Proyecto Longshot. Alcanzar las estrellas
El brillo frío de las estrellas es especialmente hermoso en el cielo de invierno. En este momento, las estrellas más brillantes y las constelaciones son visibles: Orion, Pléyades, Big Dog con deslumbrante Sirius ...
Hace un cuarto de siglo, los siete guardiamarinas de la Academia Naval se hicieron una pregunta inusual: ¿qué tan cerca está la humanidad moderna de las estrellas? El resultado de la investigación fue un informe detallado, conocido como el proyecto "Longshot" ("Long shot"). El concepto de una nave espacial interestelar automática que es capaz de alcanzar las estrellas más cercanas en un tiempo razonable. ¡No milenios de vuelo y "naves de generaciones"! La sonda debe llegar a los vecindarios de Alpha Centauri ya después de 100 años desde el momento de su lanzamiento al espacio.
Hiperespacio, gravedad, antimateria y cohetes fotónicos ... ¡No! La característica principal del proyecto fue una apuesta a las tecnologías existentes. De acuerdo con los desarrolladores, el diseño de Longshot hace posible construir una nave espacial en la primera mitad del siglo XXI.
Cien años de vuelo con las tecnologías existentes. Inaudita audacia, dada la escala de las distancias espaciales. Entre el sol y Alpha Centauri se encuentra el ancho "negro abismo" 4,36 de St .. años Más de 40 trillón kilómetros de distancia! El significado monstruoso de esta figura se aclara con el siguiente ejemplo.
Si reduce el tamaño del Sol al tamaño de una pelota de tenis, entonces todo el Sistema Solar se ajustará a la Plaza Roja. El tamaño de la Tierra en la escala elegida disminuirá al tamaño de un grano de arena, mientras que la “pelota de tenis” más cercana, Alpha Centauri, se encontrará en la Piazza San Marco en Venecia.
Volar a Alpha Centauri en una “lanzadera” convencional o nave espacial Soyuz llevaría 190000 años.
Un diagnóstico terrible suena como una oración. ¿Estamos condenados a sentarnos en nuestro “grano de arena”, sin tener la menor posibilidad de alcanzar las estrellas? En las revistas científicas populares, hay cálculos que demuestran que es imposible acelerar una nave espacial a velocidades cercanas a la luz. Esto requerirá "quemar" toda la materia del sistema solar.
¡Y sin embargo hay una posibilidad! El proyecto Long Shot demostró que las estrellas están mucho más cerca de lo que podemos imaginar.
Una placa con un mapa de púlsares, que muestra la ubicación del Sol en la Galaxia, así como información detallada sobre los habitantes de la Tierra, se encuentra en el caso de la Voyager. Se espera que los extraterrestres algún día encuentren este "hacha de piedra" y vengan a visitarnos. Pero, si recordamos las características del comportamiento de todas las civilizaciones tecnológicas en la Tierra y historia Las conquistas de América por los conquistadores, no hay "contacto amante de la paz" ...
Misión de la expedición
Alcanzar el sistema Alpha Centauri en cien años.
A diferencia de otras "naves estelares" ("Daedalus"), el proyecto "Longshot" significaba ir a la órbita de un sistema estelar (Alpha y Beta Centauri). Esto complicó notablemente la tarea y alargó el tiempo de vuelo, pero permitiría un estudio detallado de los alrededores de las estrellas distantes (a diferencia de "Daedal", que habría corrido más allá del objetivo en 24 horas y desapareció sin dejar rastro en las profundidades del espacio).
100 años toman vuelo. Se requerirá otro 4,36 del año para transferir información a la Tierra.
Sistema Alpha Centauri comparado con el Sistema Solar.
Los astrónomos están depositando grandes esperanzas en el proyecto; si tienen éxito, tendrán una herramienta fantástica para medir el paralaje (distancia a otras estrellas) con la base 4,36 de St .. años
El antiguo vuelo a través de la noche tampoco pasará sin rumbo: el dispositivo estudiará el medio interestelar y nos permitirá ampliar nuestro conocimiento de los límites externos del sistema solar.
Tiro a las estrellas
El principal y único problema de los viajes espaciales son las distancias colosales. Una vez resuelto este problema, resolveremos todos los demás. La reducción en el tiempo de vuelo eliminará la cuestión de la fuente de energía a largo plazo y la alta confiabilidad de los sistemas del barco. El problema se resolverá con la presencia de una persona a bordo. El vuelo a corto plazo hace que los sistemas complejos de soporte vital y las enormes reservas de alimentos / agua / aire a bordo sean innecesarios.
Pero estos son sueños lejanos. En este caso, es necesario entregar una sonda no tripulada a las estrellas dentro de un siglo. No somos capaces de romper el continuo espacio-tiempo, porque la única salida es aumentar la velocidad en tierra de la "nave estelar".
