Il freddo bagliore delle stelle è particolarmente bello nel cielo invernale. In questo momento, le stelle e le costellazioni più luminose diventano visibili: Orione, Pleiadi, Cane Maggiore con l'abbagliante Sirio …
Un quarto di secolo fa, sette sottufficiali dell'Accademia Navale hanno posto una domanda insolita: quanto è vicina l'umanità moderna alle stelle? La ricerca ha portato a un rapporto dettagliato noto come Project Longshot (Long Range Shot). Un concetto di un veicolo interstellare automatico in grado di raggiungere le stelle più vicine in un ragionevole lasso di tempo. Niente millenni di volo e "navi di generazioni"! La sonda dovrebbe raggiungere le vicinanze di Alpha Centauri entro 100 anni dal momento del suo lancio nello spazio.
Iperspazio, gravità, antimateria e razzi fotonici… No! La caratteristica principale del progetto è la sua dipendenza dalle tecnologie esistenti. Secondo gli sviluppatori, il design Longshot consente di costruire un'astronave già nella prima metà del 21° secolo!
Cento anni di volo con le tecnologie esistenti. Un'audacia inaudita, data la portata delle distanze cosmiche. Tra il Sole e Alpha Centauri si trova un "abisso nero" largo 4, 36 sv. dell'anno. Oltre 40 trilioni chilometri! Il significato mostruoso di questa figura diventa chiaro nell'esempio seguente.
Se riduciamo le dimensioni del Sole alle dimensioni di una pallina da tennis, l'intero sistema solare si adatterà alla Piazza Rossa. Le dimensioni della Terra nella scala selezionata diminuiranno fino alle dimensioni di un granello di sabbia, mentre la "palla da tennis" più vicina - Alpha Centauri - si troverà in Piazza San Marco a Venezia.
Un volo verso Alpha Centauri su una navicella spaziale convenzionale Shuttle o Soyuz richiederebbe 190.000 anni.
Una terribile diagnosi suona come una frase. Siamo condannati a sederci sul nostro "granello di sabbia", senza avere la minima possibilità di raggiungere le stelle? Nelle riviste scientifiche popolari, ci sono calcoli che dimostrano che è impossibile accelerare un'astronave a velocità prossime alla luce. Ciò richiederà "bruciare" tutta la materia nel sistema solare.
Eppure c'è una possibilità! Il progetto Longshot ha dimostrato che le stelle sono molto più vicine di quanto possiamo immaginare.
Sullo scafo della Voyager c'è una piastra con una mappa pulsar che mostra la posizione del Sole nella Galassia, oltre a informazioni dettagliate sugli abitanti della Terra. Si prevede che un giorno gli alieni troveranno questa "ascia di pietra" e verranno a trovarci. Ma, se ricordiamo le peculiarità del comportamento di tutte le civiltà tecnologiche sulla Terra e la storia delle conquiste americane da parte dei conquistadores, non si può contare su un "contatto pacifico"…
La missione della spedizione
Raggiungi il sistema Alpha Centauri in cento anni.
A differenza di altre "astronavi" ("Daedalus"), il progetto "Longshot" prevedeva l'ingresso nell'orbita del sistema stellare (Alpha e Beta Centauri). Ciò complicava notevolmente il compito e allungava il tempo di volo, ma consentiva uno studio dettagliato della vicinanza di stelle lontane (a differenza del Daedalus, che sarebbe passato di corsa oltre il bersaglio in un giorno e sarebbe scomparso senza lasciare traccia nelle profondità dello spazio).
Il volo durerà 100 anni. Saranno necessari altri 4, 36 anni per trasferire informazioni sulla Terra.
Alpha Centauri rispetto al sistema solare
Gli astronomi ripongono grandi speranze nel progetto: in caso di successo, avranno uno strumento fantastico per misurare le parallasse (distanze dalle altre stelle) con una base di 4, 36 sv. dell'anno.
