Kita semua telah mengajukan soalan ini pada suatu saat dalam kehidupan kita: Berapa lama perjalanan untuk pergi ke bintang? Mungkinkah dalam seumur hidup seseorang, dan mungkinkah perjalanan seperti ini menjadi kebiasaan suatu hari nanti? Terdapat banyak kemungkinan jawapan untuk soalan ini - ada yang sangat mudah, yang lain dalam bidang fiksyen sains. Tetapi memberikan jawapan yang komprehensif bermaksud mempertimbangkan banyak perkara.
Malangnya, sebarang penilaian yang realistik cenderung menghasilkan jawapan yang sama sekali tidak akan mendorong futuris dan peminat perjalanan antara bintang. Suka atau tidak, ruangnya sangat besar, dan teknologi kami masih sangat terhad. Tetapi seandainya kita merenungkan "meninggalkan sarang", kita akan memiliki berbagai pilihan untuk menuju ke Sistem Suria terdekat di galaksi kita.
Bintang terdekat ke Bumi adalah Matahari kita, yang merupakan bintang yang "rata-rata" di Hertzsprung - "Urutan Utama" Diagram Russell. Ini bermaksud bahawa ia sangat stabil, memberikan Bumi dengan jenis cahaya matahari yang tepat agar kehidupan dapat berkembang di planet kita. Kami tahu ada planet yang mengorbit bintang lain berhampiran dengan Sistem Suria kita, dan banyak bintang ini serupa dengan bintang kita.
Di masa depan, sekiranya manusia ingin meninggalkan Sistem Suria, kita akan mempunyai banyak pilihan bintang yang boleh kita kunjungi, dan banyak yang dapat mempunyai syarat yang tepat agar kehidupan dapat berkembang maju. Tetapi ke mana kita akan pergi dan berapa lama masa yang diperlukan untuk sampai ke sana? Ingatlah, ini semua spekulatif dan saat ini tidak ada penanda aras untuk perjalanan antara bintang. Yang dikatakan, ini dia!
Bintang terdekat:
Seperti yang telah disebutkan, bintang terdekat dengan Sistem Suria kita adalah Proxima Centauri, itulah sebabnya masuk akal untuk merancang misi antarbintang ke sistem ini terlebih dahulu. Sebagai sebahagian daripada sistem bintang tiga yang disebut Alpha Centauri, Proxima berjarak sekitar 4.24 tahun cahaya (atau 1.3 parsecs) dari Bumi. Alpha Centauri sebenarnya bintang paling terang dari ketiga sistem - bahagian binari yang mengorbit 4,37 tahun cahaya dari Bumi - sedangkan Proxima Centauri (yang paling redup dari ketiga) adalah kerdil merah terpencil kira-kira 0,13 tahun cahaya dari binari .
Dan sementara perjalanan antara bintang merangkumi semua jenis visi perjalanan Faster-Than-Light (FTL), mulai dari kelajuan melengkung dan lubang cacing hingga pemacu lompatan, teori-teori seperti itu sangat spekulatif (seperti Alcubierre Drive) atau seluruh wilayah sains fiksyen. Kemungkinan besar, misi jarak jauh mungkin memerlukan beberapa generasi untuk sampai ke sana, bukannya beberapa hari atau dalam sekelip mata.
Jadi, bermula dengan salah satu bentuk perjalanan angkasa paling lambat, berapa lama masa yang diperlukan untuk sampai ke Proxima Centauri?
Kaedah Semasa:
Persoalan berapa lama masa yang diperlukan untuk sampai ke suatu tempat di ruang angkasa agak mudah ketika berurusan dengan teknologi dan badan yang ada di dalam Sistem Suria kita. Sebagai contoh, menggunakan teknologi yang mendorong misi New Horizons - yang terdiri daripada 16 alat pendorong yang dibekalkan dengan hidropin monopropellant - sampai ke Bulan hanya memerlukan 8 jam 35 minit.
Di sisi lain, terdapat misi SMART-1 Agensi Angkasa Eropah (ESA), yang meluangkan waktunya melakukan perjalanan ke Bulan menggunakan kaedah penggerak ion. Dengan teknologi revolusioner ini, variasi yang sejak itu digunakan oleh kapal angkasa Dawn untuk mencapai Vesta, misi SMART-1 memerlukan satu tahun, satu bulan dan dua minggu untuk mencapai Bulan.
Oleh itu, dari kapal angkasa yang dilancarkan roket laju hingga pemacu ion ekonomi, kami mempunyai beberapa pilihan untuk berkeliling ruang tempatan - ditambah lagi kami boleh menggunakan Musytari atau Saturnus untuk katapel graviti yang kuat. Namun, jika kita merenungkan misi ke suatu tempat yang sedikit lebih jauh, kita harus meningkatkan teknologi kita dan melihat apa yang sebenarnya mungkin.
