Der kalte Glanz der Sterne ist am Winterhimmel besonders schön. Zu dieser Zeit werden die hellsten Sterne und Konstellationen sichtbar: Orion, Plejaden, Großer Hund mit blendenden Sirius …
Vor einem Vierteljahrhundert stellten sieben Offiziere der Marineakademie eine ungewöhnliche Frage: Wie nah ist die moderne Menschheit den Sternen? Die Recherche führte zu einem detaillierten Bericht, der als Project Longshot (Long Range Shot) bekannt ist. Ein Konzept eines automatischen interstellaren Raumschiffs, das in der Lage ist, die nächsten Sterne in angemessener Zeit zu erreichen. Keine Jahrtausende Flug und "Schiffe der Generationen"! Die Sonde soll die Umgebung von Alpha Centauri innerhalb von 100 Jahren nach ihrem Start ins All erreichen.
Hyperraum, Schwerkraft, Antimaterie und photonische Raketen … Nein! Das Hauptmerkmal des Projekts ist die Abhängigkeit von bestehenden Technologien. Laut den Entwicklern ermöglicht das Longshot-Design den Bau eines Raumschiffs bereits in der ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts!
Hundert Jahre Flug mit bestehenden Technologien. Eine unerhörte Kühnheit angesichts der Größenordnung kosmischer Entfernungen. Zwischen Sonne und Alpha Centauri liegt ein "schwarzer Abgrund" 4, 36 sv breit. des Jahres. Über 40 Billionen Kilometer! Die ungeheuerliche Bedeutung dieser Figur wird im folgenden Beispiel deutlich.
Wenn wir die Größe der Sonne auf die Größe eines Tennisballs reduzieren, passt das gesamte Sonnensystem auf den Roten Platz. Die Größe der Erde im gewählten Maßstab wird auf die Größe eines Sandkorns reduziert, während der nächste "Tennisball" - Alpha Centauri - auf dem Markusplatz in Venedig liegen wird.
Ein Flug nach Alpha Centauri mit einem konventionellen Shuttle oder einer Sojus-Raumsonde würde 190.000 Jahre dauern.
Eine schreckliche Diagnose klingt wie ein Satz. Sind wir dazu verdammt, auf unserem "Sandkorn" zu sitzen und nicht die geringste Chance zu haben, die Sterne zu erreichen? In populärwissenschaftlichen Zeitschriften gibt es Berechnungen, die belegen, dass es unmöglich ist, ein Raumschiff auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dies erfordert das "Verbrennen" aller Materie im Sonnensystem.
Und doch gibt es eine Chance! Project Longshot hat bewiesen, dass die Sterne viel näher sind, als wir uns vorstellen können.
Auf der Hülle der Voyager befindet sich eine Platte mit einer Pulsarkarte, die die Position der Sonne in der Galaxie sowie detaillierte Informationen über die Bewohner der Erde zeigt. Es wird erwartet, dass die Außerirdischen eines Tages diese "Steinaxt" finden und uns besuchen kommen. Aber wenn wir uns an die Besonderheiten des Verhaltens aller technologischen Zivilisationen auf der Erde und die Geschichte der Eroberungen Amerikas durch die Konquistadoren erinnern, kann man nicht mit "friedlichen Kontakten" rechnen …
Die Mission der Expedition
Erreiche das Alpha Centauri-System in hundert Jahren.
Im Gegensatz zu anderen "Raumschiffen" ("Daedalus") ging es beim "Longshot"-Projekt um den Eintritt in die Umlaufbahn des Sternensystems (Alpha und Beta Centauri). Dies erschwerte die Aufgabe erheblich und verlängerte die Flugzeit, ermöglichte aber eine detaillierte Untersuchung der Umgebung entfernter Sterne (im Gegensatz zu der Daedalus, die an einem Tag am Ziel vorbeigeflogen und spurlos in den Tiefen des Weltraums verschwunden wäre).
Der Flug wird 100 Jahre dauern. Weitere 4, 36 Jahre werden benötigt, um Informationen zur Erde zu übertragen.
Alpha Centauri im Vergleich zum Sonnensystem
Die Astronomen setzen große Hoffnungen auf das Projekt - im Erfolgsfall wird ihnen ein fantastisches Instrument zur Messung von Parallaxen (Abstände zu anderen Sternen) mit einer Basis von 4, 36 sv zur Verfügung stehen. des Jahres.
Auch ein jahrhundertealter Flug durch die Nacht wird nicht ziellos vergehen: Das Gerät wird das interstellare Medium untersuchen und unser Wissen über die äußeren Grenzen des Sonnensystems erweitern.
