Διαστρικά ταξίδια με τη…φυσική

Τα διαστρικά ταξίδια διαχρονικά εξάπτουν τη φαντασία των ανθρώπων κυρίως όμως παραγωγών ταινιών και τηλεοπτικών σειρών επιστημονικής φαντασίας. Τι λέει όμως η φυσική για όλα αυτά που ακούμε και βλέπουμε; Βαρύγδουπη ορολογία όπως γεννήτριες ιόντων, γεννήτριες φωτονίων, γεννήτριες αντιύλης και άλλα θαυμαστά που καθιστούν τα ταξίδια από αστέρι σε αστέρι Σύνταγμα – Κηφησιά με σχετικιστικές ταχύτητες άνω των 0,9c.

Ας προσεγγίσουμε όμως την πραγματικότητα και όχι τον εξωπλανήτη Kepler 452b στα 1400 ε.φ. Στόχος μας ο κοντινότερος εξωπλανήτης στο αστρικό σύστημα α Κενταύρου στα 4,344 ε.φ. Ο α Κενταύρου λόγω της εγγύτητας στο ηλιακό μας σύστημα είναι το διασημότερο αστρικό σύστημα. Αποτελείται βασικά από δύο νάνους αστέρες τον α Centauri A και τον α Centauri B που περιφέρονται γύρω από το κέντρο μάζας τους με περίοδο 80 χρόνια. Στο σύστημα πιθανόν ανήκει και ο πιό απομακρυσμένος αστέρας α Centauri c ο οποίος είναι πιό κοντά στο ηλιακό μας σύστημα στα 4.2 ε.φ. Επειδή είναι το πιό κοντινό αστέρι στο ηλιακό μας σύστημα ονομάζεται εγγύτατος Κενταύρου – Proxima Centauri. Τον Αύγουστο του 2016 με φασματοσκοπία Doppler ανακαλύφθηκε ο πολυαναμενόμενος εξωπλανήτης γύρω από τον εγγύτατο, ο Proxima Centauri b. Ο εξωπλανήτης είναι περίπου σαν τη γη και περιφέρεται σε απόσταση μόλις 7.284.000 km από το άστρο του κάθε 11,1868 ημέρες. Επίσης βρίσκεται στην κατοικίσημη ζώνη του άστρου του που σημαίνει ότι οι συνθήκες που επικρατούν είναι τέτοιες ώστε να μπορεί να υποστηρίξει υγρό νερό στην επιφάνειά του και ατμόσφαιρα.  Πριν ακόμα ανακαλυφθεί ο Proxioma Centauri b είχε ξεκινήσει η συζήτηση για το πώς μπορούμε να φτάσουμε στο σύστημα α Κενταύρου. Μετά την ανακάλυψη ακολούθησαν συγκεκριμένοι σχεδιασμοί που θα δούμε πιό κάτω.

Να πούμε ακόμα γενικά για τα διαστρικά ταξίδια ότι οι αποστάσεις από αστέρι σε αστέρι και από πλανήτη σε πλανήτη ειναι τεράστιες. Ο επόμενος εξωπλανήτης μετά τον Proxima Centauri b βρίσκεται στα 12 ε.φ. Το πιό ενδιαφέρον πλανητικό σύστημα είναι αυτό γύρω από τον αστέρα TRAPPIST – 1 στα 39 ε.φ. Αποτελείται από 7 εξωπλανήτες εκ των οποίων οι 3 ανήκουν στην κατοικίσημη ζώνη. Όπως θα δούμε όμως στα 39 ε.φ δε μπορεί σήμερα και για τα επόμενα 100.000 χρόνια τουλάχιστον  να φτάσει επανδρωμένη αποστολή στο σύστημα  σε λιγότερα από 100 χρόνια. Πριν μπούμε στο κυρίως μενού να συμπληρώσω ότι οι φυσικοί νόμοι είναι παγκόσμιοι και αναλλοίωτοι θέτοντας ορισμένα όρια στην εφαρμογή τους.