Apabila kita mengatakan kaedah yang mungkin, kita berbicara mengenai kaedah yang melibatkan teknologi yang ada, atau kaedah yang belum ada tetapi secara teknikalnya dapat dilaksanakan. Sebilangan, seperti yang akan anda lihat, dihormati waktu dan terbukti, sementara yang lain muncul atau masih berada di papan tulis. Bagaimanapun, dalam semua kes, mereka menyajikan senario yang mungkin (tetapi sangat memakan masa atau mahal) untuk menjangkau bintang yang paling dekat…
Dorongan ionik:
Pada masa ini, bentuk pendorong yang paling lambat, dan paling jimat bahan api, adalah enjin ion. Beberapa dekad yang lalu, penggerak ion dianggap sebagai subjek fiksyen sains. Namun, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi untuk menyokong enjin ion telah beralih dari teori ke praktik secara besar-besaran. Misi SMART-1 ESA misalnya berjaya menyelesaikan misinya ke Bulan setelah menempuh jalan lingkaran 13 bulan dari Bumi.
SMART-1 menggunakan tenaga pendorong ion suria, di mana tenaga elektrik diambil dari panel suria dan digunakan untuk menghidupkan pendorong kesan Hallnya. Hanya 82 kg propelan xenon yang digunakan untuk mendorong SMART-1 ke Bulan. 1 kg propelan xenon memberikan delta-v 45 m / s. Ini adalah bentuk pendorong yang sangat berkesan, tetapi tidak semestinya cepat.
Salah satu misi pertama yang menggunakan teknologi pemacu ion adalah Ruang Dalam 1 misi ke Comet Borrelly yang berlangsung pada tahun 1998. DS1 juga menggunakan pemacu ion berkuasa xenon, menggunakan 81.5 kg propelan. Lebih dari 20 bulan, DS1 berjaya mencapai kelajuan 56,000 km / jam (35,000 batu / jam) semasa penerbangan komet.
Oleh itu, pendorong ion lebih ekonomik daripada teknologi roket, kerana daya tuju per unit jisim propelan (dorongan khusus) adalah jauh lebih tinggi. Tetapi memerlukan masa yang lama bagi pendorong ion untuk mempercepat kapal angkasa ke kelajuan yang besar, dan halaju maksimum yang dapat dicapai bergantung pada bekalan bahan bakarnya dan berapa banyak tenaga elektrik yang dapat dihasilkannya.
Oleh itu, jika penggerak ion digunakan untuk misi ke Proxima Centauri, pendorong memerlukan sumber pengeluaran tenaga yang besar (iaitu tenaga nuklear) dan sejumlah besar bahan pendorong (walaupun masih kurang daripada roket konvensional). Tetapi berdasarkan andaian bahawa bekalan 81.5 kg propelan xenon diterjemahkan menjadi halaju maksimum 56.000 km / jam (dan tidak ada bentuk pendorong lain yang tersedia, seperti katapel gravitasi untuk mempercepatnya lebih jauh), beberapa pengiraan dapat dibuat.
Pendek kata, pada kelajuan maksimum 56,000 km / j, Ruang Dalam 1 akan mengambil alih 81,000 tahun untuk melintasi 4.24 tahun cahaya antara Bumi dan Proxima Centauri. Untuk meletakkan skala waktu itu dalam perspektif, itu akan menjadi lebih dari 2.700 generasi manusia. Oleh itu, adalah selamat untuk mengatakan bahawa misi enjin ion antarplanet terlalu lambat untuk dipertimbangkan untuk misi antarbintang berawak.
Tetapi, sekiranya pendorong ion dibuat lebih besar dan lebih kuat (iaitu halaju ekzos ion perlu jauh lebih tinggi), dan bahan pendorong yang cukup dapat diangkut untuk menjaga perjalanan kapal angkasa untuk seluruh perjalanan 4,224 tahun cahaya, waktu perjalanan dapat sangat besar dikurangkan. Walaupun begitu, masih belum cukup untuk berlaku dalam kehidupan seseorang.
Kaedah Bantuan Graviti:
Kaedah perjalanan ruang angkasa yang paling cepat ada dikenali sebagai kaedah Gravity Assist, yang melibatkan kapal angkasa menggunakan pergerakan relatif (iaitu orbit) dan graviti planet yang hendak diubah adalah jalan dan kelajuan. Bantuan graviti adalah teknik penerbangan ruang angkasa yang sangat berguna, terutama ketika menggunakan Bumi atau planet besar lain (seperti gergasi gas) untuk meningkatkan halaju.
The Pelayaran 10 kapal angkasa adalah yang pertama menggunakan kaedah ini, menggunakan tarikan graviti Venus untuk melemparkannya ke arah Merkuri pada bulan Februari 1974. Pada tahun 1980-an, Pelayaran 1 probe menggunakan Saturnus dan Musytari untuk tembakan katapel graviti untuk mencapai halaju arus 60,000 km / jam (38,000 batu / jam) dan membuatnya menjadi ruang antarbintang.
