O brilho frio das estrelas é especialmente bonito no céu de inverno. Neste momento, as estrelas e constelações mais brilhantes tornam-se visíveis: Órion, Plêiades, Cão Maior com o deslumbrante Sirius …
Há um quarto de século, sete suboficiais da Academia Naval fizeram uma pergunta incomum: quão perto está a humanidade moderna das estrelas? A pesquisa resultou em um relatório detalhado conhecido como Projeto Longshot (Long Range Shot). Um conceito de nave interestelar automática capaz de alcançar as estrelas mais próximas em um período de tempo razoável. Sem milênios de voo e "navios de gerações"! A sonda deve chegar às proximidades de Alpha Centauri dentro de 100 anos a partir do momento de seu lançamento ao espaço.
Hiperespaço, gravidade, antimatéria e foguetes fotônicos … Não! A principal característica do projeto é a confiança nas tecnologias existentes. De acordo com os desenvolvedores, o design do Longshot possibilita a construção de uma nave espacial já na primeira metade do século 21!
Cem anos de voo com as tecnologias existentes. Uma audácia inédita, dada a escala das distâncias cósmicas. Entre o Sol e Alfa Centauro existe um "abismo negro" de 4, 36 sv de largura. Do ano. Mais de 40 trilhões quilômetros! O significado monstruoso desta figura fica claro no exemplo a seguir.
Se reduzirmos o tamanho do Sol ao tamanho de uma bola de tênis, todo o sistema solar caberá no Quadrado Vermelho. O tamanho da Terra na escala selecionada diminuirá para o tamanho de um grão de areia, enquanto a "bola de tênis" mais próxima - Alpha Centauri - ficará na Praça de São Marcos em Veneza.
Um vôo para Alpha Centauri em uma nave convencional ou na espaçonave Soyuz levaria 190.000 anos.
Um diagnóstico terrível soa como uma frase. Estaremos condenados a sentar em nosso "grão de areia", sem ter a menor chance de chegar às estrelas? Em revistas científicas populares, há cálculos que provam que é impossível acelerar uma nave espacial a velocidades próximas à da luz. Isso exigirá "queimar" toda a matéria do sistema solar.
E ainda há uma chance! O Projeto Longshot provou que as estrelas estão muito mais próximas do que podemos imaginar.
No casco da Voyager há uma placa com um mapa de pulsar mostrando a localização do Sol na Galáxia, bem como informações detalhadas sobre os habitantes da Terra. Espera-se que algum dia os alienígenas encontrem este "machado de pedra" e venham nos visitar. Mas, se lembrarmos as peculiaridades do comportamento de todas as civilizações tecnológicas da Terra e a história das conquistas da América pelos conquistadores, não se pode contar com o "contato pacífico" …
A missão da expedição
Chegue ao sistema Alpha Centauri em cem anos.
Ao contrário de outras "naves estelares" ("Daedalus"), o projeto "Longshot" envolvia entrar na órbita do sistema estelar (Alfa e Beta Centauri). Isso complicou significativamente a tarefa e alongou o tempo de vôo, mas permitiria um estudo detalhado da vizinhança de estrelas distantes (ao contrário da Dédalo, que teria passado correndo pelo alvo em um dia e desaparecido sem deixar vestígios nas profundezas do espaço).
O vôo levará 100 anos. Mais 4, 36 anos serão necessários para transferir informações para a Terra.
Alpha Centauri em comparação com o sistema solar
Os astrônomos estão depositando grandes esperanças no projeto - se bem-sucedido, eles terão um instrumento fantástico para medir paralaxes (distâncias a outras estrelas) com uma base de 4, 36 sv. Do ano.
Um vôo centenário durante a noite também não passará sem destino: o dispositivo estudará o meio interestelar e expandirá nosso conhecimento das fronteiras externas do sistema solar.
Atirou nas estrelas
O principal e único problema das viagens espaciais são as distâncias colossais. Tendo resolvido este problema, resolveremos todo o resto. A redução do tempo de voo eliminará o problema de uma fonte de energia de longo prazo e da alta confiabilidade dos sistemas do navio. O problema com a presença de uma pessoa a bordo estará resolvido. O vôo curto torna desnecessários sistemas de suporte de vida complexos e suprimentos gigantescos de comida / água / ar a bordo.
Mas esses são sonhos distantes. Nesse caso, é necessário entregar uma sonda não tripulada às estrelas em um século. Não sabemos como quebrar o continuum espaço-tempo, portanto, só há uma saída: aumentar a velocidade no solo da "nave estelar".