Como mostró el cálculo, para un viaje a Alpha Centauri en 100 años, al menos 4,5% de la velocidad de la luz es necesario. 13500 km / s.
No hay prohibiciones fundamentales que permitan que los cuerpos en el macrocosmos se muevan a una velocidad específica, sin embargo, su valor es monstruosamente grande. A modo de comparación: la velocidad del más rápido de la nave espacial (sonda “New Horizons”) después de apagar la etapa superior fue “solo” 16,26 km / s (58636 km / h) en relación con la Tierra.
Nave espacial de tiro largo
¿Cómo acelerar una nave interestelar a velocidades de miles de kilómetros por segundo? La respuesta es obvia: necesita un motor con un gran paso y un impulso específico de al menos 1000000 segundos.
El impulso específico es una medida de la eficiencia de un motor a reacción. Depende del peso molecular, la temperatura y la presión del gas en la cámara de combustión. Cuanto mayor sea la diferencia de presión en la cámara de combustión y en el entorno externo, mayor será el caudal del fluido de trabajo. Y, por lo tanto, mayor eficiencia del motor.
Las mejores muestras de motores de electrojet modernos (ERE) tienen un impulso específico 10000 s; a la tasa de flujo de salida de haces de partículas cargadas - hasta 100000 km / s. El consumo del fluido de trabajo (xenón / criptón) es de unos pocos miligramos por segundo. El motor está zumbando silenciosamente durante todo el vuelo, acelerando lentamente la unidad.
La propulsión eléctrica impresiona por su relativa simplicidad, bajo costo y el potencial de alcanzar altas velocidades (decenas de km / s), pero debido al bajo empuje (menos de un Newton), la aceleración puede tomar decenas de años.
Otra cosa son los motores de cohetes de combustible químico, sobre los cuales descansa toda la exploración espacial moderna. Tienen un gran empuje (decenas y cientos de toneladas), pero el impulso específico máximo de un LRE de tres componentes (litio / hidrógeno / flúor) es solo 542 s, con una tasa de flujo de salida de gas ligeramente superior a 5 km / s. Este es el límite.
Los misiles líquidos permiten aumentar la velocidad de una nave espacial en varios km / s en poco tiempo, pero ya no pueden hacer nada más. Una nave espacial necesitará un motor de diferentes principios físicos.
Los creadores de "Longshot" consideraron varias formas exóticas, incluyendo "Vela ligera", acelerada con una potencia láser 3,5 terawatts (el método se reconoce como no viable).
Hasta la fecha, la única forma realista de llegar a las estrellas es un motor nuclear pulsado (termonuclear). El principio de funcionamiento se basa en la fusión termonuclear láser (LTS), que está bien estudiado en condiciones de laboratorio. Concentración de una gran cantidad de energía en pequeños volúmenes de materia en un corto período de tiempo (<10 ^ -10 ... 10 ^ -9 s) con confinamiento inercial del plasma.
En el caso de Longshot, no hay una reacción estable de fusión termonuclear controlada del habla: no se requiere un confinamiento prolongado del plasma. Para crear un empuje de chorro obtenido, el coágulo a alta temperatura debe "empujar" inmediatamente un campo magnético sobre el costado del barco.
El combustible es una mezcla de helio-3 / deuterio. El combustible necesario para el vuelo interestelar será 264 toneladas.
De manera similar, está planeado para lograr una eficiencia sin precedentes: ¡los cálculos muestran el valor del impulso específico de 1,02 millones de segundos!
Como principal fuente de energía para el suministro de energía de los sistemas de la nave (láseres de un motor de pulsos, sistemas de orientación, comunicaciones e instrumentos científicos), se eligió un reactor convencional en conjuntos de uranio que generan combustible. La capacidad eléctrica de la instalación debe ser de al menos 300 kW (la potencia térmica es casi un orden de magnitud mayor).
Desde el punto de vista de la tecnología moderna, la creación de un reactor que no requiera recarga durante todo un siglo es una tarea difícil, pero posible en la práctica. Ya, en los buques de combate, se usa YSU, cuya zona activa tiene una vida útil comparable a la de los buques (años 30-50). Con la energía, también hay un orden completo, por ejemplo, la instalación nuclear OK-650, instalada en los barcos submarinos de propulsión nuclear de la Armada rusa, tiene una potencia térmica de megavatios 190 y es capaz de proporcionar electricidad a una ciudad entera con una población de personas 50000.
Tales instalaciones son excesivamente poderosas para el espacio. Requiere compacidad y cumplimiento exacto de las características especificadas. Por ejemplo, 10 de julio 1987 se lanzó "Cosmos-1867": el satélite soviético con la instalación nuclear "Yenisei" (masa del satélite - 1,5 toneladas, potencia térmica del reactor - 150 kW, eléctrica - 6,6 kW, el período de operación - 11 meses).
