การเดินทางระหว่างดวงดาวมีจริงหรือไม่?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ผู้เขียนบทความบอกรายละเอียดเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่มีแนวโน้ม 4 อย่างที่เปิดโอกาสให้ผู้คนเข้าถึงสถานที่ใด ๆ ในจักรวาลในช่วงชีวิตมนุษย์คนหนึ่ง สำหรับการเปรียบเทียบ: การใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ เส้นทางสู่ระบบดาวดวงอื่นจะใช้เวลาประมาณ 100,000 ปี

นับตั้งแต่ที่มนุษย์มองดูท้องฟ้าในยามราตรีเป็นครั้งแรก เราก็ใฝ่ฝันที่จะไปต่างโลกและได้เห็นจักรวาล และถึงแม้ว่าจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงเคมีของเราได้ไปถึงดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ และวัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะแล้ว แต่ยานอวกาศโวเอเจอร์ 1 ที่อยู่ห่างจากโลกมากที่สุดนั้นครอบคลุมระยะทางเพียง 22.3 พันล้านกิโลเมตร นี่เป็นเพียง 0.056% ของระยะห่างจากระบบดาวที่รู้จักที่ใกล้ที่สุด โดยใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัย เส้นทางสู่ระบบดาวดวงอื่นจะใช้เวลาประมาณ 100,000 ปี

อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นต้องทำเหมือนที่เราทำมาโดยตลอด ประสิทธิภาพของการส่งยานพาหนะที่มีมวลน้ำหนักบรรทุกมาก แม้มนุษย์จะอยู่บนเรือ ในระยะทางที่ไม่เคยมีมาก่อนในจักรวาลสามารถปรับปรุงได้อย่างมากหากใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มว่าจะนำเราไปสู่ดวงดาวในเวลาที่สั้นลงมาก พวกเขาอยู่ที่นี่

หนึ่ง). เทคโนโลยีนิวเคลียร์ ในประวัติศาสตร์ของมนุษย์ ยานอวกาศทุกลำที่ปล่อยสู่อวกาศมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน นั่นคือ เครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงเคมี ใช่ เชื้อเพลิงจรวดเป็นส่วนผสมพิเศษของสารเคมีที่ออกแบบมาเพื่อให้แรงขับสูงสุด วลี "สารเคมี" มีความสำคัญที่นี่ ปฏิกิริยาที่ให้พลังงานแก่เครื่องยนต์ขึ้นอยู่กับการกระจายพันธะระหว่างอะตอม

สิ่งนี้จำกัดการกระทำของเราโดยพื้นฐาน! มวลอะตอมส่วนใหญ่ตกอยู่ที่นิวเคลียสของมัน - 99, 95% เมื่อปฏิกิริยาเคมีเริ่มต้นขึ้น อิเล็กตรอนที่หมุนรอบอะตอมจะถูกกระจายและมักจะปล่อยออกมาเป็นพลังงานประมาณ 0, 0001% ของมวลทั้งหมดของอะตอมที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา ตามสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์: E = mc2 ซึ่งหมายความว่าสำหรับเชื้อเพลิงทุกๆ กิโลกรัมที่บรรจุเข้าไปในจรวด ในระหว่างที่ทำปฏิกิริยา คุณจะได้รับพลังงานเทียบเท่าประมาณ 1 มิลลิกรัม

อย่างไรก็ตาม หากมีการใช้จรวดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ สถานการณ์จะแตกต่างอย่างมาก แทนที่จะอาศัยการเปลี่ยนแปลงในโครงร่างของอิเล็กตรอนและวิธีที่อะตอมมีพันธะระหว่างกัน คุณสามารถปล่อยพลังงานออกมาค่อนข้างมากโดยส่งผลต่อวิธีที่นิวเคลียสของอะตอมเชื่อมต่อกัน เมื่อคุณแตกอะตอมของยูเรเนียมด้วยการทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอน มันจะปล่อยพลังงานออกมามากกว่าปฏิกิริยาเคมีใดๆ ยูเรเนียม-235 1 กิโลกรัม สามารถปลดปล่อยพลังงานออกมาได้เทียบเท่ากับมวล 911 มิลลิกรัม ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเชื้อเพลิงเคมีเกือบพันเท่า