Walau bagaimanapun, ia adalah Helios 2 misi - yang dilancarkan pada tahun 1976 untuk mengkaji medium antarplanet dari 0,3 AU hingga 1 AU ke Matahari - yang menyimpan rekod untuk kelajuan tertinggi yang dicapai dengan bantuan graviti. Pada masa itu, Helios 1 (yang dilancarkan pada tahun 1974) dan Helios 2 menyimpan rekod untuk pendekatan terdekat dengan Matahari. Helios 2 dilancarkan oleh kenderaan pelancaran NASA Titan / Centaur konvensional dan diletakkan di orbit yang sangat elips.
Oleh kerana eksentrisitas besar (0,54) orbit suria probe (190-hari), di perihelion, Helios 2 mampu mencapai halaju maksimum lebih dari 240,000 km / jam (150,000 batu / jam). Kelajuan orbit ini dicapai dengan tarikan graviti Matahari sahaja. Secara teknikal, Helios 2 halaju perihelion bukanlah katapel graviti, ia adalah kecepatan orbit maksimum, tetapi ia masih menyimpan rekod sebagai objek buatan manusia terpantas tanpa mengira.
Jadi kalau Pelayaran 1 dalam perjalanan ke arah Proxima Centauri kerdil merah dengan kecepatan tetap 60,000 km / jam, ia memerlukan masa 76,000 tahun (atau lebih dari 2,500 generasi) untuk menempuh jarak itu. Tetapi jika ia dapat mencapai kepantasan memecahkan rekod Helios 2Pendekatan Matahari yang dekat - kelajuan tetap 240,000 km / jam - diperlukan 19,000 tahun (atau lebih dari 600 generasi) untuk menempuh 4.243 tahun cahaya. Secara ketara lebih baik, tetapi masih belum berada di alam kepraktisan.
Pemacu Elektromagnetik (EM):
Kaedah lain yang dicadangkan untuk perjalanan antara bintang datang dalam bentuk Radio Frequency (RF) Resonant Cavity Thruster, juga dikenali sebagai EM Drive. Pada mulanya dicadangkan pada tahun 2001 oleh Roger K. Shawyer, seorang saintis Inggeris yang memulakan Satelit Propulsion Research Ltd (SPR) untuk membuahkan hasil, pemacu ini dibina berdasarkan idea bahawa rongga gelombang mikro elektromagnetik dapat memungkinkan penukaran langsung tenaga elektrik ke tujahan .
Walaupun pendorong elektromagnetik konvensional dirancang untuk mendorong jenis jisim tertentu (seperti zarah terionisasi), sistem pemacu tertentu ini tidak bergantung pada jisim tindak balas dan tidak memancarkan radiasi arah. Cadangan seperti itu telah banyak menimbulkan keraguan, terutamanya kerana melanggar undang-undang Pemuliharaan Momentum - yang menyatakan bahawa dalam suatu sistem, jumlah momentum tetap berterusan dan tidak dibuat atau dimusnahkan, tetapi hanya berubah melalui tindakan kekuatan.
Namun, percubaan baru-baru ini dengan reka bentuk nampaknya memberikan hasil yang positif. Pada bulan Julai 2014, pada Persidangan Propulsi Bersama AIAA / ASME / SAE / ASEE ke-50 di Cleveland, Ohio, para penyelidik dari penyelidikan pendorong maju NASA mendakwa bahawa mereka telah berjaya menguji reka bentuk baru untuk pemacu pendorong elektromagnetik.
Ini ditindaklanjuti pada bulan April 2015 ketika para penyelidik di NASA Eagleworks (sebahagian dari Pusat Angkasa Johnson) mendakwa bahawa mereka telah berjaya menguji pemanduan dalam keadaan hampa, suatu petunjuk bahawa ia mungkin benar-benar berfungsi di angkasa. Pada bulan Julai tahun yang sama, pasukan penyelidik dari jabatan Sistem Angkasa Universiti Teknologi Dresden membina versi enjin mereka sendiri dan memerhatikan daya tarikan yang dapat dikesan.
Dan pada tahun 2010, Prof Juan Yang dari Universiti Politeknik Northwestern di Xi'an, China, mula menerbitkan siri makalah mengenai penyelidikannya mengenai teknologi EM Drive. Ini memuncak pada makalah 2012 di mana dia melaporkan kekuatan input yang lebih tinggi (2.5kW) dan tahap daya tuju (720mN). Pada tahun 2014, dia melaporkan lebih banyak ujian yang melibatkan pengukuran suhu dalaman dengan termokopel tertanam, yang sepertinya mengesahkan bahawa sistem ini berfungsi.
