Скільки часу займе подорож до найближчої зорі?

Ми дуже часто задавали це запитання на протязі всього розвитку космічних технологій і продовжуємо задавати: Як довго нам прийдеться летіти до найближчої зорі? Чи зможемо ми на протязі нашого життя здійснити подібну подорож? В науковій фантастиці людство вже давно побувало в далеких областях нашої галактики, та от в реальному житті потрібно врахувати багато факторів, перш ніж кудись вирушити.

Нажаль, подобається нам чи ні, здійснити космічну подорож просто зараз ми не в змозі через обмеження наших технологій. Але якщо ми коли-небудь заплануємо подорож до іншої зіркової системи, то вже повинні розглядати варіанти і таких на даний момент є цілий ряд. Однак, щоб відправитись у таку подорож, нам потрібно провести теоретичні розрахунки часу польоту хоча б до найближчої до нашої системи зорі – Проксіми Центавра.

Найближча зоря:

Проксіма Центавра знаходиться на відстані 4,24 світлових років від нас в потрійній зірковій системі Альфи Центавра. Проксіма Центавра на 0,13 світлового року ближче до нас від інших двох зір, але являється найтьмянішою, вона червоний карлик.

Проксима Центавра

Подорож до Проксіми Центавра зі швидкістю світла зайняла б у нас близько 4 років і трьох місяців, але чи зможемо ми досягти такої швидкості? Якщо ні, то яку саме швидкість ми зможемо розвити на сьогоднішній день?

Сучасні існуючі методи:

Сьогодні космічні зонди землян літають по Сонячній системі і збирають дані про її створення, та наше походження. Не так давно космічний апарат «Нові обрії» показав нам Плутон у високій якості, і надіслав таку кількість даних, що вчені ще довго будуть їх вивчати та дізнаватися щось нове про цю віддалену карликову планету. Зі швидкістю цього апарату, який було обладнано 16 гідразиновими двигунами, досягти Місяця ми змогли б за 8 годин і 35 хвилин.

З іншої сторони, зі швидкістю запущеного в 2003 році апарату «Смарт-1», який працює на сучасному типі двигунів – іонний двигун (подібний використовується в апараті «Світанок», який досліджує Весту), ми змогли б досягти поверхні нашого природного супутника за 1 рік, 1 місяць і два тижні.

Отже на сьогоднішній день ми маємо декілька розвинених технологій, однак вони мають свої особливості і поможуть подорожувати лише по нашій системі, і це при революційних змінах для досягнення більшої швидкості. Такі зміни теоретично можливі, так як і нові методи подорожей космічним простором.

Іонна тяга:

Іонний двигун на даний момент, це найповільніший спосіб руху в космосі, однак найекономніший. Декілька десятків років тому іонний двигун взагалі являвся вигадкою наукової фантастики, але із розвитком технологій його вдалося сконструювати і навіть почати вдало використовувати, тому не варто одразу списувати його із рахунків. Тим паче, у космосі за відсутності опору швидкість будь-якого апарату тільки зростає. Так, перший апарат на іонному двигуні – «Deep Space 1», який в 1998 році був відправлений досліджувати комету Борреллі, зумів розвити швидкість 56000 км/год на момент проходу біля комети.

Скільки часу займе подорож до найближчої зорі?

Припускаючи це як максимальну швидкість іонних двигунів (без використання гравітаційних рогаток) можна зробити приблизні розрахунки. При швидкості 56000 км/год ми змогли б досягти Проксіми Центавра (4,24 с.р.) за 81000 років. Це близько 2700 людських поколінь.

Однак, можливо при збільшенні потужності іонних двигунів вдалося б швидше здійснити цю подорож, але навряд чи це вийде здійснити протягом одного покоління.

Гравітаційний маневр:

Гравітаційний маневр дозволяє розганяти космічний апарат під дією гравітаційних полів небесних тіл. Так, апарат Марінер-10 в 1970-х роках досяг Меркурія за рахунок гравітаційного поля Венери, а Вояджер-1 в 1980-х за рахунок Юпітера і Сатурна зміг розвити швидкість 60000 км/год, яка дозволила йому на сьогоднішній день дістатися до околиць нашої Сонячної системи.

Гравітаційний маневр

Однак, поки що найбільшу швидкість за допомогою методу гравітаційного маневру зумів розвити апарат Геліос-2, який за рахунок гравітаційного поля Сонця досяг рекордної швидкості 240000 км/год.

Виходячи із вище сказаного, можемо розрахувати нашу теоретичну подорож до Проксіми Центавра. Так, при швидкості «Вояджер-1» – 60000 км/год ми б летіли до зорі 76000 років (понад 2500 поколінь), а при швидкості «Геліос-2» (240000 км/год) – 19000 років (понад 600 поколінь). Вже краще, але все одно ще дуже довго.