Como o cálculo mostrou, um vôo para Alpha Centauri em 100 anos requer uma velocidade de pelo menos 4,5% da velocidade da luz. 13.500 km / s.
Não existem proibições fundamentais que permitem que os corpos no macrocosmo se movam na velocidade indicada, no entanto, seu valor é monstruosamente grande. Para efeito de comparação: a velocidade do mais rápido da espaçonave (sonda "New Horizons") após desligar o estágio superior era "apenas" 16,26 km / s (58636 km / h) em relação à Terra.
Nave estelar conceito longshot
Como acelerar uma nave interestelar a velocidades de milhares de km / s? A resposta é óbvia: você precisa de um motor de alto empuxo com um impulso específico de pelo menos 1.000.000 de segundos.
O impulso específico é um indicador da eficiência de um motor a jato. Depende do peso molecular, temperatura e pressão do gás na câmara de combustão. Quanto maior for a diferença de pressão na câmara de combustão e no ambiente externo, maior será a velocidade de escoamento do fluido de trabalho. E, portanto, a eficiência do motor é maior.
Os melhores exemplos de motores a jato elétricos modernos (ERE) têm um impulso específico de 10.000 s; a uma velocidade de saída de feixes de partículas carregadas - até 100.000 km / s. O consumo do fluido de trabalho (xenônio / criptônio) é de alguns miligramas por segundo. O motor zumbe baixinho durante todo o vôo, acelerando lentamente a nave.
Os EJEs cativam pela relativa simplicidade, baixo custo e potencial para atingir altas velocidades (dezenas de km / s), mas devido ao baixo valor de empuxo (menos de um Newton), a aceleração pode levar dezenas de anos.
Outra coisa são os motores de foguetes químicos, sobre os quais se apóia toda a cosmonáutica moderna. Eles têm um impulso enorme (dezenas e centenas de toneladas), mas o impulso específico máximo de um motor de foguete de propelente líquido de três componentes (lítio / hidrogênio / flúor) é de apenas 542 s, com uma velocidade de saída de gás de pouco mais de 5 km / s. Esse é o limite.
Foguetes de propelente líquido tornam possível aumentar a velocidade da espaçonave em vários km / s em um curto espaço de tempo, mas eles não são capazes de mais. A nave precisará de um motor baseado em diferentes princípios físicos.
Os criadores de "Longshot" consideraram várias formas exóticas, incl. "Vela leve", acelerada por um laser com potência de 3,5 terawatts (o método foi reconhecido como inviável).
Até o momento, a única maneira realista de chegar às estrelas é um motor nuclear pulsado (termonuclear). O princípio de funcionamento é baseado na fusão termonuclear a laser (LTS), bem estudada em condições de laboratório. Concentração de uma grande quantidade de energia em pequenos volumes de matéria em um curto período de tempo (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) com confinamento de plasma inercial.
No caso do Longshot, não há dúvida de qualquer reação estável de fusão termonuclear controlada: o confinamento de plasma a longo prazo não é necessário. Para criar o impulso do jato, o coágulo resultante de alta temperatura deve ser imediatamente "empurrado" pelo campo magnético para fora do navio.
O combustível é uma mistura de hélio-3 / deutério. O suprimento de combustível necessário para um vôo interestelar será de 264 toneladas.
De forma semelhante, é planejado para atingir uma eficiência sem precedentes: nos cálculos, o valor do impulso específico é 1,02 mln.segundos!
Como principal fonte de energia para alimentar os sistemas da nave - lasers de motor pulsado, sistemas de controle de atitude, comunicações e instrumentos científicos - foi escolhido um reator convencional baseado em conjuntos de combustível de urânio. A potência elétrica da instalação deve ser de pelo menos 300 kW (a potência térmica é quase uma ordem de magnitude superior).
Do ponto de vista da tecnologia moderna, a criação de um reator que não precise ser recarregado por um século inteiro não é fácil, mas possível na prática. Já agora, em navios de guerra, são usados sistemas nucleares, cujo núcleo tem uma vida útil compatível com a vida útil dos navios (30-50 anos). A energia também está em ordem - por exemplo, a instalação nuclear OK-650 instalada nos submarinos nucleares da Marinha Russa tem uma capacidade térmica de 190 megawatts e é capaz de fornecer eletricidade a uma cidade inteira com uma população de 50.000 habitantes!