Οι διαστημικές πτήσεις γενικά χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, μη επανδρωμένες και επανδρωμένες. Στις μη επανδρωμένες πτήσεις μπορούμε να οδηγήσουμε την υφιστάμενη τεχνολογία στα άκρα. Στις επανδρωμένες όμως τα πράγματα αλλάζουν ριζικά. Ενώ στις μη επανδρωμένες πτήσεις μπορούμε να απαιτήσουμε επιταχύνσεις χιλιάδες “τζι”, στις επανδρωμένες μία επιτάχυνση ίση με g είναι λογική καθώς δίνει και την απαιτούμενη τεχνητή βαρύτητα. Στιγμιαία μπορούν να εφαρμοστούν μεγαλύτερες επιταχύνσεις το πολύ όμως 3g. Οι πιλότοι Formula – 1 εκπαιδεύονται πολύ σκληρά για να αντέξουν τα 3g στις στροφές και τα 7,5g σε φρενάρισμα. Πέραν αυτού όμως όταν εμπλέκεται ο παράγοντας άνθρωπος. Πέραν των φυσικών νόμων, πέραν της άριστης προφύλαξης από την κοσμική ακτινοβολία έχουν σοβαρό λόγο η βιολογία, η ηθική και η ψυχολογία. Για παράδειγμα έχει αναπτυχθεί αλγόριθμος που υπολογίζει πόσα ζευγάρια πρέπει να μπουν σε ένα διαστημόπλοιο ώστε αυτοί και οι απόγονοί τους να περιπλανώνται στο διάστημα για 6300 χρόνια πχ. Ο αλγόριθμος λαμβάνει υπόψη ποιος μπορεί να ζευγαρώσει με ποιάν(πρωτοξάδελφα κλπ), βιολογική αντοχή, θανάτους από αρρώστειες κλπ. 6300 χρόνια διαρκεί σε λογικά επίπεδα μία επανδρωμένη πτήση στον α Κενταύρου. Ο υπολογιστής πρότεινε ότι πρέπει να ξεκινήσουν τουλάχιστον 49 ζευγάρια. Στις μη επανδρωμένες πτήσεις θα μπορούσαμε να συμπεριλάβουμε και τα διαστημόπλοια που βγαίνουν από το ηλιακό σύστημα και κινούνται ανεξέλεγκτα στο διάστημα μη έχοντας επικοινωνία με τη γη. Προφανώς όμως οι πτήσεις αυτές δεν έχουν κανένα επιστημονικό ενδιαφέρον. Αν εν πάσει περιπτώσει το Voyager 1 κατευθυνόταν στον α Κενταύρου με τα 60.000 km/h που έχει θα έφτανε εκεί σε 4,2 ε.φ/60000 km/h = (4,2×9,5×10¹² km)/60.000 km/h = 665.000.000 h = 76.000 χρόνια. Υπολογίστε τώρα σε πόσα χρόνια το Voyager 1 θα βγεί από τον γαλαξία μας μετά από διάστημα 50.000 ε.φ και σε πόσα χρόνια θα φτάσει στο κοντινό γαλαξία της Ανδρομέδας στα 2.500.000 ε.φ.

Τώρα θα επιχειρήσουμε να ταξιδέψουμε στον Proxima Centauri b με όλες τις δυνατές τεχνολογίες μέσα σε 20 χρόνια περίπου. Ταχύτητα υ = 4,2c/20 = 0,21c. Όμως πρέπει να επιταχύνουμε σε 0,21c και μετά να επιβραδύνουμε σχεδόν στο μηδέν για να γίνει το διαστημόπλοιο δορυφόρος του στόχου του, έτσι έχουμε συνολική Δυ = 0,42c.  Οι πύραυλοι που έχουμε στη διάθεσή μας  προωθούνται με βάση τον 3ο νόμο του Νεύτωνα και την αρχή διατήρησης της ορμής. Οι συνήθεις πύραυλοι έχουν κάποιο προωθητικό που είται καίγεται με τα καυσαέρια να εξέρχονται απο ακροφύσιο, είτε είναι πλάσμα που εξέρχεται είτε ιόντα ενός είδους. Αυτό που μας ενδιαφέρει είναι η αύξηση Δυ της ταχύτητας του οχήματος ανά kg μάζας πυραύλου(Η διάσημη Δυ της διαστημικής γνωστή παγκοσμίως με το Ελληνικότατον delta – V). Όσο μεγαλύτερη είναι η Δυ για 1kg διάφορων προωθητικών τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση του κινητήρα.