Електромагнітний двигун:

Інший гіпотетичний метод міжзіркових подорожей полягає у використанні на космічному апараті електромагнітного двигуна. Запропонована в 2001 році інженером Роджером Шоєром технологія полягає у використанні генерованих магнетроном мікрохвиль. Енергія коливань накопичується в резонаторі високої добротності. По даним дослідження, проведеного в 2013 році, такий резонатор може працювати за допомогою створення віртуального плазмового тороїда, який реалізує тягу за допомогою магнітної гідродинаміки при квантових коливаннях вакууму.

Електромагнітний двигун

В 2015 році нове дослідження підтвердило працездатність електромагнітного двигуна для космічних апаратів. Проведені розрахунки показали, що за його допомогою до Місяця можна долетіти за чотири години, до Марса за 70 днів, а до Плутона всього за 18 місяців. Це 1/6 часу, затраченого апаратом «Нові обрії», який рухався зі швидкістю 56000 км/год.

Звучить захоплююче, чи не так? Однак, навіть при використанні електромагнітного двигуна, летіти до найближчої зорі нам доведеться 13000 років. А цього все одно замало.

Атомно-електричний двигун:

Ще один гіпотетичний метод космічних перельотів – використання атомних двигунів, концепцію якого НАСА розробляє вже кілька десятків років. Атомний двигун працює на атомній енергії, яка виділяється під час керованої ланцюгової реакції поділу важких атомних ядер (урану чи плутонію). Атомний двигун поєднує в собі ядерний реактор і паротурбінну або газотурбінну уставу, яка використовує тепло, що відводиться з активної зони реактора.

Атомно-електричний двигун включає в себе ті ж самі перетворення, тільки отримані тепло та енергія перетворюються в електричну для живлення електричного двигуна.

Атомно-електричний двигун

В обох випадках для руху космічного корабля використовується енергія від поділу/злиття ядер, а не хімічні пропеленти, які були оплотом космічних агентств усі ці роки. Це дає ряд переваг, безлімітна енергія, більша потужність та компактність, порівняно з ракетним паливом, що дозволить зменшити стартову масу та зекономити на кількості ступенів ракети-носія.

І хоча на даний момент не існує будь-якого прототипу атомного двигуна для космічних кораблів, проектів таких двигунів існує достатньо. Розроблювана концепція атомного двигуна НАСА показала максимальний питомий імпульс 5000 секунд (Н • с/кг). З подібним показником атомний двигун дозволить космічному кораблю дістатися Марсу за 90 днів. До Проксіми Центавра ж ми змогли б дістатися всього за 1000 років. Цього буде достатньо для міжпланетних подорожей, та от для між зіркових навряд чи підійде.

Теоретичні методи:

Окрім використовуваних та розроблюваних методів, існують також теоретичні, які можливо в майбутньому допоможуть нам подорожувати між зірковими системами.

Ядерно-імпульсний двигун:

Ядерно-імпульсний двигун теоретичний метод швидких подорожей глибоким космосом. Концепція двигуна була запропонована в 1955 році польсько-американським математиком Станіславом Улама, який був одним із учасників Манхеттенського проекту. Фактична розробка проекту – більш відомого як Проект Оріон, розпочалась в 1958 році і продовжувалась до 1963 року.

Ядерно-імпульсний двигун

В основу роботи двигуна покладено використання енергії ядерного вибуху. Ядерний заряд невеликого еквіваленту викидається із космічного корабля в протилежному напрямку до його руху і вибухає на невеликій відстані від нього (до 100 м). Більша частина продуктів вибуху у вигляді розширюваного плазмового фронту, що рухається з релятивістськими швидкостями, передає імпульс кораблю за рахунок масивної стінки покритої шаром графіту.

По теоретичним розрахункам подібний космічний корабель зможе досягати швидкості 5% від швидкості світла (15 000 км/с). Така швидкість дозволить нам долетіти до Проксіми Центавра приблизно за 85 років. Однак, варто відмітити, що створення подібного космічного корабля буде коштувати величезні гроші. Тим паче, 75% усієї маси корабля буде приходитись на мегатонні заряди, що зменшує його корисне навантаження.

Термоядерний ракетний двигун:

Перспективний ракетний двигун для космічних польотів, в якому для створення тяги передбачається використовувати витікання продуктів керованої термоядерної реакції або робочого тіла, нагрітого за рахунок енергії термоядерної реакції. Концепція подібного двигуна передбачає вироблення енергії під час згорання гранул дейтерію/гелію-3 з інерційним утримуванням за допомогою електронних пучків. Такий реактор буде підривати 250 гранул дейтерію в секунду для створення високоенергетичної плазми. Розширювана плазма буде витікати із відкритої частини реактора через сопло, що створить реактивну тягу.