Menurut perhitungan berdasarkan prototaip NASA (yang menghasilkan perkiraan daya 0,4 N / kilowatt), kapal angkasa yang dilengkapi dengan pemacu EM dapat melakukan perjalanan ke Pluto dalam waktu kurang dari 18 bulan. Itulah seperenam masa yang diperlukan untuk penyelidikan New Horizons sampai di sana, yang bergerak dengan kelajuan hampir 58,000 km / jam (36,000 mph).
Kedengarannya mengagumkan. Tetapi walaupun pada tahap itu, kapal akan dilengkapi dengan enjin EM 13,000 tahun untuk kapal itu sampai ke Proxima Centauri. Mendekat, tetapi tidak cukup cepat! dan sehingga teknologi itu dapat dibuktikan dapat berfungsi, tidak masuk akal untuk memasukkan telur kita ke dalam bakul ini.
Dorongan elektrik termal / nuklear (NTP / DEB):
Kemungkinan lain untuk penerbangan angkasa antara bintang adalah menggunakan kapal angkasa yang dilengkapi dengan mesin nuklear, konsep yang telah diterokai oleh NASA selama beberapa dekad. Dalam roket Nuklear Termal Propulsion (NTP), reaksi uranium atau deuterium digunakan untuk memanaskan hidrogen cair di dalam reaktor, mengubahnya menjadi gas hidrogen terionisasi (plasma), yang kemudian disalurkan melalui muncung roket untuk menghasilkan tujahan.
Roket Nuklear Elektrik (DEB) melibatkan reaktor asas yang sama yang mengubah haba dan energinya menjadi tenaga elektrik, yang kemudian akan menghidupkan enjin elektrik. Dalam kedua kes tersebut, roket itu akan bergantung pada pembelahan nuklear atau peleburan nuklear untuk menghasilkan pendorong dan bukan pendorong kimia, yang menjadi andalan NASA dan semua agensi angkasa lain hingga kini.
Berbanding dengan penggerak kimia, kedua-dua NTP dan NEC menawarkan sejumlah kelebihan. Yang pertama dan paling jelas adalah kepadatan tenaga yang hampir tidak terhad yang ditawarkannya berbanding dengan bahan bakar roket. Selain itu, enjin berkuasa nuklear juga dapat memberikan daya tuju yang lebih tinggi berbanding dengan jumlah propelan yang digunakan. Ini akan mengurangkan jumlah propelan yang diperlukan, sehingga mengurangkan berat pelancaran dan kos misi individu.
Walaupun tidak ada enjin nuklear-termal yang pernah terbang, beberapa konsep reka bentuk telah dibangun dan diuji selama beberapa dekad yang lalu, dan banyak konsep telah diusulkan. Ini bermula dari reka bentuk teras pepejal tradisional - seperti Mesin Nuklear untuk Aplikasi Kenderaan Roket (NERVA) - hingga konsep yang lebih maju dan cekap yang bergantung pada teras cecair atau gas.
Namun, di sebalik kelebihan ini dalam kecekapan bahan bakar dan dorongan khusus, konsep NTP yang paling canggih mempunyai dorongan spesifik maksimum 5000 saat (50 kN · s / kg). Dengan menggunakan enjin nuklear yang digerakkan oleh pembelahan atau peleburan, para saintis NASA menganggarkan bahawa memerlukan kapal angkasa hanya 90 hari untuk sampai ke Marikh ketika planet ini berada di "penentangan" - yaitu sejauh 55.000.000 km dari Bumi.
Tetapi disesuaikan untuk perjalanan satu arah ke Proxima Centauri, roket nuklear masih memerlukan waktu berabad-abad untuk mempercepat ke titik di mana ia terbang sepersekian laju cahaya. Ia memerlukan masa perjalanan selama beberapa dekad, disusuli dengan kelambatan berabad-abad lagi sebelum sampai ke tempat tujuannya. Semua diberitahu, kita masih bercakap 1000 tahun sebelum sampai ke tempat tujuannya. Baik untuk misi antara planet, tidak begitu baik untuk misi antara bintang.
Kaedah Teori:
Dengan menggunakan teknologi yang ada, waktu yang diperlukan untuk mengirim saintis dan angkasawan ke misi antarbintang akan menjadi lambat. Sekiranya kita ingin melakukan perjalanan itu dalam satu masa, atau bahkan satu generasi, sesuatu yang lebih radikal (alias sangat teoritis) akan diperlukan. Dan sementara lubang cacing dan mesin lompat mungkin masih merupakan fiksyen murni pada ketika ini, terdapat beberapa idea yang agak maju yang telah dipertimbangkan selama ini.
Dorongan Nadi Nuklear:
Penggerak nadi nuklear adalah bentuk perjalanan ruang angkasa yang pantas secara teori. Konsep ini pada mulanya dicadangkan pada tahun 1946 oleh Stanislaw Ulam, seorang ahli matematik Poland-Amerika yang mengambil bahagian dalam Projek Manhattan, dan pengiraan awal kemudian dibuat oleh F. Reines dan Ulam pada tahun 1947. Projek sebenar - dikenali sebagai Project Orion - dimulakan pada 1958 dan berlangsung sehingga 1963.
