Călătorii interstelare

Un colector Bussard, una dintre multele metode posibile care ar putea servi drept propulsie a unei nave cosmice.

Călătoriile în cosmos se pot face cu nave spațiale cu sau fără oameni la bord. Exemple de zboruri spațiale umane includ programele Apollo Moon și Space Shuttle și programul rus Soyuz, precum și Stația Spațială Internațională în curs de dezvoltare. Exemple de stații spațiale fără pilot includ sondele spațiale care părăsesc orbita Pământului, precum și sateliți pe orbită în jurul Pământului, precum sateliții de comunicații. Acestea funcționează fie prin control telerobotic, fie sunt complet autonome.

Zborul în spațiu poate fi utilizat în explorarea spațială, precum și în activități comerciale precum turismul spațial și telecomunicațiile prin satelit. Utilizările suplimentare non-comerciale ale stațiilor spațiale includ observatoare cosmice, sateliți de recunoaștere și alți sateliți de observare a Pământului.

O misiune spațială începe de obicei cu o lansare de rachete, care oferă forța inițială de depășire a forței de gravitație și propulsează nava spațială de pe suprafața Pământului. Odată ajunsă în spațiu, mișcarea unei nave spațiale – atât atunci când este nepropulsată, cât și sub propulsie – este acoperită de aria de studiu denumită astrodinamică. Unele nave spațiale rămân în spațiu pe o perioadă nedefinită, altele se dezintegrează în timpul reintrării atmosferice, iar altele ating o suprafață planetară sau lunară pentru aterizare sau impact.

Călătoria interstelară este termenul folosit pentru călătoria ipotetică, cu sau fără echipaje, spre alte stele sau sisteme planetare. Călătoria interstelară va fi mult mai dificilă decât una interplanetară; distanțele dintre planete din Sistemul Solar sunt mai mici de 30 de unități astronomice (UA) – în timp ce distanțele dintre stele sunt de obicei sute de mii de UA și exprimate de obicei în ani-lumină. Datorită mărimii acestor distanțe, călătoria interstelară ar necesita un procent ridicat din viteza luminii, timp de călătorie uriaș (care poate dura de la câteva decenii până la milenii sau mai mult), sau o combinație a celor două.

Vitezele necesare pentru călătoria interstelară într-o viață umană depășesc cu mult ceea ce metodele actuale de propulsie a navelor spațiale poate oferi. Chiar și cu un sistem de propulsie ipotetic perfect eficient, energia cinetică care corespunde acelor viteze este enormă prin standardele actuale de producere a energiei. Mai mult decât atât, coliziunile navei spațiale cu praful cosmic și gazele pot produce efecte foarte periculoase atât pentru pasageri, cât și pentru nava spațială în sine.

Au fost propuse mai multe strategii pentru a rezolva aceste probleme, de la arcuri uriașe care să transporte întreaga societate și ecosistemul, la sonde microscopice. S-au propus multe sisteme de propulsie pentru nave spațiale pentru a oferi navelor spațiale vitezele necesare, inclusiv propulsia nucleară, propulsia cu fascicul de sarcină și metodele bazate pe fizica speculativă.

Pentru călătoriile interstelare echipate și fără echipaj, trebuie rezolvate provocări tehnologice și economice considerabile. Chiar și opiniile cele mai optimiste despre călătoriile interstelare consideră că nu sunt fezabile curând – opinia cea mai comună este că va fi nevoie de un secol sau mai mult. Cu toate acestea, în ciuda provocărilor, în cazul în care călătoria interstelară ar trebui să fie realizată vreodată, atunci ne putem aștepta la o gamă largă de beneficii științifice.

Cele mai multe concepte de călătorie interstelară necesită un sistem de logistică spațială dezvoltat, capabil să deplaseze milioane de tone metrice într-o locație de construcție/exploatare, iar majoritatea ar necesita o putere la scară de gigawatt pentru construcții sau putere (cum ar fi conceptele tip Star Wisp sau Light Sail). Un astfel de sistem ar putea crește organic dacă energia solară din spațiu ar deveni o componentă semnificativă a mixului energetic al Pământului.