Zu den Sternen geschossen
Das größte und einzige Problem der Raumfahrt sind die kolossalen Entfernungen. Nachdem wir dieses Problem gelöst haben, werden wir den Rest lösen. Durch die Verkürzung der Flugzeit entfällt die Frage nach einer langfristigen Energiequelle und einer hohen Zuverlässigkeit der Schiffssysteme. Das Problem mit der Anwesenheit einer Person an Bord wird gelöst. Der kurze Flug macht aufwendige Lebenserhaltungssysteme und gigantische Vorräte an Nahrung/Wasser/Luft an Bord überflüssig.
Aber das sind ferne Träume. In diesem Fall ist es notwendig, innerhalb eines Jahrhunderts eine unbemannte Sonde zu den Sternen zu bringen. Wir wissen nicht, wie wir das Raum-Zeit-Kontinuum durchbrechen können, daher gibt es nur einen Ausweg: die Bodengeschwindigkeit des "Raumschiffs" zu erhöhen.
Wie die Berechnung zeigte, benötigt ein Flug nach Alpha Centauri in 100 Jahren eine Geschwindigkeit von mindestens 4,5% der Lichtgeschwindigkeit. 13500km/s.
Es gibt keine grundsätzlichen Verbote, die es Körpern im Makrokosmos erlauben, sich mit der angegebenen Geschwindigkeit zu bewegen, dennoch ist ihr Wert ungeheuer groß. Zum Vergleich: Die Geschwindigkeit des schnellsten Raumfahrzeugs (Sonde "New Horizons") nach dem Abschalten der Oberstufe betrug "nur" 16,26 km/s (58636 km/h) bezogen auf die Erde.
Longshot-Konzept-Raumschiff
Wie beschleunigt man ein interstellares Schiff auf Geschwindigkeiten von Tausenden von km / s? Die Antwort liegt auf der Hand: Sie brauchen einen Hochschubmotor mit einem spezifischen Impuls von mindestens 1.000.000 Sekunden.
Der spezifische Impuls ist ein Indikator für die Effizienz eines Strahltriebwerks. Abhängig von Molekulargewicht, Temperatur und Druck des Gases in der Brennkammer. Je größer die Druckdifferenz in der Brennkammer und in der äußeren Umgebung ist, desto größer ist die Geschwindigkeit des Ausströmens des Arbeitsmediums. Daher ist der Wirkungsgrad des Motors höher.
Die besten Beispiele moderner elektrischer Strahltriebwerke (ERE) haben einen spezifischen Impuls von 10.000 s; bei einer Ausströmgeschwindigkeit von Strahlen geladener Teilchen - bis zu 100.000 km / s. Der Verbrauch des Arbeitsfluids (Xenon / Krypton) beträgt wenige Milligramm pro Sekunde. Der Motor summt während des gesamten Fluges leise und beschleunigt das Fahrzeug langsam.
EJEs bestechen durch ihre relative Einfachheit, geringe Kosten und das Potenzial, hohe Geschwindigkeiten (zehn km/s) zu erreichen, aber aufgrund des geringen Schubwertes (weniger als ein Newton) kann die Beschleunigung zig Jahre dauern.
Eine andere Sache sind chemische Raketentriebwerke, auf denen die gesamte moderne Kosmonautik beruht. Sie haben einen enormen Schub (Zehner und Hunderter Tonnen), aber der maximale spezifische Impuls eines Dreikomponenten-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks (Lithium / Wasserstoff / Fluor) beträgt nur 542 s bei einer Gasaustrittsgeschwindigkeit von etwas mehr als 5 km / S. Das ist das Limit.
Flüssigtreibstoffraketen ermöglichen es, die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs in kurzer Zeit um mehrere km/s zu erhöhen, mehr sind sie aber nicht. Das Raumschiff benötigt einen Motor, der auf verschiedenen physikalischen Prinzipien basiert.
Die Macher von "Longshot" haben sich mehrere exotische Wege überlegt, inkl. "Lichtsegel", beschleunigt durch einen Laser mit einer Leistung von 3,5 Terawatt (die Methode wurde als nicht praktikabel erkannt).
Bis heute ist der einzige realistische Weg, die Sterne zu erreichen, ein gepulster nuklearer (thermonuklearer) Motor. Das Funktionsprinzip basiert auf der Laser-Thermonuklearen Fusion (LTS), die unter Laborbedingungen gut untersucht wurde. Konzentration einer großen Energiemenge in kleinen Materievolumina in kurzer Zeit (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) mit Trägheitsplasmaeinschluss.