Diketuai oleh Ted Taylor di General Atomics dan ahli fizik Freeman Dyson dari Institut Kajian Lanjutan di Princeton, Orion berharap dapat memanfaatkan kekuatan letupan nuklear berdenyut untuk memberikan daya dorong yang besar dengan dorongan spesifik yang sangat tinggi (iaitu jumlah daya tarikan berbanding berat atau jumlah saat roket dapat menembak secara berterusan).
Ringkasnya, reka bentuk Orion melibatkan kapal angkasa besar dengan bekalan hulu ledak termonuklear yang tinggi mencapai pendorong dengan melepaskan bom di belakangnya dan kemudian menunggang gelombang peledakan dengan bantuan pad yang dipasang di belakang yang disebut "pendorong". Selepas setiap letupan, daya letupan akan diserap oleh pad pendorong ini, yang kemudian menerjemahkan daya tuju menjadi momentum.
Walaupun tidak elegan dengan piawaian moden, kelebihan reka bentuknya ialah menghasilkan dorongan khusus yang tinggi - yang bermaksud ia mengeluarkan jumlah tenaga maksimum dari sumber bahan bakarnya (dalam hal ini, bom nuklear) dengan kos minimum. Di samping itu, konsep ini secara teorinya dapat mencapai kelajuan yang sangat tinggi, dengan beberapa anggaran menunjukkan angka taman permainan setinggi 5% kelajuan cahaya (atau 5.4 × 107 km / jam).
Tetapi tentu saja, terdapat kelemahan reka bentuk yang tidak dapat dielakkan. Sebagai contoh, kapal seukuran ini akan sangat mahal untuk dibina. Menurut anggaran yang dihasilkan oleh Dyson pada tahun 1968, sebuah kapal angkasa Orion yang menggunakan bom hidrogen untuk menghasilkan pendorong akan menimbang 400.000 hingga 4.000.000 metrik tan. Dan sekurang-kurangnya tiga perempat dari berat itu terdiri daripada bom nuklear, di mana setiap hulu ledak beratnya kira-kira 1 metrik tan.
Semua diberitahu, anggaran Dyson yang paling konservatif meletakkan jumlah kos pembinaan kapal Orion pada 367 bilion dolar. Diselaraskan untuk inflasi, yang berjumlah kira-kira $ 2,5 trilion dolar - yang menyumbang lebih dari dua pertiga dari pendapatan tahunan kerajaan AS. Oleh itu, walaupun paling ringan, pembuatannya akan sangat mahal untuk pembuatannya.
Terdapat juga sedikit masalah dari semua radiasi yang dihasilkannya, belum lagi sisa nuklear. Sebenarnya, inilah sebabnya Projek ini diyakini telah dihentikan, kerana berlakunya Perjanjian Larangan Ujian Separa tahun 1963 yang bertujuan untuk membatasi ujian nuklear dan menghentikan pelepasan nuklear yang berlebihan ke atmosfer planet.
Roket Fusion:
Kemungkinan lain dalam dunia tenaga nuklear yang dimanfaatkan melibatkan roket yang bergantung pada reaksi termonuklear untuk menghasilkan daya tuju. Untuk konsep ini, tenaga dicipta apabila pelet campuran deuterium / helium-3 dinyalakan di ruang tindak balas dengan pengurungan inersia menggunakan pancaran elektron (serupa dengan apa yang dilakukan di Kemudahan Pencucuhan Nasional di California). Reaktor peleburan ini akan meletupkan 250 pelet sesaat untuk menghasilkan plasma bertenaga tinggi, yang kemudian akan diarahkan oleh muncung magnet untuk menghasilkan tujahan.
Seperti roket yang bergantung pada reaktor nuklear, konsep ini menawarkan kelebihan dari segi kecekapan bahan bakar dan dorongan khusus. Halaju ekzos hingga 10,600 km / s dianggarkan, yang jauh melebihi kecepatan roket konvensional. Terlebih 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 telah menjalankan kajian kemungkinan yang dikenali sebagai Project Daedalus. Mengandalkan pengetahuan terkini mengenai teknologi pelakuran dan kaedah yang ada, kajian itu menuntut penciptaan penyelidikan saintifik tanpa pemandu dua peringkat yang melakukan perjalanan ke Barnard's Star (5,9 tahun cahaya dari Bumi) dalam satu masa.
Tahap pertama, yang lebih besar dari keduanya, akan beroperasi selama 2.05 tahun dan mempercepat kapal angkasa menjadi 7.1% kelajuan cahaya (o.071 c). Tahap ini kemudian akan dilenyapkan, pada tahap kedua, tahap kedua akan menyalakan enjinnya dan mempercepat kapal angkasa hingga sekitar 12% dari kecepatan cahaya (0.12 c) dalam jangka masa 1.8 tahun. Enjin tahap kedua kemudian akan dimatikan dan kapal akan memasuki masa pelayaran 46 tahun.