Bussard a propus o variantă a unei rachete de fuziune capabilă să călătorească în mod rezonabil interstelar, folosind câmpuri electromagnetice enorme (variind de la kilometri până la multe mii de kilometri în diametru) ca o ramă masivă pentru a colecta și comprima hidrogenul din mediul interstelar. Vitezele mari forțează masa reactivă într-un câmp magnetic constrâns progresiv, comprimându-l până la producerea fuziunii termonucleare. Câmpul magnetic direcționează apoi energia ca evacuare a rachetelor opusă direcției de deplasare dorite, accelerând astfel vasul.

Prima propunere teoretică a călătoriei spațiale cu ajutorul rachetelor a fost publicată de un astronom scoțian și matematician, William Leitch, într-un eseu din 1861 „O călătorie prin spațiu„. Mai bine cunoscută (deși nu foarte larg în afara Rusiei) este lucrarea lui Konstantin Tsiolkovsky, „Iсследование мировых пространств реактивными приборами„, publicată în 1903.Călătoria în spațiu a devenit o posibilitate pentru inginerie odată cu publicarea lucrării lui Robert H. Goddard în 1919, „O metodă de atingere a altitudinilor extreme„. Aplicarea duzei Laval la rachetele cu combustibil lichid a îmbunătățit eficiența suficient pentru călătoria interplanetară pentru a deveni posibilă. De asemenea, el a demonstrat în laborator că rachetele vor funcționa în vid; totuși, lucrarea lui nu a fost luată în serios. Încercarea sa de a asigura un contract de armată pentru o armă cu propulsie cu rachete în primul război mondial a fost anulată de armistițiul din 11 noiembrie 1918 cu Germania.

Cu toate acestea, lucrarea lui Godard a avut o influență foarte mare asupra lui Hermann Oberth, care l-a influențat pe Wernher von Braun. Von Braun a devenit primul care a produs rachete moderne ca arme ghidate, comandate de Adolf Hitler. V-2 a fost prima rachetă care a ajuns în spațiu, la o altitudine de 189 kilometri, într-un zbor de încercare din iunie 1944.

Propunerea rachetelor lui Tsiolkovsky nu a fost pe deplin apreciată în timpul vieții sale, dar a influențat pe Serghei Korolev, care a devenit șeful de design al rachetelor Uniunii Sovietice sub Iosif Stalin, pentru a dezvolta rachete balistice intercontinentale spre a transporta arme nucleare ca măsură contra bombardamentelor americane. Derivatele rachetelor R-7 Semyorka ale lui Korolev au fost folosite pentru lansarea primului satelit artificial al Pământului, Sputnik 1, pe 4 octombrie 1957, și mai târziu primul om care a orbitat Pământul, Yuri Gagarin, în Vostok 1, la 12 aprilie 1961.

La sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, von Braun și cea mai mare parte a echipei sale de rachete s-au predat în Statele Unite și au fost expatriați să lucreze la rachete americane la ceea ce a devenit Agenția de rachete balistice a Armatei. Dezvoltarea de rachete precum Juno I și Atlas a permis lansarea primului satelit american Explorer 1 pe 1 februarie 1958 și primul american pe orbită, John Glenn, în Friendship 7, pe 20 februarie 1962.

Primul zbor uman în spațiu a fost lansat de Uniunea Sovietică pe 12 aprilie 1961 ca parte a programului Vostok, la bordul căruia se afla cosmonautul Yuri Gagarin. Cosmonauți au fost prezenți continuu în spațiu timp de 17 ani și 90 de zile pe Stația Spațială Internațională. Toate navele spațiale timpurii au fost echipate, cel puțin unii dintre pasageri au acționat pentru a îndeplini sarcini de pilotare sau de operare a navei spațiale. După anul 2015, mai multe nave spațiale cu capacitate umană au fost concepute în mod explicit cu abilitatea de a funcționa autonom.

De la retragerea SUA din consorțiul spațial în 2011, doar Rusia și China au menținut capacitatea umană în spațiu prin programul Soyuz și programul Shenzhou. În prezent, toate expedițiile către Stația Spațială Internațională utilizează vehiculele Soyuz, care rămân atașate la stație pentru a permite revenirea rapidă dacă este necesar. Statele Unite dezvoltă transportul echipajului comercial pentru a facilita accesul intern la SSI și orbita joasă a Pământului, precum și vehiculul Orion pentru aplicații pe orbită dincolo de Pământ.