Anche un volo secolare nella notte non passerà senza meta: il dispositivo studierà il mezzo interstellare e amplierà la nostra conoscenza dei confini esterni del sistema solare.
Sparato alle stelle
Il principale e unico problema dei viaggi nello spazio sono le distanze colossali. Avendo risolto questo problema, risolveremo tutto il resto. La riduzione del tempo di volo rimuoverà il problema di una fonte di energia a lungo termine e di un'elevata affidabilità dei sistemi della nave. Il problema con la presenza di una persona a bordo sarà risolto. Il breve volo rende superflui i complessi sistemi di supporto vitale e le gigantesche scorte di cibo/acqua/aria a bordo.
Ma questi sono sogni lontani. In questo caso, è necessario consegnare una sonda senza equipaggio alle stelle entro un secolo. Non sappiamo come rompere il continuum spazio-temporale, quindi c'è solo una via d'uscita: aumentare la velocità al suolo della "nave stellare".
Come ha mostrato il calcolo, un volo verso Alpha Centauri in 100 anni richiede una velocità di almeno il 4,5% della velocità della luce. 13500 km/s.
Non ci sono divieti fondamentali che permettano ai corpi nel macrocosmo di muoversi alla velocità indicata, tuttavia, il suo valore è mostruosamente grande. Per fare un confronto: la velocità del più veloce della navicella spaziale (sonda "New Horizons") dopo aver spento lo stadio superiore era "solo" 16,26 km / s (58636 km / h) rispetto alla Terra.
Concetto di astronave a lungo termine
Come accelerare una nave interstellare a velocità di migliaia di km/s? La risposta è ovvia: hai bisogno di un motore ad alta spinta con un impulso specifico di almeno 1.000.000 di secondi.
L'impulso specifico è un indicatore dell'efficienza di un motore a reazione. Dipende dal peso molecolare, dalla temperatura e dalla pressione del gas nella camera di combustione. Maggiore è la differenza di pressione nella camera di combustione e nell'ambiente esterno, maggiore è la velocità di deflusso del fluido di lavoro. E, quindi, l'efficienza del motore è maggiore.
I migliori esempi di moderni motori a reazione elettrica (ERE) hanno un impulso specifico di 10.000 s; a una velocità di deflusso di fasci di particelle cariche - fino a 100.000 km / s. Il consumo del fluido di lavoro (xenon/krypton) è di pochi milligrammi al secondo. Il motore ronza sommessamente per tutto il volo, accelerando lentamente il velivolo.
Gli EJE affascinano per la loro relativa semplicità, il basso costo e la possibilità di raggiungere velocità elevate (decine di km/s), ma a causa del basso valore di spinta (meno di un Newton), l'accelerazione può richiedere decine di anni.
Un'altra cosa sono i motori a razzo chimici, su cui poggia tutta la cosmonautica moderna. Hanno una spinta enorme (decine e centinaia di tonnellate), ma l'impulso specifico massimo di un motore a razzo a tre componenti a propellente liquido (litio/idrogeno/fluoro) è di soli 542 s, con una velocità di deflusso del gas di poco più di 5 km / S. Questo è il limite.
I razzi a propellente liquido consentono di aumentare la velocità del veicolo spaziale di diversi km / s in breve tempo, ma non sono in grado di fare di più. L'astronave avrà bisogno di un motore basato su diversi principi fisici.
I creatori di "Longshot" hanno preso in considerazione diversi modi esotici, incl. "Vela leggera", accelerata da un laser con una potenza di 3, 5 terawatt (il metodo è stato riconosciuto come irrealizzabile).
Ad oggi, l'unico modo realistico per raggiungere le stelle è un motore nucleare pulsato (termonucleare). Il principio di funzionamento si basa sulla fusione termonucleare laser (LTS), ben studiata in condizioni di laboratorio. Concentrazione di una grande quantità di energia in piccoli volumi di materia in un breve periodo di tempo (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) con confinamento inerziale del plasma.