Essas instalações são excessivamente poderosas para o espaço. Isso requer compacidade e conformidade precisa com as características especificadas. Por exemplo, em 10 de julho de 1987, Kosmos-1867 foi lançado - um satélite soviético com a instalação nuclear de Yenisei (massa do satélite - 1,5 toneladas, energia térmica do reator - 150 kW, energia elétrica - 6, 6 kW, vida útil - 11 meses)
Isso significa que o reator de 300 kW usado no projeto Longshot é uma questão de futuro próximo. Os próprios engenheiros calcularam que a massa desse reator seria de cerca de 6 toneladas.
Na verdade, é aqui que a física termina e as letras começam.
Problemas de viagem interestelar
Para controlar a sonda, será necessário um complexo de computadores de bordo com os ingredientes de inteligência artificial. Em condições onde o tempo de transmissão do sinal é superior a 4 anos, o controle efetivo da sonda a partir do solo é impossível.
No campo da microeletrônica e da criação de dispositivos de pesquisa, mudanças em grande escala ocorreram recentemente. É improvável que os criadores do Longshot em 1987 tivessem alguma ideia das capacidades dos computadores modernos. Pode-se considerar que este problema técnico foi resolvido com sucesso ao longo do último quarto de século.
A situação com os sistemas de comunicação parece igualmente otimista. Para transmissão confiável de informações a uma distância de 4, 36 sv. ano vai exigir um sistema de lasers operando no vale da onda de 0,532 mícrons e com uma potência de radiação de 250 kW. Nesse caso, para cada quadrado. metro da superfície da Terra cairá 222 fótons por segundo, que é muito maior do que o limite de sensibilidade dos radiotelescópios modernos. A taxa de transferência de informações da distância máxima será de 1 kbps. Radiotelescópios modernos e sistemas de comunicação espacial são capazes de expandir o canal de troca de dados várias vezes.
Para efeito de comparação: a potência do transmissor da sonda Voyager 1, que está atualmente a uma distância de 19 bilhões de km do Sol (17,5 horas-luz), é de apenas 23 W - como uma lâmpada em sua geladeira. No entanto, isso é o suficiente para a transmissão de telemetria para a Terra a uma taxa de vários kbit / s.
Uma linha separada é a questão da termorregulação do navio.
Um reator nuclear da classe megawatt e um motor termonuclear pulsado são fontes de uma quantidade colossal de energia térmica, além disso, no vácuo existem apenas duas formas de remoção de calor - ablação e radiação.
A solução pode ser a instalação de um sistema avançado de radiadores e superfícies radiantes, bem como um amortecedor de cerâmica termo-isolante entre o compartimento do motor e os tanques de combustível do navio.
No estágio inicial da viagem, a nave precisará de um escudo protetor adicional contra a radiação solar (semelhante ao usado na estação orbital Skylab). Na área do alvo final - em órbita da estrela Beta Centauri - também haverá o perigo de superaquecimento da sonda. É necessário o isolamento térmico do equipamento e um sistema para transferir o excesso de calor de todos os blocos importantes e instrumentos científicos para os radiadores radiantes.
Um gráfico da aceleração do navio ao longo do tempo
Gráfico mostrando a mudança na velocidade
A questão de proteger a espaçonave de micrometeoritos e partículas de poeira cósmica é extremamente difícil. A uma velocidade de 4,5% da velocidade da luz, qualquer colisão com um objeto microscópico pode danificar seriamente a sonda. Os criadores de "Longshot" propõem resolver o problema instalando um poderoso escudo protetor na frente da nave (metal? Cerâmica?), Que ao mesmo tempo era um radiador de excesso de calor.
Quão confiável é essa proteção? E é possível usar sistemas de proteção de ficção científica na forma de campos de força / magnéticos ou "nuvens" de partículas microdispersas mantidas por um campo magnético à frente da nave? Esperemos que, quando a nave for criada, os engenheiros encontrem uma solução adequada.
Quanto à própria sonda, tradicionalmente terá um arranjo de vários estágios com tanques destacáveis. Material de fabricação de estruturas de casco - ligas de alumínio / titânio. A massa total da espaçonave montada na órbita da Terra baixa será de 396 toneladas, com comprimento máximo de 65 metros.
Para efeito de comparação: a massa da Estação Espacial Internacional é de 417 toneladas com um comprimento de 109 metros.
1) Configuração de lançamento em órbita baixa.
2) 33º ano de vôo, separação do primeiro par de tanques.
3) 67º ano de vôo, separação do segundo par de tanques.
4) 100º ano de vôo - chegada ao alvo a uma velocidade de 15-30 km / s.
Separação do último estágio, entrando em uma órbita permanente ao redor de Beta Centauri.