Mengikut anggaran Projek, misi akan memakan masa 50 tahun untuk mencapai Barnard's Star. Disesuaikan untuk Proxima Centauri, kapal yang sama dapat membuat perjalanan masuk 36 tahun. Tetapi tentu saja, projek ini juga mengenal pasti banyak halangan yang menjadikannya tidak dapat dilaksanakan dengan menggunakan teknologi ketika ini - yang kebanyakannya masih belum dapat diselesaikan.
Sebagai contoh, ada fakta bahawa helium-3 langka di Bumi, yang bermaksud ia harus ditambang di tempat lain (kemungkinan besar di Bulan). Kedua, reaksi yang mendorong kapal angkasa memerlukan tenaga yang dikeluarkan jauh melebihi tenaga yang digunakan untuk mencetuskan reaksi. Dan sementara eksperimen di Bumi telah melampaui "tujuan impas", kita masih jauh dari jenis tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan kapal angkasa antarbintang.
Ketiga, ada faktor kos untuk membina kapal seperti itu. Walaupun dengan kerajinan sederhana dari pesawat tanpa pemandu Project Daedalus, kapal bertenaga penuh akan menimbang sebanyak 60,000 Mt. Untuk meletakkannya dalam perspektif, berat kasar SLS NASA adalah lebih dari 30 Mt, dan satu pelancaran hadir dengan tanda harga $ 5 bilion (berdasarkan anggaran yang dibuat pada tahun 2013).
Ringkasnya, roket gabungan tidak hanya mahal untuk dibina; ia juga memerlukan tahap teknologi reaktor peleburan yang pada masa ini melebihi kemampuan kita. Icarus Interstellar, sebuah organisasi antarabangsa saintis warga sukarelawan (beberapa di antaranya bekerja untuk NASA atau ESA) sejak itu berusaha untuk menghidupkan semula konsep tersebut dengan Project Icarus. Ditubuhkan pada tahun 2009, kumpulan ini berharap dapat menjadikan penggerak gabungan (antara lain) dapat dilaksanakan dalam waktu terdekat.
Fusion Ramjet:
Juga dikenali sebagai Bussard Ramjet, bentuk pendorong teori ini pertama kali dicadangkan oleh ahli fizik Robert W. Bussard pada tahun 1960. Pada asasnya, ini adalah peningkatan berbanding roket peleburan nuklear standard, yang menggunakan medan magnet untuk memampatkan bahan bakar hidrogen sehingga titik peleburan berlaku. Tetapi dalam kes Ramjet, corong elektromagnetik yang sangat besar "meraup" hidrogen dari medium antarbintang dan membuangnya ke dalam reaktor sebagai bahan bakar.
Ketika kapal mengambil kelajuan, jisim reaktif dipaksa masuk ke medan magnet yang disekat secara progresif, memampatkannya sehingga berlaku peleburan termonuklear. Medan magnet kemudian mengarahkan tenaga sebagai ekzos roket melalui muncung mesin, sehingga mempercepat kapal. Tanpa tangki bahan bakar untuk menimbangnya, ramjet fusi dapat mencapai kelajuan mendekati 4% dari kecepatan cahaya dan bergerak ke mana saja di galaksi.
Walau bagaimanapun, kemungkinan kelemahan reka bentuk ini banyak. Contohnya, ada masalah seret. Kapal bergantung pada peningkatan kecepatan untuk mengumpulkan bahan bakar, tetapi ketika bertabrakan dengan hidrogen antarbintang yang lebih banyak, kapal juga mungkin kehilangan kelajuan - terutama di kawasan galaksi yang lebih padat. Kedua, deuterium dan tritium (digunakan dalam reaktor peleburan di sini di Bumi) jarang terdapat di ruang angkasa, sedangkan peleburan hidrogen biasa (yang banyak terdapat di angkasa) adalah di luar kaedah kita sekarang.
Konsep ini telah dipopularkan secara meluas dalam fiksyen sains. Mungkin contoh yang paling terkenal adalah di francais dari Trek Bintang, di mana "pengumpul Bussard" adalah nacelles yang menyala pada mesin warp. Tetapi pada hakikatnya, pengetahuan kita mengenai reaksi peleburan perlu berkembang jauh sebelum ramjet dimungkinkan. Kita juga harus mengetahui bahawa masalah seret sial sebelum kita mula mempertimbangkan untuk membina kapal seperti itu!
Laser Berlayar:
Layar suria telah lama dianggap sebagai kaedah menjimatkan Sistem Suria yang menjimatkan. Selain mudah dihasilkan dan murah untuk pembuatan, ada bonus tambahan pelayar suria yang tidak memerlukan bahan bakar. Daripada menggunakan roket yang memerlukan pendorong, layar menggunakan tekanan radiasi dari bintang untuk mendorong cermin ultra tipis besar ke kelajuan tinggi.