Nel caso di Longshot, non si tratta di alcuna reazione stabile di fusione termonucleare controllata: non è richiesto il confinamento del plasma a lungo termine. Per creare la spinta del getto, il coagulo ad alta temperatura risultante deve essere immediatamente "spinto" dal campo magnetico fuori bordo della nave.
Il carburante è una miscela di elio-3 / deuterio. La fornitura di carburante necessaria per un volo interstellare sarà di 264 tonnellate.
Allo stesso modo, si prevede di raggiungere un'efficienza senza precedenti: nei calcoli, il valore dell'impulso specifico è di 1,02 mln.secondi!
Come principale fonte di energia per alimentare i sistemi della nave - laser motore a impulsi, sistemi di controllo dell'assetto, comunicazioni e strumenti scientifici - è stato scelto un reattore convenzionale basato su assemblaggi di combustibile all'uranio. La potenza elettrica dell'impianto deve essere di almeno 300 kW (la potenza termica è quasi un ordine di grandezza superiore).
Dal punto di vista della tecnologia moderna, la realizzazione di un reattore che non richieda la ricarica per un intero secolo non è facile, ma possibile nella pratica. Già ora, sulle navi da guerra, vengono utilizzati sistemi nucleari, il cui nucleo ha una vita di servizio commisurata alla vita di servizio delle navi (30-50 anni). Anche la potenza è in ordine completo: ad esempio, l'impianto nucleare OK-650 installato sui sottomarini nucleari della Marina russa ha una capacità termica di 190 megawatt ed è in grado di fornire elettricità a un'intera città con una popolazione di 50.000 persone!
Tali installazioni sono eccessivamente potenti per lo spazio. Ciò richiede compattezza e preciso rispetto delle caratteristiche specificate. Ad esempio, il 10 luglio 1987 è stato lanciato Kosmos-1867 - un satellite sovietico con l'impianto nucleare Yenisei (massa del satellite - 1,5 tonnellate, potenza termica del reattore - 150 kW, energia elettrica - 6, 6 kW, durata - 11 mesi).
Ciò significa che il reattore da 300 kW utilizzato nel progetto Longshot è una questione del prossimo futuro. Gli stessi ingegneri hanno calcolato che la massa di un tale reattore sarebbe di circa 6 tonnellate.
In realtà, qui finisce la fisica e iniziano i testi.
Problemi di viaggio interstellare
Per controllare la sonda, sarà necessario un complesso di computer di bordo dotato di intelligenza artificiale. In condizioni in cui il tempo di trasmissione del segnale è superiore a 4 anni, è impossibile un controllo efficace della sonda da terra.
Nel campo della microelettronica e della creazione di dispositivi di ricerca, di recente si sono verificati cambiamenti su larga scala. È improbabile che i creatori di Longshot nel 1987 avessero idea delle capacità dei computer moderni. Si può ritenere che questo problema tecnico sia stato risolto con successo nell'ultimo quarto di secolo.
La situazione con i sistemi di comunicazione sembra altrettanto ottimistica. Per una trasmissione affidabile di informazioni da una distanza di 4, 36 sv. anno richiederà un sistema di laser operante nella valle dell'onda di 0,532 micron e con una potenza di radiazione di 250 kW. In questo caso, per ogni quadrato. metro della superficie terrestre cadranno 222 fotoni al secondo, che è molto più alto della soglia di sensibilità dei moderni radiotelescopi. La velocità di trasferimento delle informazioni dalla distanza massima sarà di 1 kbps. I moderni radiotelescopi e i sistemi di comunicazione spaziale sono in grado di espandere più volte il canale di scambio dati.
Per fare un confronto: la potenza del trasmettitore della sonda Voyager 1, che attualmente si trova a una distanza di 19 miliardi di km dal Sole (17,5 ore di luce), è di soli 23 W, come una lampadina nel tuo frigorifero. Tuttavia, questo è abbastanza per la trasmissione della telemetria sulla Terra a una velocità di diversi kbit / s.
Una linea a parte è la questione della termoregolazione della nave.
