Interstellär rymdfart: begrepp, utmaningar och möjliga tekniker

Den största utmaningen för interstellära resor är de enorma avstånden som måste överbryggas. Detta innebär att det krävs en mycket hög hastighet och/eller en mycket lång restid. Restiden med de mest realistiska framdrivningsmetoderna skulle vara från decennier till årtusenden.

Ett interstellärt skepp skulle därför vara mycket mer utsatt för de faror som finns vid interplanetära resor, inklusive vakuum, strålning, tyngdlöshet och mikrometeoroider. Vid höga hastigheter skulle fordonet penetreras av många mikroskopiska materiepartiklar om det inte är kraftigt skyddat. Att bära skölden skulle kraftigt öka problemen med framdrivningen.

Kosmiska strålar

Kosmisk strålning är av stort intresse eftersom det inte finns något skydd utanför atmosfären och magnetfältet. Energin hos de mest energirika ultrahögenergikosmiska strålarna (UHECR) har observerats närma sig 3 × 10 ²⁰eV, cirka 40 miljoner gånger energin hos de partiklar som accelereras av Large Hadron Collider. Vid 50 J har de mest energirika ultrahögeffektiva kosmiska strålarna en energi som är jämförbar med den kinetiska energin hos en baseboll på 90 kilometer i timmen (56 mph). Till följd av dessa upptäckter har det funnits intresse för att undersöka kosmisk strålning med ännu högre energier. De flesta kosmiska strålar har dock inte sådana extrema energier. Energifördelningen för kosmisk strålning når sin topp vid 0,3 gigaelektronvolt (4,8×10⁻¹¹ J).

Erforderlig energi

En viktig faktor är den energi som behövs för en rimlig restid. En nedre gräns för den energi som krävs är den kinetiska energin K = ½ mv² där m är slutmassan. Om man vill ha inbromsning vid ankomsten och detta inte kan ske på annat sätt än genom fartygets motorer, fördubblas den energi som krävs minst, eftersom den energi som behövs för att stoppa fartyget är lika stor som den energi som behövs för att accelerera det till reshastighet.

Hastigheten för en bemannad rundresa på några decennier till den närmaste stjärnan är tusentals gånger högre än för nuvarande rymdfarkoster. Detta innebär att det på grund av ²v-termen i formeln för kinetisk energi krävs miljontals gånger mer energi. För att accelerera ett ton till en tiondel av ljusets hastighet krävs minst 450 PJ eller 4,5 ×10 ¹⁷J eller 125 miljarder kWh, utan hänsyn till förluster.

Energikällan måste transporteras, eftersom solpaneler inte fungerar långt från solen och andra stjärnor. Storleken på denna energi kan göra interstellära resor omöjliga. En ingenjör konstaterade att "minst 100 gånger den totala energiproduktionen från hela världen [under ett givet år] skulle krävas för resan (till Alpha Centauri)".

Interstellärt medium

interstellärt stoft och interstellär gas kan orsaka avsevärda skador på farkosten på grund av de höga relativa hastigheterna och de stora kinetiska energierna. Större objekt (t.ex. större stoftkorn) är mycket ovanligare, men skulle vara mycket mer destruktiva. .

Restid

De långa restiderna gör det svårt att utforma bemannade uppdrag. Rymdtidens grundläggande gränser utgör en annan utmaning. Dessutom skulle interstellära resor vara svåra att motivera av ekonomiska skäl.

Man kan hävda att ett interstellärt uppdrag som inte kan slutföras inom 50 år inte bör påbörjas alls. I stället bör resurserna investeras i att konstruera ett bättre framdrivningssystem. Detta beror på att en långsam rymdfarkost förmodligen skulle passeras av ett annat uppdrag som skickas senare med mer avancerad framdrivning.

Å andra sidan kan man därför argumentera för att påbörja ett uppdrag utan dröjsmål, eftersom de problem som inte har med framdrivning att göra kan visa sig vara svårare än framdrivningstekniken.

Intergalaktiska resor innebär avstånd som är ungefär en miljon gånger större än interstellära avstånd, vilket gör det radikalt svårare än till och med interstellära resor.

Kennedys beräkning

Andrew Kennedy har visat att resor som påbörjas före den minsta väntetiden kommer att bli omsprungna av de som lämnar vid den minsta tiden, medan de som lämnar efter den minsta tiden aldrig kommer att omsprungas av de som lämnade vid den minsta tiden.

Kennedys beräkning beror på r, den genomsnittliga årliga ökningen av världens elproduktion. Från varje tidpunkt till en given destination finns det ett minimum för den totala tiden till destinationen. Resenärer skulle förmodligen komma fram utan att bli omkörda av senare resenärer genom att vänta en tid t innan de ger sig av. Sambandet mellan den tid det tar att nå en destination (nu, T_now, eller efter att ha väntat, T_t, och ökningen av reshastigheten är följande

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

Med en resa till Barnards stjärna, sex ljusår bort, som exempel visar Kennedy att med en årlig ekonomisk tillväxt på 1,4 procent och en motsvarande ökning av reshastigheten, kan den mänskliga civilisationen snabbast nå stjärnan om 1 110 år från år 2007.