Im Fall von Longshot kann von einer stabilen Reaktion der kontrollierten thermonuklearen Fusion keine Rede sein: Ein langfristiger Plasmaeinschluss ist nicht erforderlich. Um Jet-Schub zu erzeugen, muss der entstehende Hochtemperatur-Klumpen sofort durch das Magnetfeld über Bord des Schiffes „geschoben“werden.
Der Brennstoff ist ein Helium-3/Deuterium-Gemisch. Der erforderliche Treibstoffvorrat für einen interstellaren Flug wird 264 Tonnen betragen.
In ähnlicher Weise soll eine beispiellose Effizienz erreicht werden: In den Berechnungen beträgt der Wert des spezifischen Impulses 1,02 Mio. Sekunden!
Als Hauptenergiequelle für den Antrieb der Schiffssysteme – gepulste Triebwerkslaser, Lageregelungssysteme, Kommunikations- und wissenschaftliche Instrumente – wurde ein konventioneller Reaktor auf Basis von Uran-Brennelementen gewählt. Die elektrische Leistung der Anlage muss mindestens 300 kW betragen (thermische Leistung ist fast eine Größenordnung höher).
Aus Sicht der modernen Technologie ist die Schaffung eines Reaktors, der ein ganzes Jahrhundert lang nicht nachgeladen werden muss, nicht einfach, aber in der Praxis möglich. Bereits jetzt werden auf Kriegsschiffen nukleare Systeme eingesetzt, deren Kern eine der Lebensdauer von Schiffen entsprechende Lebensdauer (30-50 Jahre) aufweist. Auch die Leistung ist in Ordnung - zum Beispiel hat die Atomanlage OK-650 auf den Atom-U-Booten der russischen Marine eine thermische Leistung von 190 Megawatt und kann eine ganze Stadt mit 50.000 Einwohnern mit Strom versorgen!
Solche Installationen sind für den Weltraum übermäßig leistungsstark. Dies erfordert Kompaktheit und genaue Einhaltung der spezifizierten Eigenschaften. Zum Beispiel wurde am 10. Juli 1987 Kosmos-1867 gestartet - ein sowjetischer Satellit mit der Atomanlage Jenissei (Satellitenmasse - 1,5 Tonnen, Reaktorwärmeleistung - 150 kW, elektrische Leistung - 6, 6 kW, Lebensdauer - 11 Monate).
Damit ist der 300-kW-Reaktor, der im Longshot-Projekt verwendet wird, eine Frage der nahen Zukunft. Die Ingenieure haben selbst berechnet, dass die Masse eines solchen Reaktors etwa 6 Tonnen betragen würde.
Eigentlich hört hier die Physik auf und die Texte beginnen.
Probleme interstellarer Reisen
Zur Steuerung der Sonde wird ein Bordcomputerkomplex mit dem Zeug zur Künstlichen Intelligenz benötigt. Unter Bedingungen, bei denen die Signalübertragungszeit mehr als 4 Jahre beträgt, ist eine wirksame Kontrolle der Sonde vom Boden aus nicht möglich.
Auf dem Gebiet der Mikroelektronik und der Herstellung von Forschungsgeräten haben in letzter Zeit große Veränderungen stattgefunden. Es ist unwahrscheinlich, dass die Macher von Longshot im Jahr 1987 eine Vorstellung von den Fähigkeiten moderner Computer hatten. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieses technische Problem im letzten Vierteljahrhundert erfolgreich gelöst wurde.
Ähnlich optimistisch sieht die Situation bei Kommunikationssystemen aus. Zur zuverlässigen Übertragung von Informationen aus einer Entfernung von 4, 36 sv. Jahr wird ein Lasersystem benötigt, das im Tal der Welle von 0,532 Mikrometer und mit einer Strahlungsleistung von 250 kW betrieben wird. In diesem Fall für jedes Quadrat. Meter Erdoberfläche fallen 222 Photonen pro Sekunde, was viel höher ist als die Empfindlichkeitsschwelle moderner Radioteleskope. Die Informationsübertragungsrate aus der maximalen Entfernung beträgt 1 kbps. Moderne Radioteleskope und Weltraumkommunikationssysteme können den Datenaustauschkanal mehrfach erweitern.
Zum Vergleich: Die Sendeleistung der Voyager 1-Sonde, die derzeit 19 Milliarden Kilometer von der Sonne (17,5 Lichtstunden) entfernt ist, beträgt nur 23 W - wie eine Glühbirne im Kühlschrank. Dies reicht jedoch für die Telemetrieübertragung zur Erde mit einer Geschwindigkeit von mehreren kbit / s völlig aus.