Un reattore nucleare di una classe di megawatt e un motore termonucleare a impulsi sono fonti di una quantità colossale di energia termica, inoltre, nel vuoto ci sono solo due modi per rimuovere il calore: l'ablazione e la radiazione.
La soluzione potrebbe essere quella di installare un sistema avanzato di radiatori e superfici radianti, oltre a un tampone ceramico termoisolante tra il vano motore e i serbatoi di carburante della nave.
Nella fase iniziale del viaggio, la nave avrà bisogno di uno scudo protettivo aggiuntivo dalla radiazione solare (simile a quello utilizzato sulla stazione orbitale Skylab). Nell'area dell'obiettivo finale - in orbita della stella Beta Centauri - ci sarà anche il pericolo di un surriscaldamento della sonda. È richiesto l'isolamento termico delle apparecchiature e un sistema per trasferire il calore in eccesso da tutti i blocchi importanti e gli strumenti scientifici ai radiatori radianti.
Un grafico dell'accelerazione della nave nel tempo
Grafico che mostra la variazione di velocità
La questione della protezione della navicella spaziale dai micrometeoriti e dalle particelle di polvere cosmica è estremamente difficile. Ad una velocità del 4,5% della velocità della luce, qualsiasi collisione con un oggetto microscopico può danneggiare gravemente la sonda. I creatori di "Longshot" propongono di risolvere il problema installando un potente scudo protettivo nella parte anteriore della nave (metallo? Ceramica?), Che allo stesso tempo era un radiatore di calore in eccesso.
Quanto è affidabile questa protezione? Ed è possibile utilizzare sistemi di protezione fantascientifici sotto forma di forza/campi magnetici o "nuvole" di particelle microdisperse trattenute da un campo magnetico a monte della nave? Speriamo che quando l'astronave sarà creata, gli ingegneri troveranno una soluzione adeguata.
Per quanto riguarda la sonda stessa, tradizionalmente avrà una disposizione multistadio con serbatoi rimovibili. Materiale di fabbricazione delle strutture dello scafo - leghe di alluminio / titanio. La massa totale del veicolo spaziale assemblato in orbita terrestre bassa sarà di 396 tonnellate, con una lunghezza massima di 65 metri.
Per fare un confronto: la massa della Stazione Spaziale Internazionale è di 417 tonnellate con una lunghezza di 109 metri.
1) Configurazione di lancio in orbita bassa.
2) 33° anno di volo, separazione della prima coppia di carri armati.
3) 67esimo anno di volo, separazione della seconda coppia di carri armati.
4) 100° anno di volo: arrivo al bersaglio a una velocità di 15-30 km/s.
Separazione dell'ultimo stadio, entrata in orbita permanente attorno a Beta Centauri.
Come l'ISS, il Longshot può essere assemblato utilizzando il metodo a blocchi in orbita terrestre bassa. Le dimensioni realistiche del veicolo spaziale consentono di utilizzare i veicoli di lancio esistenti nel processo di assemblaggio (per fare un confronto, il potente Saturn-V può trasportare un carico di 120 tonnellate a LEO alla volta!)
Va tenuto presente che il lancio di un motore termonucleare a impulsi nell'orbita vicina alla Terra è troppo rischioso e negligente. Il progetto Longshot prevedeva la presenza di blocchi booster aggiuntivi (motori a razzo chimici a propellente liquido) per ottenere la seconda e la terza velocità cosmica e ritirare la navicella dal piano dell'eclittica (il sistema Alpha Centauri si trova 61 ° sopra il piano di rotazione della Terra intorno al Sole). Inoltre, è possibile che a questo scopo sia giustificata una manovra nel campo gravitazionale di Giove - come le sonde spaziali che sono riuscite a fuggire dal piano dell'eclittica, utilizzando un'accelerazione "libera" in prossimità del pianeta gigante.
Epilogo
Tutte le tecnologie e i componenti di un'ipotetica nave interstellare esistono nella realtà.
