de matriz en fase.

Velocidad

Nuestra capacidad para movernos rápido, se movió rápido... En 1804, se inventó la primera locomotora de vapor, alcanzando una velocidad sin precedentes de 110 km/h en ese momento. La nave espacial Helios 2 batió este récord en 1976, alejándose de la Tierra a una velocidad de 356 040 km/h. 40 años después, la nave espacial New Horizons alcanzó una velocidad heliocéntrica de casi 45 km/s o 160 000 km/h. Pero incluso a estas velocidades, llevaría mucho tiempo llegar a Alpha Centauri, a más de cuatro años luz de distancia.

Si bien la aceleración de partículas subatómicas a la velocidad de la luz es un lugar común en los aceleradores de partículas, esto nunca antes se había logrado con objetos macroscópicos. Alcanzar solo el 20% de la velocidad de la luz para Starshot significaría un aumento de 1.000 veces en la velocidad de un objeto jamás construido por el hombre.

Almacenamiento de datos

La base de la informática es la capacidad de almacenar información. Starshot confía en la continua disminución del costo y el tamaño del almacenamiento digital para proporcionar almacenamiento suficiente para sus programas e imágenes capturadas en el sistema Alpha Centauri y sus planetas.

El costo de la memoria ha disminuido exponencialmente durante décadas: en 1970, un megabyte costaba alrededor de un millón de dólares; Ahora alrededor de 0,1 centavos. El almacenamiento también se ha reducido, de un disco duro de 5 megabytes cargado con carretilla elevadora en 1956 a las memorias USB de 512 gigabytes disponibles en la actualidad que pesan unos pocos gramos.

Conexión

Una vez que se reciban las primeras imágenes, Starchip las enviará de regreso a la Tierra para su procesamiento.

Desde que Alexander Graham Bell inventó el teléfono en 1876, las telecomunicaciones han recorrido un largo camino. La velocidad promedio de Internet en los EE. UU. hoy en día es de aproximadamente 11 megabits por segundo. El ancho de banda y la velocidad requeridos por Starshot para enviar imágenes digitales a más de cuatro años luz (o 20 billones de millas) requerirán lo último en tecnología de comunicaciones.

Una tecnología prometedora es Li-Fi, una conexión inalámbrica 100 veces más rápida que Wi-Fi. El segundo son las fibras ópticas, que ahora permiten el paso de 1.125 terabits por segundo. Además de estos, hay desarrollos en el campo de las comunicaciones cuánticas, que no solo son ultrarrápidas, sino también absolutamente seguras.

Procesamiento de datos

El paso final del proyecto Starshot es el análisis de los datos recibidos de la nave espacial. La apuesta está en un aumento exponencial en el poder de cómputo con un aumento de un billón de veces en los próximos 60 años.

La rápida reducción del costo de este momento está asociada en gran medida con el desarrollo de la computación en la nube. Mirando hacia el futuro, los métodos de procesamiento de información cuántica prometen multiplicar por mil la potencia para cuando se reciban los primeros datos de Starshot. Estos procesadores avanzados permitirán simulaciones científicas complejas y análisis de sistemas estelares cercanos.

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