ΕΞΙΣΩΣΗ Tsiolkovsky

Θα βρούμε τη βασική εξίσωση της διαστημικής με απλούστατο τρόπο και θα γενικεύσουμε. Έστω m + Δm η αρχική μάζα ενός ακίνητου πυραύλου μαζί με το προωθητικό. Ο κινητήρας εξάγει μάζα Δm με ταχύτητα V_e και ο πύραυλος αποκτά ταχύτητα dυ. Αρχή διατήρησης ορμής: 0 = mdυ + dmV_e => dυ = – V_edm/m και με ολοκλήρωση:  Δυ = V_eln(m_i/m_f) (1) όπου m_i η αρχική μάζα του πυραύλου με το προωθητικό και m_f η τελική μάζα χωρίς προωθητικό. (1) => m_i/m_f = e^Δυ/V_e (2)

H (1) μας λέει ότι όσο μικρότερη είναι η μάζα του πυραύλου και όσο μεγαλύτερη η μάζα του προωθητικού τόσο μεγαλύτερη είναι η Δυ. Η (2) με το καλημέρα δίνει πέναλτυ και κόκκινη κάρτα στα επανδρωμένα διαστρικά ταξίδια και χωρίς το VAR. Η ταχύτητα εξόδου καυσαερίων στους χημικούς πυραύλους δεν ξεπερνά τα 5 km/s ενώ με αντιδραστήρες σύντηξης λίγο πάνω από 1000 km/s . Από (2) => m_i = e^{0,42×300.000/1000} => m_i = e¹²⁶ kg = 10⁵⁵ kg δηλαδή όση είναι η μάζα του σύμπαντος!!!(το m_f προφανώς είναι αμελητέο). Φανταστείτε πόσα σύμπαντα βενζίνη χρειάζεται ενας χημικός πύραυλος για να φτάσει στον α Κενταύρου σε διάστημα μικρότερο των 100 χρόνων.

ΔΙΑΘΕΣΙΜΕΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ

Θα επανέλθουμε στα διαστρικά ταξίδια χωρίς την ενοχλητική εξίσωση Tsiolkovsky. Ας κάνουμε όμως μιά αναφορά στις σημερινές ή λίγο μελλοντικές δυνατότητες πρόωσης οι οποίες βελτιώνουν τις αποδόσεις των χημικών πυραύλων για πιό σύντομα ταξίδια στο ηλιακό μας σύστημα. Οι χημικοί πύραυλοι είναι μηχανές εσωτερικής καύσης και λίγο πολύ η λειτουργία και οι δυνατότές τους είναι γνωστές. Πάμε παρακάτω με δεδομένο ότι καμία από τις τεχνολογίες που θα αναφέρουμε δεν επαρκεί για διαστρικά ταξίδια.