Interstellära avstånd

Astronomiska avstånd mäts ofta i den tid det tar för en ljusstråle att färdas mellan två punkter (se ljusår). Ljus i ett vakuum färdas ungefär 300 000 kilometer per sekund eller 186 000 miles per sekund.

Avståndet från jorden till månen är 1,3 ljussekunder. Med nuvarande teknik för framdrivning av rymdfarkoster kan en farkost täcka avståndet från jorden till månen på cirka åtta timmar (New Horizons). Det betyder att ljuset färdas ungefär trettiotusen gånger snabbare än vad dagens teknik för framdrivning av rymdfarkoster gör. Avståndet från jorden till andra planeter i solsystemet varierar från tre ljusminuter till cirka fyra ljustimmar. Beroende på planeten och dess inriktning i förhållande till jorden kommer dessa resor för en typisk obemannad rymdfarkost att ta från några månader till lite mer än ett decennium. Avståndet till andra stjärnor är mycket större. Om avståndet från jorden till solen skalas ner till en meter skulle avståndet till Alpha Centauri A vara 271 kilometer eller cirka 169 mil.

Den närmaste kända stjärnan till solen är Proxima Centauri, som ligger 4,23 ljusår bort. Den snabbaste rymdfarkost som hittills skickats ut, Voyager 1, har på 30 år tillryggalagt 1/600 av ett ljusår och rör sig för närvarande med 1/18 000:e av ljusets hastighet. Med denna hastighet skulle en resa till Proxima Centauri ta 72 000 år. Uppdraget var naturligtvis inte särskilt avsett att resa snabbt till stjärnorna, och den nuvarande tekniken skulle kunna göra det mycket bättre. Restiden skulle kunna förkortas till några tusen år med hjälp av solsegel, eller till ett århundrade eller mindre med hjälp av kärnkraftspulsdrift.

Den speciella relativitetsteorin ger möjlighet att förkorta restiden: om ett rymdskepp med tillräckligt avancerade motorer kan nå hastigheter nära ljusets hastighet skulle relativistisk tidsutvidgning göra resan mycket kortare för resenären. Det skulle dock fortfarande ta många år av den tid som förflutit enligt de människor som är kvar på jorden. När resenärerna återvänder till jorden skulle de upptäcka att det hade gått mycket mer tid på jorden än för dem (tvillingparadoxen).

Många problem skulle lösas om maskhål fanns. Den allmänna relativitetsteorin utesluter dem inte, men såvitt vi vet existerar de inte för närvarande.

Kommunikation

Fördröjningstiden är den minsta tiden mellan det att sondens signal når jorden och det att sonden får instruktioner från jorden. Med tanke på att information inte kan färdas snabbare än ljusets hastighet är detta för Voyager 1 cirka 32 timmar, nära Proxima Centauri skulle det vara 8 år. Snabbare reaktioner skulle behöva programmeras så att de utförs automatiskt. Vid en bemannad flygning kan besättningen naturligtvis reagera omedelbart på sina observationer. Fördröjningstiden fram och tillbaka gör dock att de inte bara är extremt avlägsna utan också extremt isolerade från jorden när det gäller kommunikation. En annan faktor är den energi som krävs för att interstellära kommunikationer ska nå fram på ett tillförlitligt sätt. Gas och partiklar skulle naturligtvis försämra signalerna (interstellär extinktion) och det skulle finnas gränser för den energi som finns tillgänglig för att sända signalen.

Bemannade uppdrag

Massan på en farkost som kan transportera människor skulle oundvikligen vara betydligt större än vad som krävs för en obemannad interstellär sond. De mycket längre restiderna skulle kräva ett livsuppehållande system. Det är osannolikt att de första interstellära uppdragen kommer att bära med sig livsformer.

Det finns 59 kända stjärnsystem inom 20 ljusår från solen som innehåller 81 synliga stjärnor. Följande skulle kunna betraktas som huvudmål för interstellära uppdrag: Strålningsrisker skulle utesluta alla organiska varelser för en expedition till Sirius. I vilket fall som helst är det svårt att föreställa sig några bemannade expeditioner överhuvudtaget, med tanke på de sannolika restiderna.

Den kanske mest sannolika tidpunkten för interstellära resor är när en stjärna passerar vårt Oortmoln. Vi borde få en förvarning på drygt 10 000 år före detta, så vi skulle kunna planera för händelsen i detalj. Se Scholz' stjärna för den senaste gången en sådan kom igenom.

Med hjälp av befintlig astronomisk teknik kan man hitta planetsystem runt dessa objekt, vilket ökar deras potential för utforskning.