Namun, demi penerbangan antarbintang, layar seperti itu perlu didorong oleh pancaran tenaga terfokus (iaitu laser atau gelombang mikro) untuk mendorongnya ke arah kecepatan yang mendekati kelajuan cahaya. Konsep ini pada mulanya dicadangkan oleh Robert Forward pada tahun 1984, yang merupakan seorang ahli fizik di makmal penyelidikan Hughes Aircraft pada masa itu.
Konsep ini mengekalkan kelebihan layar solar, kerana ia tidak memerlukan bahan bakar di atas kapal, tetapi juga dari fakta bahawa tenaga laser tidak hilang dengan jarak hampir sama dengan radiasi matahari. Oleh itu, sementara berlayar yang didorong oleh laser memerlukan sedikit masa untuk mempercepat ke arah cahaya yang hampir terang, ia hanya terhad pada kelajuan cahaya itu sendiri.
Menurut kajian tahun 2000 yang dihasilkan oleh Robert Frisbee, pengarah kajian konsep pendorong maju di Makmal Jet Propulsion NASA, layar laser dapat dipercepat hingga separuh kecepatan cahaya dalam waktu kurang dari satu dekad. Dia juga mengira bahawa layar yang berukuran sekitar 320 km (200 mil) diameter dapat mencapai Proxima Centauri hanya dalam waktu lebih lama 12 tahun. Sementara itu, layar yang berukuran sekitar 965 km (600 batu) diameter akan tiba tepat di bawah 9 tahun.
Bagaimanapun, layar seperti itu harus dibina dari komposit canggih untuk mengelakkan lebur. Dikombinasikan dengan ukurannya, ini akan menambah satu sen! Lebih buruk lagi ialah perbelanjaan yang dikeluarkan untuk membina laser yang cukup besar dan kuat untuk mendorong layar hingga separuh kelajuan cahaya. Menurut kajian Frisbee sendiri, laser memerlukan aliran 17.000 terawat kuasa yang berterusan - hampir dengan apa yang seluruh dunia habiskan dalam satu hari.
Enjin Antimateri:
Peminat fiksyen sains pasti pernah mendengar tentang antimateri. Tetapi sekiranya tidak, antimateri pada dasarnya adalah bahan yang terdiri daripada antipartikel, yang mempunyai jisim yang sama tetapi bermuatan yang berlawanan dengan zarah biasa. Enjin antimateri, sementara itu, adalah bentuk pendorong yang menggunakan interaksi antara jirim dan antimateri untuk menghasilkan tenaga atau untuk menghasilkan daya tuju.
Ringkasnya, mesin antimateri melibatkan zarah hidrogen dan antihidrogen yang dihantam bersama. Reaksi ini melepaskan tenaga sebanyak bom termonuklear, bersama dengan pancuran zarah subatom yang disebut pion dan muon. Zarah-zarah ini, yang akan bergerak pada sepertiga kelajuan cahaya, kemudian disalurkan oleh muncung magnet untuk menghasilkan tujahan.
Kelebihan roket kelas ini ialah sebilangan besar jisim selebihnya campuran bahan / antimateri dapat ditukarkan menjadi tenaga, yang membolehkan roket antimateri mempunyai ketumpatan tenaga yang jauh lebih tinggi dan dorongan khusus daripada kelas roket lain yang dicadangkan. Lebih-lebih lagi, mengawal reaksi semacam ini dapat mendorong roket sehingga setengah kelajuan cahaya.
Pound for pound, kapal kelas ini akan menjadi yang terpantas dan paling cekap bahan bakar yang pernah difikirkan. Walaupun roket konvensional memerlukan banyak bahan bakar kimia untuk mendorong kapal angkasa ke tujuannya, mesin antimateri dapat melakukan pekerjaan yang sama dengan hanya beberapa miligram bahan bakar. Sebenarnya, pemusnahan bersama setengah kilogram zarah hidrogen dan antihidrogen akan mengeluarkan lebih banyak tenaga daripada bom hidrogen 10 megaton.
Kerana alasan yang tepat inilah NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) telah menyiasat teknologi sebagai kaedah yang mungkin untuk misi Mars masa depan. Malangnya, ketika merenungkan misi ke sistem bintang yang berdekatan, jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk melakukan perjalanan itu berlipat ganda, dan kos yang diperlukan untuk menghasilkannya akan menjadi astronomi (tidak ada!).