Eine separate Leitung ist die Frage der Thermoregulation des Schiffes.
Ein Kernreaktor der Megawatt-Klasse und ein gepulster thermonuklearer Motor sind Quellen einer kolossalen Menge an thermischer Energie, außerdem gibt es im Vakuum nur zwei Möglichkeiten der Wärmeabfuhr - Ablation und Strahlung.
Die Lösung könnte darin bestehen, ein fortschrittliches System von Kühlern und Abstrahlflächen sowie einen wärmeisolierenden Keramikpuffer zwischen dem Motorraum und den Treibstofftanks des Schiffes zu installieren.
In der Anfangsphase der Reise benötigt das Schiff einen zusätzlichen Schutzschild gegen Sonneneinstrahlung (ähnlich wie auf der Orbitalstation Skylab). Im Bereich des Endziels – im Orbit des Beta-Centauri-Sterns – besteht zudem die Gefahr einer Überhitzung der Sonde. Es ist eine Wärmedämmung der Geräte und ein System zur Übertragung überschüssiger Wärme von allen wichtigen Blöcken und wissenschaftlichen Instrumenten auf strahlende Strahler erforderlich.
Ein Diagramm der Schiffsbeschleunigung im Zeitverlauf
Diagramm zur Geschwindigkeitsänderung
Der Schutz des Raumfahrzeugs vor Mikrometeoriten und kosmischen Staubpartikeln ist äußerst schwierig. Bei einer Geschwindigkeit von 4,5% der Lichtgeschwindigkeit kann jede Kollision mit einem mikroskopisch kleinen Objekt die Sonde ernsthaft beschädigen. Die Macher von "Longshot" schlagen vor, das Problem durch die Installation eines leistungsstarken Schutzschildes an der Vorderseite des Schiffes (Metall? Keramik?) zu lösen, der gleichzeitig ein Abstrahler für überschüssige Wärme war.
Wie zuverlässig ist dieser Schutz? Und ist es möglich, Sci-Fi-Schutzsysteme in Form von Kraft- / Magnetfeldern oder "Wolken" aus mikrodispersen Partikeln zu verwenden, die von einem Magnetfeld vor dem Schiff gehalten werden? Hoffen wir, dass die Ingenieure bis zur Erstellung des Raumschiffs eine angemessene Lösung finden.
Die Sonde selbst wird traditionell eine mehrstufige Anordnung mit abnehmbaren Tanks haben. Herstellungsmaterial von Rumpfstrukturen - Aluminium / Titanlegierungen. Die Gesamtmasse des montierten Raumfahrzeugs im erdnahen Orbit wird 396 Tonnen betragen, bei einer maximalen Länge von 65 Metern.
Zum Vergleich: Die Masse der Internationalen Raumstation ISS beträgt 417 Tonnen bei einer Länge von 109 Metern.
1) Startkonfiguration im erdnahen Orbit.
2) 33. Flugjahr, Trennung des ersten Panzerpaares.
3) 67. Flugjahr, Trennung des zweiten Panzerpaares.
4) 100. Flugjahr - Ankunft am Ziel mit einer Geschwindigkeit von 15-30 km / s.
Trennung der letzten Stufe, Eintritt in eine permanente Umlaufbahn um Beta Centauri.
Wie die ISS kann die Longshot mit der Blockmethode in einer erdnahen Umlaufbahn zusammengebaut werden. Die realistischen Abmessungen des Raumfahrzeugs ermöglichen es, vorhandene Trägerraketen im Montageprozess zu verwenden (zum Vergleich: Der mächtige Saturn-V kann eine Last von 120 Tonnen gleichzeitig zu LEO tragen!)
Es sollte berücksichtigt werden, dass der Start eines gepulsten thermonuklearen Triebwerks in eine erdnahe Umlaufbahn zu riskant und nachlässig ist. Das Longshot-Projekt sah das Vorhandensein zusätzlicher Booster-Blöcke (chemische Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke) vor, um die zweite und dritte kosmische Geschwindigkeit zu erreichen und das Raumfahrzeug aus der Ebene der Ekliptik zurückzuziehen (das Alpha Centauri-System befindet sich 61 ° über der Ebene von) Rotation der Erde um die Sonne). Es ist auch möglich, dass zu diesem Zweck ein Manöver im Gravitationsfeld des Jupiter gerechtfertigt wird - wie Raumsonden, die es geschafft haben, mit "freier" Beschleunigung in der Nähe des Riesenplaneten aus der Ebene der Ekliptik zu entkommen.
Epilog
Alle Technologien und Komponenten eines hypothetischen interstellaren Schiffes existieren in der Realität.