Προωθητήρες ιόντων

Οι προωθητήρες ιόντων είναι ένας τύπος ηλεκτρικών κινητήρων, δηλαδή χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια για να δημιουργήσουν ώθηση, η ηλεκτρική ενέργεια εξασφαλίζεται από ηλιακά πάνελ ή πυρηνικούς αντιδραστήρες.  Ένα αδρανές αέριο(Xe, Ar, Cr) ιονίζεται και τα ιόντα επιταχύνονται είτε από ομογενές ηλεκτρικό πεδίο(F=Eq) ή από μαγνητικό πεδίο(δύναμη Lorenz). To ηλεκτρικό πεδίο επιταχύνει μόνο θετικά ιόντα ενώ το μαγνητικό θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια(πλάσμα). Η πολύ μικρή ηλεκτρική ισχύς δημιουργεί μικρή ώθηση που σε καμία περίπτωση δε μπορεί να σηκώσει πύραυλο από το έδαφος. Ο ηλεκτροκινητήρας NSTAR της NASA με σταθερό ρυθμό εξαγωγής ιόντων ασκεί σταθερή δύναμη μόλις 92 mN. Χοντρικά αν ο πύραυλος έχει μάζα 1000 kg τότε α = F/m = 9,2χ10^-5 m/s². Λέω χοντρικά γιατί ενώ η δύναμη μένει σταθερή η μάζα συνεχώς ελαττώνεται και η επιτάχυνση μεγαλώνει. Αυτή η ελάχιστη επιτάχυνση επί μακρύ χρόνο δίνει τελικά μεγάλες ταχύτητες.  Μελοντικός στοχος ΔV = 50 km/s. Σήμερα οι προωθητήρες ιόντων χρησιμοποιούνται από δορυφόρους για ελιγμούς όπως οι starlink της SpaceX που χρησιμοποιούν ηλεκτροκινητήρες με Cr(το Xe πολύ λίγο και ακριβό). Προωθητές ιόντων έχουν χρησιμοποιηθεί και σε διαπλανητικές αποστολές όπως το διαστημόπλοιο Dawn που επισκέφτηκε την κύρια ζώνη αστεροειδών. Ο διαστημικός σταθμός της Κίνας Tiangiong επίσης φέρει προωθητήρες ιόντων. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές ηλεκτρικών κινητήρων πάνω όμως στην ίδια λογική.

Πυρηνικοί θερμικοί πύραυλοι

Λειτουργούν όπως ακριβώς οι χημικοί πύραυλοι μόνο που το προωθητικό θερμαίνεται απο πυρηνικό αντιδραστήρα. Επιπλέον ένας πυρηνικός πύραυλος μπορεί να θερμάνει υδρογόνο μικρού ΜΒ σε σχέση με τους Η/C με αποτέλεσμα να δίνουν 3-5 φορές μεγαλύτερη ΔV ανά μονάδα μάζας από τους χημικούς. Παρά το γεγονός ότι η ιδέα είναι πολύ παλιά και έχουν γίνει δοκιμές, η μέθοδος δεν έχει εφαρμοστεί στην πράξη. Από το 2021 όμως η  NASA ξεκίνησε τη διαδικασία κατασκευής πυρηνικών πυραύλων με την ελπίδα ότι σύντομα θα έχουμε στη διάθεσή μας και την ενέργεια σύντηξης. Στην εικόνα κάτω βλέπετε το σχέδιο ενός πυραύλου βγαλμένου από την οδύσεια του διαστήματος. Ο πύραυλος θα χρησιμοποιεί ενέργεια σύντηξης.

Πύραυλοι θραύσματος σχάσης

Οι χημικοί πύραυλοι και οι πυρηνικοί θερμικοί έχουν περιορισμό θερμοκρασίας λειτουργίας του κινητήρα που δε μπορεί να ξεπεράσει τους 3000 ^οC. Μπορούμε όμως να αξιοποιήσουμε άμεσα τα θερμά προϊόντα της σχάσης για ώθηση χωρίς περιορισμό θερμοκρασίας. Με αυτή τη λογική μπορούμε να πάρουμε θερμοκρασίες δεκάδες χιλιάδες βαθμούς και όπως γνωρίζουμε από την θερμοδυναμική υψηλότερη θερμοκρασία συνεπάγεται μεγαλύτερες αποδόσεις. Στην περίπτωσή μας θα πάρουμε πολύ μεγαλύτερη ΔV ανά μονάδα μάζας.