เราสามารถทำให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพมากขึ้นถ้าเราเชี่ยวชาญนิวเคลียร์ฟิวชัน ตัวอย่างเช่น ระบบของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันควบคุมเฉื่อย ด้วยความช่วยเหลือซึ่งจะสามารถสังเคราะห์ไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ปฏิกิริยาลูกโซ่ดังกล่าวเกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ การสังเคราะห์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน 1 กิโลกรัมเป็นฮีเลียมจะเปลี่ยนมวล 7.5 กิโลกรัมเป็นพลังงานบริสุทธิ์ ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเชื้อเพลิงเคมีเกือบ 10,000 เท่า

แนวคิดคือการเร่งความเร็วเท่าๆ กันสำหรับจรวดเป็นระยะเวลานานขึ้นมาก: นานกว่าตอนนี้หลายร้อยหรือหลายพันเท่า ซึ่งจะทำให้พวกเขาสามารถพัฒนาได้เร็วกว่าจรวดทั่วไปในปัจจุบันหลายร้อยหรือหลายพันเท่า วิธีการดังกล่าวจะลดเวลาในการบินระหว่างดวงดาวลงเหลือหลายร้อยหรือหลายสิบปีนี่เป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มที่เราจะสามารถใช้ได้ในปี 2100 ขึ้นอยู่กับจังหวะและทิศทางของการพัฒนาวิทยาศาสตร์

2). ลำแสงเลเซอร์คอสมิก แนวคิดนี้เป็นหัวใจสำคัญของโปรเจ็กต์ Breakthrough Starshot ซึ่งโด่งดังเมื่อไม่กี่ปีก่อน ตลอดหลายปีที่ผ่านมา แนวคิดนี้ไม่ได้สูญเสียความน่าดึงดูดใจไป แม้ว่าจรวดทั่วไปจะบรรทุกเชื้อเพลิงและใช้ในการเร่งความเร็ว แนวคิดหลักของเทคโนโลยีนี้คือลำแสงเลเซอร์อันทรงพลังที่จะทำให้ยานอวกาศมีแรงกระตุ้นที่จำเป็น กล่าวอีกนัยหนึ่ง แหล่งที่มาของความเร่งจะถูกแยกออกจากตัวเรือเอง

แนวคิดนี้ทั้งน่าตื่นเต้นและปฏิวัติในหลาย ๆ ด้าน เทคโนโลยีเลเซอร์กำลังพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จและไม่เพียงแต่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีการประสานกันในระดับสูงอีกด้วย ดังนั้น หากเราสร้างวัสดุคล้ายใบเรือที่สะท้อนแสงเลเซอร์ในเปอร์เซ็นต์ที่สูงพอ เราก็สามารถใช้การยิงเลเซอร์เพื่อทำให้ยานอวกาศมีความเร็วมหาศาล "เอ็นเตอร์ไพรส์" ที่มีน้ำหนัก ~ 1 กรัมคาดว่าจะถึงความเร็ว ~ 20% ของความเร็วแสง ซึ่งจะทำให้สามารถบินไปยังดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุด Proxima Centauri ในเวลาเพียง 22 ปี

แน่นอน สำหรับสิ่งนี้ เราจะต้องสร้างลำแสงเลเซอร์ขนาดใหญ่ (ประมาณ 100 กม.2) และต้องทำในอวกาศ แม้ว่าจะเป็นปัญหาด้านต้นทุนมากกว่าเทคโนโลยีหรือวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายจำนวนหนึ่งที่ต้องเอาชนะเพื่อให้สามารถดำเนินโครงการดังกล่าวได้ ในหมู่พวกเขา:

• เรือที่ไม่ได้รับการสนับสนุนจะหมุนจำเป็นต้องมีกลไกการรักษาเสถียรภาพ (ยังไม่พัฒนา)
• ไม่สามารถเบรกเมื่อถึงจุดปลายทางเนื่องจากไม่มีเชื้อเพลิงบนเครื่อง
• แม้ว่าจะขยายขนาดอุปกรณ์สำหรับขนส่งผู้คน บุคคลจะไม่สามารถอยู่รอดได้ด้วยการเร่งความเร็วมหาศาล ซึ่งเป็นความแตกต่างที่สำคัญของความเร็วในช่วงเวลาสั้น ๆ

บางทีสักวันหนึ่งเทคโนโลยีอาจพาเราไปยังดวงดาวได้ แต่ก็ยังไม่มีทางสำเร็จที่คนเราจะไปถึงความเร็วได้เท่ากับ ~ 20% ของความเร็วแสง

3). เชื้อเพลิงปฏิสสาร หากเรายังต้องการนำเชื้อเพลิงติดตัวไปด้วย เราสามารถทำให้มันมีประสิทธิภาพสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยจะขึ้นอยู่กับการทำลายอนุภาคและปฏิปักษ์ของอนุภาค ต่างจากเชื้อเพลิงเคมีหรือนิวเคลียร์ ซึ่งมีเพียงเศษเสี้ยวของมวลบนเรือที่ถูกแปลงเป็นพลังงาน การทำลายอนุภาคและปฏิปักษ์นั้นใช้มวล 100% ของทั้งอนุภาคและปฏิปักษ์ ความสามารถในการแปลงเชื้อเพลิงทั้งหมดเป็นพลังงานพัลส์เป็นระดับสูงสุดของประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง

ความยากลำบากเกิดขึ้นในการประยุกต์ใช้วิธีนี้ในทางปฏิบัติในสามทิศทางหลัก โดยเฉพาะ:

• การสร้างปฏิสสารเป็นกลางที่เสถียร
• ความสามารถในการแยกมันออกจากเรื่องธรรมดาและควบคุมได้อย่างแม่นยำ
• ผลิตปฏิสสารในปริมาณมากเพียงพอสำหรับการบินระหว่างดวงดาว

โชคดีที่สองประเด็นแรกกำลังดำเนินการอยู่

ที่องค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป (CERN) ซึ่งเป็นที่ตั้งของ Large Hadron Collider มีคอมเพล็กซ์ขนาดใหญ่ที่เรียกว่า "โรงงานปฏิสสาร" มีนักวิทยาศาสตร์อิสระ 6 ทีมกำลังตรวจสอบคุณสมบัติของปฏิสสาร พวกมันรับแอนติโปรตอนและทำให้พวกมันช้าลง บังคับให้โพซิตรอนจับกับพวกมัน นี่คือวิธีสร้างปฏิสสารหรือปฏิสสารที่เป็นกลาง

พวกเขาแยกสารต้านอะตอมเหล่านี้ในภาชนะที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันซึ่งยึดไว้กับที่ ห่างจากผนังของภาชนะที่ทำด้วยสสาร ถึงตอนนี้ กลางปี 2020 พวกมันสามารถแยกแอนติอะตอมหลายตัวและเสถียรได้สำเร็จครั้งละหนึ่งชั่วโมง ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า นักวิทยาศาสตร์จะสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของปฏิสสารภายในสนามโน้มถ่วงได้

เทคโนโลยีนี้จะไม่สามารถใช้ได้สำหรับเราในอนาคตอันใกล้นี้ แต่อาจกลายเป็นว่าวิธีที่เร็วที่สุดในการเดินทางระหว่างดวงดาวของเราคือจรวดปฏิสสาร

4). เอ็นเตอร์ไพรส์ในสสารมืด ตัวเลือกนี้อาศัยสมมติฐานอย่างแน่นอนว่าอนุภาคใดๆ ที่รับผิดชอบต่อสสารมืดจะมีพฤติกรรมเหมือนโบซอนและเป็นปฏิปักษ์ในตัวของมันเอง ตามทฤษฎีแล้ว สสารมืดซึ่งเป็นปฏิปักษ์ของตัวมันเองมีโอกาสเพียงเล็กน้อยแต่ไม่ใช่ศูนย์ที่จะทำลายล้างด้วยอนุภาคของสสารมืดอื่นๆ ที่ชนกับสสารมืด เราอาจใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการชนกันได้