Il peso e le dimensioni della sonda Longshot corrispondono alle capacità della moderna cosmonautica.
Se iniziamo a lavorare oggi, è molto probabile che entro la metà del XXII secolo i nostri felici pronipoti vedranno le prime immagini del sistema Alpha Centauri da vicino.
Il progresso ha una direzione irreversibile: ogni giorno la vita continua a stupirci con nuove invenzioni e scoperte. È possibile che tra 10-20 anni tutte le tecnologie sopra descritte ci compaiano sotto forma di campioni funzionanti realizzati a un nuovo livello tecnologico.
Eppure il percorso verso le stelle è troppo lontano perché abbia senso parlarne seriamente.
Il lettore attento ha probabilmente già attirato l'attenzione sul problema chiave del progetto Longshot. Elio-3.
Dove trovare cento tonnellate di questa sostanza, se la produzione annuale di elio-3 è di soli 60.000 litri (8 chilogrammi) all'anno ad un prezzo fino a $ 2.000 al litro ?! I coraggiosi scrittori di fantascienza ripongono le loro speranze nella produzione di elio-3 sulla Luna e nell'atmosfera dei pianeti giganti, ma nessuno può dare garanzie in merito.
Ci sono dubbi sulla possibilità di immagazzinare un tale volume di carburante e la sua fornitura dosata sotto forma di "compresse" congelate necessarie per alimentare un motore termonucleare pulsato. Tuttavia, come il principio stesso di funzionamento del motore: ciò che più o meno funziona in condizioni di laboratorio sulla Terra è ancora lontano dall'essere utilizzato nello spazio.
Infine, l'affidabilità senza precedenti di tutti i sistemi di sonde. I partecipanti al progetto Longshot scrivono direttamente su questo: la creazione di un motore che può funzionare per 100 anni senza fermarsi e riparazioni importanti sarà un'incredibile svolta tecnica. Lo stesso vale per tutti gli altri sistemi e meccanismi di sonde.
Tuttavia, non dovresti disperare. Nella storia dell'astronautica ci sono esempi di affidabilità senza precedenti di veicoli spaziali. I pionieri 6, 7, 8, 10, 11, così come i Voyager 1 e 2 - tutti loro hanno lavorato nello spazio per oltre 30 anni!
La storia dei propulsori a idrazina (motori di controllo dell'assetto) di questi veicoli spaziali è indicativa. La Voyager 1 è passata a un kit di ricambio nel 2004. A questo punto, il set principale di motori aveva funzionato in spazi aperti per 27 anni, dopo aver resistito a 353.000 avviamenti. È interessante notare che i catalizzatori del motore sono stati continuamente riscaldati fino a 300 ° C per tutto questo tempo!
Oggi, 37 anni dopo il lancio, entrambi i Voyager continuano il loro folle volo. Hanno lasciato da tempo l'eliosfera, ma continuano a trasmettere regolarmente alla Terra dati sul mezzo interstellare.
Qualsiasi sistema che dipende dall'affidabilità umana è inaffidabile. Tuttavia, dobbiamo ammettere: in termini di garanzia dell'affidabilità dei veicoli spaziali, siamo riusciti a ottenere determinati successi.
Tutte le tecnologie necessarie per l'implementazione della "spedizione stellare" hanno cessato di essere le fantasie degli scienziati che abusano dei cannabinoidi e sono state incarnate sotto forma di brevetti chiari e campioni funzionanti di tecnologia. In laboratorio - ma esistono!
Il progetto concettuale del veicolo spaziale interstellare Longshot ha dimostrato che abbiamo la possibilità di fuggire verso le stelle. Molte sono le difficoltà da superare su questo spinoso sentiero. Ma la cosa principale è che il vettore dello sviluppo è noto e la fiducia in se stessi è apparsa.
Maggiori informazioni sul progetto Longshot possono essere trovate qui:
Per l'inizio dell'interesse su questo argomento, esprimo la mia gratitudine a "Postino".