Πύραυλοι αντιύλης

Η σύγκρουση σωματιδίου με το αντισωματίδιό του οδηγεί σε “εξαφάνηση” και των δύο με εκπομπή υψηλής ενέργειας ακτίνων γ. Στη διαστημική δεν έχουμε βρεί τρόπο εκμετάλευσης απευθείας της ενέργειας των ακτίνων γ. Προς το παρόν μία τέτοια ιδέα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση κάποιου προωθητικού και να γυρίσουμε πίσω στα γνωστά. Επιπλέον έχουμε και το μεγάλο άλυτο ζήτημα της αστροφυσικής όπου οι ίσες ποσότητες ύλης – αντιύλης μετά την big bang οδηγήθηκαν τελικά σε σχεδόν πλήρη επικράτηση ύλης. Η παραγωγή αντιύλης και δύσκολη είναι(κυρίως σε επιταχυντές) και πολύ ακριβή.

Πύραυλοι φωτονίων

Σε έναν πύραυλο φωτονίων η ώθηση επιτυγχάνεται από την πίεση της ακτινοβολίας κατά την εκπομπή των φωτονίων. Όμως πηγή φωτονίων μπορεί να είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας σχάσης ή σύντηξης και η όποια απόδοση του συστήματος έχει να κάνει με την αποτελεσματικότητα αυτών των μεθόδων.

Ιδέες γιά μη επανδρωμένες διαστρικές πτήσεις

Συμβιβαστήκαμε με την ιδέα ότι επανδρωμένες διαστρικές πτήσεις με τους υπάρχοντες πυραύλους και τις υπάρχουσες τεχνολογίες δεν υφίστανται. Τι μπορούμε να περιμένουμε για μη επανδρωμένες πτήσεις; Με βάση τις παραπάνω ιδέες στο πολύ -πολύ απώτερο μέλλον θα μπορούσαμε να πραγματοποιήσουμε πτήσεις μη επανδρωμένων διαστημοπλοίων που μπορεί να είναι μικρής μάζας και δεν έχουν περιορισμό επιτάχυνσης. Τέτοιες πτήσεις περιορισμένης έκτασης μπορούν να πραγματοποιηθούν είτε με τη χρήση της ενέργειας από σύντηξη είτε με την απευθείας εκμετάλευση της ενέργειας ακτίνων γ από την εξαύλωση ποζιτρονίου – πρωτονίου, εφόσον φυσικά καταφέρουμε να έχουμε ικανές ποσότητες φτηνής αντιύλης. Τέλος θα αναφερθώ στο φιλόδοξο project Breakthrough starhot που χρηματοδοτείται από τον επιχειρηματία φυσικό Yuri Milner και το αφεντικό του fb Mark Zuckerberg. Βασικά πρόκειται για μιά ιδέα του Stephen Hawking που συμμετείχε στην ομάδα σχεδιασμού. Στόχος του project είναι η επίσκεψη νανοδιαστημόπλοιου στον Proxima Centauri b σε περίπου 20-30 χρόνια. Η κεντρική ιδέα ήταν ο πύραυλος φωτονίων με την ουσιαστική διαφορά η πηγή φωτονίων να μην είναι μέσα στο διαστημόπλοιο αλλά εξωτερικά ώστε να απαλλαγούμε απο τους περιορισμούς της εξίσωσης Tsiolkovsky.  H ιδέα περιλαμβάνει ένα στόλο από 1000 διαστημόπλοια – μικροτσίπ λίγων cm και λίγων gr. Τα νανοδιαστημόπλοια φέρουν πολύ πολύ ελαφρά πανιά. Ένα σύστημα 100 εκατομμυρίων laser με συνδιασμένη ισχύ 100 GW ανακλάται στα πανιά των νανοδιαστημοπλοίων ωθώντας τα. Το σύστημα θα μπορούσε να πάρει φωτογραφίες του εξωπλανήτη απο απόσταση περίπου 1 AU. Πέραν αυτών δε μπορούμε να γνωρίζουμε την τεχνολογία σε 1000 χρόνια ούτε τι ανακαλύψεις θα γίνουν σε 1000 χρόνια. Το μόνο σίγουρο είναι ότι οι απόγονοί μας σε βάθος χρόνου(μεγάλο βάθος) δε θα πλήξουν.