Como a ISS, o Longshot pode ser montado usando o método de bloco em órbita baixa da Terra. As dimensões realistas da espaçonave tornam possível usar veículos de lançamento existentes no processo de montagem (para comparação, o poderoso Saturn-V pode carregar uma carga de 120 toneladas para LEO de cada vez!)
Deve-se levar em conta que lançar um motor termonuclear pulsado em órbita próxima à Terra é muito arriscado e descuidado. O projeto Longshot previa a presença de blocos de reforço adicionais (motores de foguete de propelente líquido químico) para ganhar a segunda e terceira velocidades cósmicas e retirar a espaçonave do plano da eclíptica (o sistema Alpha Centauri está localizado 61 ° acima do plano de rotação da Terra em torno do Sol). Além disso, é possível que para esse fim se justifique uma manobra no campo gravitacional de Júpiter - como sondas espaciais que conseguiram escapar do plano da eclíptica, utilizando aceleração "livre" nas proximidades do planeta gigante.
Epílogo
Todas as tecnologias e componentes de uma hipotética nave interestelar existem na realidade.
O peso e as dimensões da sonda Longshot correspondem às capacidades da cosmonáutica moderna.
Se começarmos a trabalhar hoje, é muito provável que em meados do século XXII nossos felizes bisnetos vejam de perto as primeiras imagens do sistema Alpha Centauri.
O progresso tem uma direção irreversível: a cada dia a vida continua a nos surpreender com novas invenções e descobertas. É possível que em 10-20 anos todas as tecnologias descritas acima apareçam diante de nós na forma de amostras de trabalho feitas em um novo nível tecnológico.
E, no entanto, o caminho para as estrelas é muito longo para que faça sentido falar sobre isso a sério.
O leitor atento provavelmente já chamou a atenção para o problema-chave do projeto Longshot. Hélio-3.
Onde obter cem toneladas desta substância, se a produção anual de hélio-3 é de apenas 60.000 litros (8 quilogramas) por ano a um preço de até $ 2.000 por litro ?! Bravos escritores de ficção científica depositam suas esperanças na produção de hélio-3 na Lua e na atmosfera de planetas gigantes, mas ninguém pode dar garantias sobre esse assunto.
Há dúvidas sobre a possibilidade de armazenar tal volume de combustível e seu abastecimento dosado na forma de "tabletes" congelados necessários para acionar um motor termonuclear pulsado. Porém, como o próprio princípio de funcionamento do motor: o que mais ou menos funciona em condições de laboratório na Terra ainda está longe de ser usado no espaço sideral.
Finalmente, a confiabilidade sem precedentes de todos os sistemas de apalpadores. Os participantes do projeto Longshot escrevem diretamente sobre isso: a criação de um motor que pode operar por 100 anos sem parar e grandes reparos será um avanço técnico incrível. O mesmo se aplica a todos os outros sistemas e mecanismos de sondagem.
No entanto, você não deve se desesperar. Na história da astronáutica, existem exemplos de confiabilidade sem precedentes de espaçonaves. Pioneiros 6, 7, 8, 10, 11, bem como Voyagers 1 e 2 - todos eles trabalharam no espaço sideral por mais de 30 anos!
A história com propulsores de hidrazina (motores de controle de atitude) dessas espaçonaves é indicativa. A Voyager 1 mudou para um kit sobressalente em 2004. Nessa época, o conjunto principal de motores já funcionava em espaço aberto havia 27 anos, tendo resistido a 353.000 partidas. É digno de nota que os catalisadores do motor foram continuamente aquecidos até 300 ° C durante todo esse tempo!
Hoje, 37 anos após o lançamento, as duas Voyagers continuam seu vôo insano. Eles há muito deixaram a heliosfera, mas continuam a transmitir regularmente dados no meio interestelar para a Terra.
Qualquer sistema que dependa da confiabilidade humana não é confiável. No entanto, devemos admitir: em termos de garantir a confiabilidade da espaçonave, conseguimos alcançar certos sucessos.
Todas as tecnologias necessárias para a implementação da "expedição estelar" deixaram de ser fantasias de cientistas que abusam dos canabinóides e foram incorporadas na forma de patentes claras e amostras de trabalho de tecnologia. No laboratório - mas eles existem!
O projeto conceitual da espaçonave interestelar Longshot provou que temos uma chance de escapar para as estrelas. Muitas são as dificuldades a serem superadas neste caminho espinhoso. Mas o principal é que o vetor de desenvolvimento é conhecido e a autoconfiança apareceu.
Mais informações sobre o projeto Longshot podem ser encontradas aqui:
Pelo início de interesse neste tópico, expresso minha gratidão ao "Postman".