Esto significa que el reactor de kilovatios 300 utilizado en el proyecto Longshot es una cuestión para el futuro cercano. Los propios ingenieros consideraron que la masa de un reactor de este tipo sería de aproximadamente 6 toneladas.
En realidad, esto termina la física y comienza la letra.
Problemas de viaje interestelar
Para controlar la sonda, necesitará un complejo de computadoras a bordo con los elementos de la inteligencia artificial. En condiciones en las que el tiempo de transmisión de la señal es superior a 4 años, el control efectivo de la sonda desde la Tierra es imposible.
En el campo de la microelectrónica y la creación de instrumentos de investigación, recientemente se han producido cambios a gran escala. Es poco probable que los creadores de Longshot en el año 1987 hayan adivinado las capacidades de las computadoras modernas. Podemos suponer que este problema técnico durante el último cuarto de siglo se ha resuelto con éxito.
La situación con los sistemas de comunicación es igualmente optimista. Para una transmisión segura de la información desde la distancia 4,36 St. El año requerirá un sistema de láser que funcione en el valle de una ola de micrones 0,532 y con una potencia de radiación de 250 kW. En este caso, por cada plaza. El fotón 222 por segundo bajará el medidor de la superficie de la Tierra, que es mucho más alto que el umbral de sensibilidad de los radiotelescopios modernos. La velocidad de transferencia de datos desde la distancia máxima será 1 kbps. Los radiotelescopios modernos y los sistemas de comunicación espacial pueden ampliar el canal de intercambio de datos varias veces.
A modo de comparación, la potencia del transmisor de la sonda Voyager 1, actualmente ubicada a una distancia de 19 a mil millones de kilómetros del Sol (17,5 horas luz), es solo 23 W, como una bombilla en su refrigerador. Sin embargo, esto es suficiente para transmitir telemetría a la Tierra a una velocidad de varios kbps.
Una línea separada es el tema de la termorregulación de buques.
Un reactor nuclear de megavatios y un motor termonuclear de impulsos son fuentes de enormes cantidades de energía térmica, además, en el vacío, solo son posibles dos métodos de eliminación de calor: la ablación y la radiación.
La salida puede ser la instalación de un sistema desarrollado de radiadores y superficies radiantes, así como un amortiguador de cerámica térmicamente aislante entre el compartimiento del motor y los tanques de combustible del barco.
En la etapa inicial del viaje, la nave necesitará un escudo protector adicional contra la radiación solar (similar al utilizado en la estación orbital Skylab). En la región del objetivo final, en la órbita de la estrella Beta Centauri, también habrá peligro de sobrecalentamiento de la sonda. Se requiere aislamiento del equipo y un sistema para transferir el exceso de calor de todas las unidades importantes e instrumentos científicos a radiadores.
Gráfico de la aceleración de la nave en el tiempo.
Gráfico que muestra el cambio de velocidad
El tema de proteger a la nave de los micrometeoritos y partículas de polvo cósmico es extremadamente complicado. A una velocidad de 4,5% de luz, cualquier colisión con un objeto microscópico puede dañar seriamente la sonda. Los creadores de "Longshot" ofrecen resolver el problema instalando una pantalla protectora poderosa frente a la nave (¿metal? ¿Cerámica?), Que también fue un radiador de exceso de calor.
¿Qué tan confiable es esta protección? ¿Y es posible utilizar sistemas de protección de ciencia ficción en forma de fuerza / campos magnéticos o "nubes" de partículas microdispersas mantenidas por un campo magnético antes del curso de la nave? Esperemos que para cuando se cree la "nave espacial", los ingenieros encuentren una solución adecuada.
En cuanto a la sonda en sí, tradicionalmente tendrá un diseño de varias etapas con tanques separables. El material para la fabricación de estructuras de casco es aleaciones de aluminio / titanio. La masa total de la nave ensamblada en órbita cercana a la Tierra será de 396 toneladas, con una longitud máxima de metros 65.
A modo de comparación: la masa de la Estación Espacial Internacional es de 417 toneladas con una longitud de medidores 109.
1) Iniciar la configuración en órbita terrestre.
2) 33-th año de vuelo, la separación del primer par de tanques.
3) 67-th año de vuelo, separación del segundo par de tanques.
4) 100-th año de vuelo: llegada al objetivo a la velocidad 15-30 km / s.
Separación de la última etapa, acceso a órbita permanente alrededor de Beta Centauri.
2) 33-th año de vuelo, la separación del primer par de tanques.
3) 67-th año de vuelo, separación del segundo par de tanques.
4) 100-th año de vuelo: llegada al objetivo a la velocidad 15-30 km / s.
Separación de la última etapa, acceso a órbita permanente alrededor de Beta Centauri.