Menurut laporan yang disiapkan untuk Persidangan dan Pameran Bersama Penggalakan Bersama AIAA / ASME / SAE / ASEE ke-39 (juga oleh Robert Frisbee), roket antimateri dua peringkat memerlukan lebih dari 815,000 metrik tan (900,000 tan AS) untuk membuat perjalanan ke Proxima Centauri dalam masa lebih kurang 40 tahun. Itu tidak buruk, sejauh jangka masa. Tetapi sekali lagi, kos…
Walaupun satu gram antimateri akan menghasilkan sejumlah tenaga yang luar biasa, dianggarkan bahawa hanya satu gram memerlukan tenaga sekitar 25 juta bilion kilowatt-jam dan harganya lebih dari satu trilion dolar. Pada masa ini, jumlah antimateri yang telah dibuat oleh manusia kurang dari 20 nanogram.
Dan walaupun kami dapat menghasilkan antimateri dengan harga murah, anda memerlukan kapal besar untuk menahan jumlah bahan bakar yang diperlukan. Menurut laporan oleh Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby dari Embry-Riddle Aeronautical University di Arizona, sebuah kapal antarbintang yang dilengkapi dengan mesin antimateri dapat mencapai 0,5 kelajuan cahaya dan mencapai Proxima Centauri dalam beberapa saat 8 tahun. Walau bagaimanapun, kapal itu sendiri akan menimbang 400 metrik tan (441 AS tan) dan memerlukan 170 tan metrik (187 tan AS) bahan bakar antimateri untuk melakukan perjalanan.
Cara yang mungkin dilakukan adalah dengan membuat kapal yang dapat membuat antimateri yang kemudian dapat disimpan sebagai bahan bakar. Konsep ini, yang dikenali sebagai Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), dicadangkan oleh Richard Obousy dari Icarus Interstellar. Berdasarkan idea pengisian bahan bakar di tempat, kapal VARIES akan bergantung pada laser besar (digerakkan oleh susunan suria yang sangat besar) yang akan menghasilkan zarah antimateri ketika ditembakkan di tempat kosong.
Sama seperti konsep Ramjet, cadangan ini menyelesaikan masalah membawa bahan bakar dengan memanfaatkannya dari angkasa. Tetapi sekali lagi, kos kapal seperti itu akan sangat mahal menggunakan teknologi semasa. Di samping itu, kemampuan untuk membuat antimateri dalam jumlah besar bukanlah sesuatu yang kita miliki saat ini. Terdapat juga masalah radiasi, kerana pemusnahan bahan antimateri dapat menghasilkan letupan sinar gamma bertenaga tinggi.
Ini bukan sahaja membahayakan kru, memerlukan pelindung radiasi yang signifikan, tetapi juga mengharuskan mesin dilindungi untuk memastikan mereka tidak mengalami degradasi atom dari semua radiasi yang terdedah kepada mereka. Oleh itu, mesin antimateri benar-benar tidak praktikal dengan teknologi semasa dan persekitaran bajet semasa.
Pemacu Alcubierre Warp:
Peminat fiksyen sains juga tidak asing lagi dengan konsep Drive Alcubierre (atau "Warp"). Dicadangkan oleh ahli fizik Mexico Miguel Alcubierre pada tahun 1994, kaedah yang dicadangkan ini adalah usaha untuk memungkinkan perjalanan FTL tanpa melanggar teori Relativiti Khas Einstein. Ringkasnya, konsep ini melibatkan peregangan kain ruang-waktu dalam gelombang, yang secara teori akan menyebabkan ruang di hadapan objek berkontrak dan ruang di belakangnya mengembang.
Objek di dalam gelombang ini (iaitu kapal angkasa) kemudian dapat menunggang gelombang ini, yang dikenal sebagai "gelembung melengkung", di luar kecepatan relativistik. Oleh kerana kapal tidak bergerak di dalam gelembung ini tetapi dibawa ketika bergerak, peraturan ruang-waktu dan relativitas akan berhenti berlaku. Sebabnya, kaedah ini tidak bergantung pada bergerak lebih cepat daripada cahaya dalam pengertian tempatan.
Hanya "lebih cepat dari cahaya" dalam arti kapal itu dapat mencapai tujuannya lebih cepat daripada seberkas cahaya yang bergerak di luar gelembung melengkung. Jadi dengan mengandaikan bahawa kapal angkasa dapat dilengkapi dengan sistem Alcubierre Drive, ia akan dapat melakukan perjalanan ke Proxima Centauri di kurang dari 4 tahun. Oleh itu, mengenai perjalanan ruang angkasa antara teori, ini adalah teknologi yang paling menjanjikan, sekurang-kurangnya dari segi kelajuan.
Secara semula jadi, konsep ini telah mendapat bahagian dari hujah balas selama bertahun-tahun. Yang paling utama adalah kenyataan bahawa ia tidak mengambil kira mekanik kuantum dan boleh dibatalkan oleh Teori Segala-galanya (seperti graviti kuantum gelung). Pengiraan jumlah tenaga yang diperlukan juga menunjukkan bahawa pemacu warp memerlukan sejumlah kuasa yang boleh berfungsi. Ketidakpastian lain termasuk keselamatan sistem seperti itu, kesan pada ruang-waktu di tempat tujuan, dan pelanggaran kausalitas.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