Термоядерний ракетний двигун

По теоретичним розрахункам початкова швидкість космічного корабля з подібним двигуном буде досягати 10600 км/с, а через 1,8 року польоту вона може зрости до 36000 км/с (12% від швидкості світла). При такій швидкості долетіти до Проксіми Центавра можна буде за 36 років. Однак, побідна технологія ще потребує доробок і багаторічного практичного випробування, а враховуючи, що запуск такого корабля буде коштувати $5 млрд, невідомо чи технологію коли-небудь задіють.

Сонячне вітрило:

Сонячне вітрило вже довгий час вважається ефективним способом дослідження Сонячної системи. Окрім відносно простого та дешевого створення технології, вона має ще одну перевагу – відсутність пального. Замість якого вітрило використовує сонячний вітер (потік елементарних частинок і йонів), який підштовхує великі ультра тонкі дзеркала з величезною швидкістю.

Сонячне вітрило

Оскільки за межами Сонячної системи швидкість сонячного вітру наближається до 0, то в проекті міжзіркового космічного корабля з вітрилом запропоновано використовувати лазерну установку на будь-якому астероїді для його розгону. І хоча це створює нові ускладнення – точне наведення лазеру на надзвичайно далеких відстанях та й саме створення потужного лазеру.

Початкова швидкість космічного корабля з сонячним вітрилом може складати 15% від швидкості світла, але наступні теоретичні дослідження показали, що з достатньо потужним лазером її можна буде розвити до 50% від швидкості світла менше ніж за 10 років, при чому це буде напряму залежати від діаметру сонячного вітрила. З розрахунку використання сонячного вітрила діаметром 320 км дістатися Проксіми Центавра можна буде за 12 років, а з вітрилом в діаметрі 965 км – всього за 9 років.

Це вже набагато краще і враховуючи можливість створення подібного апарату це досить гарний варіант. Хоча дивлячись на розміри потрібного нам вітрила і на те, що воно має бути створене із сучасних композитних надміцних матеріалів, коштувати подібна технологія буде ой як багато.

Фотонний двигун:

Фанати наукової фантастики будуть раді почути, що двигун на антиречовині може бути втілений у реальному житті. Суть його полягає у використанні виділених при анігіляції частинок речовини і антиречовини фотонів, які, маючи імпульс, при витіканні із двигуна створять реактивну тягу. По теоретичним розрахункам фотонний двигун може розвинути швидкість близьку до швидкості світла.

Фотонний двигун

Подібний двигун має ряд переваг над іншими двигунами, зокрема це мала кількість палива, за рахунок чого стартова маса всього космічного корабля може бути значно зменшена. По факту, 200 грам речовини і антиречовини виділять енергію рівну 10-мегатонної водневої бомби. Однак, для досягнення найближчої зорі кількість антиречовини все одно потрібно буде досить багато, а її отримання являється проблемою. До того ж не вирішена проблема повної анігіляції речовини-антиречовини та створення потрібного «дзеркала», яке змогло б добре відбивати продукти анігіляції.

Припускаючи, що в майбутньому фотонний двигун таки буде сконструйований і дозволить рухатись хоча б зі швидкістю 150000 км/с, можемо розрахувати, що для досягнення Проксіми Центавра нам знадобиться всього 8 років.

Двигун викривлення:

Двигун викривлення (warp drive) є гіпотетичним припущенням двигуна, що дає можливість рухатися швидше від світла. Такий тип двигуна часто згадується у науковій фантастичній літературі на зразок Зоряного шляху. Теоретичне обґрунтування рішення проблеми руху на надсвітлових швидкостях, що модулює основи двигуна викривлення, було сформульовано фізиком Мігелем Алькуб’єрре у 1994 році.

Рух вище швидкості світла неможливий для об’єктів у нормальному просторі-часі. Однак замість переміщення вище швидкості світла у межах локальної системи координат космічний корабель може рухатися, стискаючи простір перед собою та розширюючи його позаду, що дозволяє йому фактично переміщатися з будь-якою швидкістю, і навіть швидше світла. Таким чином, корабель рухається у гіпер-релятивістському локально-динамічному просторі.

Двигун викривлення

Використовуючи такий двигун, над яким в теорії займаються у НАСА, ми змогли б дістатися Проксіми Центавра менше чим за 4 роки. Отже, серед теоретичних технологій Двигун викривлення виявляється найкращим, та чи зможемо ми коли-небудь його побудувати? А враховуючи що метод Алькуб’єрре може порушувати принципи Теорії Всього, яку ще навіть не доведено, взагалі невідомо чи він має право на життя.

Отже, якщо ви планували найближчими роками відправитись у космічну подорож до найближчої зорі, ви будете дуже розчаровані, так як існуючі технології цього не дозволять, а розроблювані в теорії технології як мінімум будуть потребувати багаторічних випробувань, якщо взагалі дадуть позитивні результати. Однак, можемо порадуватись за декілька наступних поколінь, які скоріш за все зможуть бувати у космосі, як мінімум, частіше за нас.