Al igual que la ISS, el ensamblaje de Longshot se puede hacer en un método de bloque en órbita terrestre baja. Las dimensiones realistas de la nave hacen posible utilizar los vehículos de lanzamiento existentes en el proceso de ensamblarlo (para comparación, ¡el poderoso Saturn-V puede traer carga que pesa 120 toneladas a la NOU a la vez!)
Cabe señalar que el lanzamiento de un motor termonuclear pulsado en órbita cercana a la Tierra es demasiado arriesgado y descuidado. El proyecto Longshot proporcionó bloques de overclocking adicionales (motores de cohetes químicos) para reclutar la segunda y tercera velocidad espacial y forzar a la nave a salir del plano eclíptico (el sistema Alpha Centauri está ubicado en 61 ° sobre el plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol). Además, es posible que para este propósito se justifique una maniobra en el campo gravitatorio de Júpiter, como las sondas espaciales, que lograron escapar del plano eclíptico utilizando una aceleración “libre” en las proximidades de un planeta gigante.
El acto final
Todas las tecnologías y componentes de una hipotética nave espacial interestelar existen en la realidad.
Las dimensiones generales de la sonda Longshot corresponden a las capacidades de la astronáutica moderna.
Si comenzamos a trabajar hoy, es probable que a mediados del siglo XXII, nuestros bisnietos y felices vean las primeras imágenes del sistema Alpha Centauri a corta distancia.
El progreso tiene una dirección irreversible: cada día la vida continúa sorprendiéndonos con nuevos inventos y descubrimientos. Es posible que a lo largo de los años 10-20 todas las tecnologías descritas anteriormente aparezcan ante nosotros en forma de muestras de trabajo realizadas a un nuevo nivel tecnológico.
Y, sin embargo, el camino a las estrellas está demasiado lejos para hablarlo en serio.
El atento lector probablemente ya llamó la atención sobre el problema clave del proyecto Longshot. Helio-3.
¿Dónde obtener cien toneladas de esta sustancia, si la producción anual de helio-3 es solo de 60000 litros (kilogramos de 8) por año a un precio de hasta $ 2000 por litro? La ficción valiente cubrió las esperanzas de la extracción de helio-3 en la Luna y en la atmósfera de los planetas gigantes, pero nadie puede dar ninguna garantía al respecto.
Existen dudas sobre la posibilidad de almacenar tal volumen de combustible y su suministro dosificado en forma de "tabletas" congeladas necesarias para alimentar un motor termonuclear de impulsos. Sin embargo, como principio de operación del motor: el hecho de que más o menos funcione en condiciones de laboratorio en la Tierra, aún está lejos de ser utilizado en espacios abiertos.
Por último, una fiabilidad sin igual de todos los sistemas de sonda. Los participantes del proyecto Longshots escriben sobre esto directamente: crear un motor capaz de trabajar a través de 100 durante años sin detenerse y revisar será un avance técnico increíble. Lo mismo se aplica a todos los demás sistemas y mecanismos de la sonda.
Sin embargo, no debes desesperarte. En la historia de la cosmonauta, hay ejemplos de confiabilidad sin precedentes de las naves espaciales. “Pioneros-6, 7, 8, 10, 11”, así como “Voyagers-1 y 2”: ¡todos trabajaron en el espacio exterior durante más de 30 años!
La historia de los trasters de hidracina (motores del sistema de orientación) de estas naves espaciales es indicativa. Voyager 1 cambió a un kit de repuesto en 2004 año. En ese momento, el conjunto principal de motores funcionó en espacios abiertos 27 durante años, manteniendo las inclusiones de 353000. ¡Es importante mencionar que los catalizadores de los motores se calientan continuamente a 300 ° C todo el tiempo!
Hoy, después de 37 años después del lanzamiento, ambos Voyagers continúan su vuelo demente. Hace mucho que han abandonado la heliosfera, pero continúan transmitiendo regularmente a los datos de la Tierra sobre el medio interestelar.
Cualquier sistema dependiente de la confiabilidad humana no es confiable. Sin embargo, debe reconocerse: en términos de garantizar la confiabilidad de las naves espaciales, hemos logrado cierto éxito.
Todas las tecnologías necesarias para la implementación de la "expedición de estrellas" han dejado de ser fantasías de científicos que abusan de los cannabinoides y se materializan en forma de patentes claras y equipos existentes. En el laboratorio, ¡pero existen!
El diseño conceptual de la nave interestelar "Longshot" demostró: tenemos la oportunidad de escapar a las estrellas. En este espinoso camino para superar muchas dificultades. Pero lo principal es que el vector del desarrollo es conocido y ha aparecido la confianza en sí mismo.
Puede encontrar más información sobre el proyecto Longshot aquí: http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=19890007533.
Para la iniciación del interés en este tema, expreso mi gratitud al "Cartero".
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