În timp ce spațiul aerian a fost în mod tipic o activitate guvernamentală, spațiul spațial comercial a preluat treptat un rol mai important. Primul zbor privat a avut loc la 21 iunie 2004, când SpaceShipOne a efectuat un zbor suborbital și o serie de companii neguvernamentale au lucrat pentru dezvoltarea unei industrii turistice spațiale. NASA a jucat, de asemenea, un rol de stimulare a zborului spațial privat prin programe cum ar fi serviciile comerciale orbitale de transport (COTS) și dezvoltarea echipajului comercial (CCDev). Cu propunerile sale privind bugetul pe 2011 publicate în 2010, administrația Obama s-a mutat spre un model în care companiile comerciale ar furniza NASA servicii de transport atât pentru transportul de persoane, cât și pentru transportul de mărfuri către o orbită a Pământului. Vehiculele utilizate pentru aceste servicii ar putea servi atât NASA, cât și clienților comerciali potențiali. Reaprovizionarea comercială a SSI a început la doi ani după retragerea navetei, iar lansarea echipajului comercial ar putea începe până în curând.

Concepte teoretice

Călătorie mai rapidă decât lumina

Oamenii de știință și autori au postulat o serie de moduri prin care ar fi posibil să se depășească viteza luminii, dar chiar și cele mai serioase dintre acestea sunt foarte speculative.

De asemenea, este discutabil dacă călătoria mai rapidă decât lumina este posibilă din punct de vedere fizic, în parte datorită preocupărilor legate de cauzalitate: călătoria mai rapidă decât lumina poate, în anumite condiții, să permită călătoria înapoi în timp, în contextul relativității speciale. Mecanismele propuse pentru călătorii mai rapide decât lumina în cadrul teoriei relativității generale necesită existența unei materii exotice și nu se știe dacă aceasta ar putea fi produsă în cantități suficiente.

Unitatea Alcubierre

În fizică, Unitatea Alcubierre se bazează pe un argument, în cadrul relativității generale și fără introducerea găurilor de vierme, că este posibil să se modifice un spațiu într-un mod care să permită unei nave spațiale să călătorească cu o viteză arbitrar de mare prin o extindere locală a spațiului în spatele navei spațiale și o contracție opusă în fața ei. Cu toate acestea, acest concept ar necesita ca nava spațială să încorporeze o regiune de materie exotică sau un concept ipotetic de masă negativă.

Gaură neagră artificială

O idee teoretică ce ar permite călătoria interstelară este prin propulsarea unei nave prin crearea unei găuri negre artificiale și utilizarea unui reflector parabolic pentru a reflecta radiația Hawking. Deși dincolo de capacitățile tehnologice actuale, o navă de găuri negre oferă câteva avantaje în comparație cu alte metode posibile. Obținerea găurii negre pentru a acționa ca o sursă de energie și propulsie necesită, de asemenea, o modalitate de a transforma radiația Hawking în energie și propulsie. O metodă potențială implică plasarea găurii în punctul focal al unui reflector parabolic atașat navei, creând o forță de tracțiune înainte. O metodă ceva mai ușoară, dar mai puțin eficientă, ar implica pur și simplu absorbția tuturor radiațiilor gamma care se îndreaptă spre partea din față a navei pentru a o împinge și apoi a lăsa reziduurile în spate.

Găurile de vierme

Găurile de vierme reprezintă distorsiuni conjectuale în spațiu, pe care teoreticienii le postulează că ar putea conecta două puncte arbitrare în univers, pe o punte Einstein-Rosen. Nu se știe dacă găurile de vierme sunt posibile în practică. Deși există soluții pentru ecuația relativității generale Einstein care permit găurile de vierme, toate soluțiile actuale cunoscute implică o ipoteză, de exemplu existența unei mase negative, care poate fi nefizică. Totuși, Cramer și colab. susțin că astfel de găuri de vierme ar fi putut fi create în universul timpuriu, și stabilizate de corzile cosmice. Teoria generală a găurilor de vierme este discutată de Visser în cartea Găuri de vierme lorentziene.