Gewicht und Abmessungen der Longshot-Sonde entsprechen den Fähigkeiten der modernen Kosmonautik.
Wenn wir heute mit der Arbeit beginnen, ist es sehr wahrscheinlich, dass unsere glücklichen Urenkel Mitte des XXII. Jahrhunderts die ersten Bilder des Alpha Centauri-Systems aus nächster Nähe sehen werden.
Der Fortschritt hat eine unumkehrbare Richtung: Der Alltag überrascht uns immer wieder mit neuen Erfindungen und Entdeckungen. Es ist möglich, dass in 10-20 Jahren alle oben beschriebenen Technologien in Form von Arbeitsmustern auf einem neuen technologischen Niveau vor uns erscheinen.
Und doch ist der Weg zu den Sternen zu weit, um ernsthaft darüber zu sprechen.
Auf das Kernproblem des Longshot-Projekts hat der aufmerksame Leser wohl schon aufmerksam gemacht. Helium-3.
Wo bekommt man hundert Tonnen dieser Substanz, wenn die Jahresproduktion von Helium-3 nur 60.000 Liter (8 Kilogramm) pro Jahr zu einem Preis von bis zu 2.000 Dollar pro Liter beträgt?! Mutige Science-Fiction-Autoren setzen ihre Hoffnungen auf die Produktion von Helium-3 auf dem Mond und in der Atmosphäre riesiger Planeten, aber dafür kann niemand eine Garantie geben.
Es bestehen Zweifel an der Möglichkeit, ein solches Kraftstoffvolumen und seine dosierte Zufuhr in Form von gefrorenen "Tabletten" zu speichern, die für den Antrieb eines gepulsten thermonuklearen Motors erforderlich sind. Doch wie das Funktionsprinzip des Triebwerks selbst: Was auf der Erde unter Laborbedingungen mehr oder weniger funktioniert, ist im Weltraum noch weit davon entfernt, eingesetzt zu werden.
Schließlich die beispiellose Zuverlässigkeit aller Tastsysteme. Die Teilnehmer des Longshot-Projekts schreiben direkt darüber: Die Schaffung eines Motors, der 100 Jahre ohne Unterbrechung und größere Reparaturen laufen kann, wird ein unglaublicher technischer Durchbruch sein. Gleiches gilt für alle anderen Tastsysteme und Mechanismen.
Sie sollten jedoch nicht verzweifeln. In der Geschichte der Raumfahrt gibt es Beispiele für eine beispiellose Zuverlässigkeit von Raumfahrzeugen. Pioneers 6, 7, 8, 10, 11, sowie Voyagers 1 und 2 - sie alle arbeiten seit über 30 Jahren im Weltraum!
Die Geschichte mit Hydrazin-Triebwerken (Lagekontrolltriebwerken) dieser Raumfahrzeuge ist bezeichnend. Voyager 1 wurde 2004 auf ein Ersatzkit umgestellt. Zu diesem Zeitpunkt hatte der Haupttriebwerkssatz 27 Jahre lang im Freien gearbeitet und 353.000 Starts überstanden. Bemerkenswert ist, dass die Motorkatalysatoren die ganze Zeit kontinuierlich auf bis zu 300 °C aufgeheizt wurden!
Heute, 37 Jahre nach dem Start, setzen beide Voyager ihren wahnsinnigen Flug fort. Sie haben die Heliosphäre längst verlassen, übermitteln aber weiterhin regelmäßig Daten über das interstellare Medium zur Erde.
Jedes System, das von menschlicher Zuverlässigkeit abhängt, ist unzuverlässig. Wir müssen jedoch zugeben: Bei der Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Raumfahrzeugen haben wir gewisse Erfolge erzielt.
Alle notwendigen Technologien für die Durchführung der "Sternenexpedition" sind nicht mehr die Fantasien von Wissenschaftlern, die Cannabinoide missbrauchen, sondern wurden in Form von klaren Patenten und Arbeitsmustern der Technologie verkörpert. Im Labor - aber es gibt sie!
Das konzeptionelle Design der interstellaren Raumsonde Longshot hat bewiesen, dass wir eine Chance haben, zu den Sternen zu entkommen. Auf diesem dornigen Weg gibt es viele Schwierigkeiten zu überwinden. Aber die Hauptsache ist, dass der Entwicklungsvektor bekannt ist und Selbstvertrauen aufgetaucht ist.
Weitere Informationen zum Longshot-Projekt finden Sie hier:
Für die Anregung des Interesses an diesem Thema bedanke ich mich bei "Postman".