มีหลักฐานที่เป็นไปได้สำหรับเรื่องนี้ จากการสังเกตการณ์ เป็นที่แน่ชัดแล้วว่าทางช้างเผือกและดาราจักรอื่นมีรังสีแกมมามากเกินไปที่อธิบายไม่ได้ซึ่งมาจากจุดศูนย์กลาง ซึ่งความเข้มข้นของพลังงานมืดควรจะสูงที่สุด มีความเป็นไปได้เสมอที่จะมีคำอธิบายทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ง่ายๆ เช่น พัลซาร์ อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่สสารมืดนี้ยังคงทำลายล้างตัวเองในใจกลางดาราจักร และทำให้เรามีไอเดียที่เหลือเชื่อ นั่นคือยานอวกาศในเรื่องสสารมืด

ข้อดีของวิธีนี้คือสสารมืดมีอยู่ทุกที่ในดาราจักรอย่างแท้จริง ซึ่งหมายความว่าเราไม่ต้องพกเชื้อเพลิงติดตัวไปในการเดินทาง เครื่องปฏิกรณ์พลังงานมืดสามารถทำสิ่งต่อไปนี้แทน:

• นำสสารมืดที่อยู่ใกล้เคียง
• เร่งการทำลายล้างหรือปล่อยให้มันทำลายล้างโดยธรรมชาติ
• เปลี่ยนทิศทางพลังงานที่ได้รับเพื่อให้ได้โมเมนตัมในทิศทางที่ต้องการ

มนุษย์สามารถควบคุมขนาดและกำลังของเครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ

โดยไม่จำเป็นต้องพกเชื้อเพลิงขึ้นเครื่อง ปัญหามากมายของการเดินทางในอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยแรงขับจะหายไป แต่เราจะสามารถบรรลุความฝันอันเป็นที่รักของทุกการเดินทาง - ความเร่งคงที่ไม่จำกัด สิ่งนี้จะทำให้เรามีความสามารถที่คิดไม่ถึงมากที่สุด นั่นคือความสามารถในการไปถึงที่ใดก็ได้ในจักรวาลในช่วงชีวิตมนุษย์คนหนึ่ง

หากเราจำกัดตัวเองให้อยู่แต่เทคโนโลยีจรวดที่มีอยู่ เราจะต้องใช้เวลาอย่างน้อยหลายหมื่นปีในการเดินทางจากโลกไปยังระบบดาวที่ใกล้ที่สุด อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีเครื่องยนต์นั้นอยู่ใกล้แค่เอื้อม และจะลดเวลาการเดินทางไปสู่ชีวิตมนุษย์คนหนึ่ง หากเราสามารถเชี่ยวชาญการใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ลำแสงเลเซอร์ในจักรวาล ปฏิสสาร หรือแม้แต่สสารมืดได้ เราจะเติมเต็มความฝันของเราเองและกลายเป็นอารยธรรมอวกาศโดยไม่ใช้เทคโนโลยีก่อกวน เช่น ไดรฟ์วาร์ป

มีวิธีที่เป็นไปได้มากมายในการเปลี่ยนแนวคิดที่อิงวิทยาศาสตร์เป็นเทคโนโลยีเครื่องยนต์ยุคหน้าที่เป็นไปได้จริง มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมากที่ภายในปลายศตวรรษที่ยานอวกาศซึ่งยังไม่ได้ประดิษฐ์ขึ้นจะเข้ามาแทนที่ New Horizons, Pioneer และ Voyager ในฐานะวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นที่อยู่ห่างไกลจากโลกมากที่สุด วิทยาศาสตร์พร้อมแล้ว เรายังคงมองข้ามเทคโนโลยีปัจจุบันของเราและทำให้ความฝันนี้เป็นจริง