Межзвёздный полёт

Трудности межзвездных путешествий

Основной проблемой межзвездных путешествий являются огромные расстояния, которые необходимо преодолеть. Это означает, что необходима очень большая скорость и/или очень большое время в пути. Время путешествия при использовании наиболее реалистичных методов приведения в движение составит от десятилетий до тысячелетий.

Таким образом, межзвездный корабль будет гораздо больше подвержен опасностям, возникающим при межпланетных путешествиях, включая вакуум, радиацию, невесомость и микрометеороиды. На высоких скоростях в корабль будет проникать множество микроскопических частиц материи, если он не будет сильно экранирован. Ношение защитного экрана значительно увеличит проблемы с движителями.

Космические лучи

Космические лучи представляют большой интерес, поскольку вне атмосферы и магнитного поля от них нет защиты. Энергия самых энергичных космических лучей сверхвысокой энергии (СВЭВЭ), по наблюдениям, приближается к 3 × 10 ²⁰эВ, что примерно в 40 миллионов раз превышает энергию частиц, ускоренных Большим адронным коллайдером. При энергии 50 Дж самые высокоэнергетические космические лучи сверхвысокой энергии имеют энергию, сравнимую с кинетической энергией бейсбольного мяча со скоростью 90 километров в час (56 миль в час). В результате этих открытий возник интерес к исследованию космических лучей еще более высоких энергий. Однако большинство космических лучей не имеют таких экстремальных энергий. Распределение энергии космических лучей достигает максимума при 0,3 гигаэлектронвольтах (4,8×10⁻¹¹ Дж).

Необходимая энергия

Существенным фактором является энергия, необходимая для приемлемого времени движения. Нижней границей для требуемой энергии является кинетическая энергия K = ½ mv², где m - конечная масса. Если требуется замедление по прибытии и оно не может быть достигнуто никакими другими средствами, кроме двигателей корабля, то требуемая энергия, по крайней мере, удваивается, поскольку энергия, необходимая для остановки корабля, равна энергии, необходимой для его разгона до скорости движения.

Скорость для пилотируемого полета в течение нескольких десятилетий даже к ближайшей звезде в тысячи раз больше, чем у современных космических аппаратов. Это означает, что из-за члена v² в формуле кинетической энергии требуется в миллионы раз больше энергии. Для ускорения одной тонны до одной десятой скорости света требуется не менее 450 ПДж, или 4,5 × 10¹⁷ Дж, или 125 млрд кВт-ч, без учета потерь.

Источник энергии придется носить с собой, поскольку солнечные батареи не работают вдали от Солнца и других звезд. Величина этой энергии может сделать межзвездные путешествия невозможными. Один инженер заявил: "Для путешествия (к Альфе Центавра) потребуется энергия, по крайней мере, в 100 раз превышающая общее производство энергии во всем мире [за год]".

Межзвездная среда

Межзвездная пыль и газ могут нанести значительный ущерб кораблю из-за высоких относительных скоростей и большой кинетической энергии. Более крупные объекты (например, большие зерна пыли) встречаются гораздо реже, но могут быть гораздо более разрушительными. .

Время в пути

Длительное время в пути затрудняет разработку пилотируемых миссий. Фундаментальные ограничения пространства-времени представляют собой еще одну проблему. Кроме того, межзвездные путешествия трудно оправдать по экономическим причинам.

Можно утверждать, что межзвездную миссию, которая не может быть завершена в течение 50 лет, вообще не следует начинать. Вместо этого следует вложить ресурсы в разработку более совершенной двигательной установки. Это связано с тем, что медленный космический корабль, скорее всего, будет пропущен другим, отправленным позже, с более совершенной двигательной установкой.

С другой стороны, можно привести доводы в пользу того, чтобы начинать миссию без задержек, поскольку проблемы, не связанные с двигательной установкой, могут оказаться более сложными, чем двигательная техника.

Межгалактические путешествия предполагают расстояния, в миллион раз превышающие межзвездные, что делает их радикально более сложными, чем даже межзвездные путешествия.

Расчет Кеннеди

Эндрю Кеннеди показал, что рейсы, совершенные до минимального времени ожидания, будут обгонять те, которые уходят в минимальное время, в то время как те, которые уходят после минимального времени, никогда не обгонят тех, кто ушел в минимальное время.

Расчет Кеннеди зависит от r - среднегодового прироста мирового производства электроэнергии. Из любой точки во времени в заданный пункт назначения существует минимум общего времени до пункта назначения. Путешественники могли бы прибыть в пункт назначения, не будучи обогнанными более поздними путешественниками, выждав время t перед отправлением. Связь между временем, необходимым для того, чтобы добраться до пункта назначения (сейчас, Т_now, или после ожидания, Т_t, и ростом скорости передвижения такова

T n o w T t = ( + 1r ) t {\displaystyle2 {\frac {T_{now}}{T_{t}}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}}}

Взяв в качестве примера путешествие к звезде Барнарда, расположенной на расстоянии шести световых лет, Кеннеди показывает, что при среднегодовом темпе экономического роста в мире в 1,4% и соответствующем росте скорости передвижения, быстрее всего человеческая цивилизация сможет добраться до звезды через 1110 лет, начиная с 2007 года.

Межзвездные расстояния

Астрономические расстояния часто измеряются временем, которое потребуется лучу света, чтобы пройти между двумя точками (см. световой год). Свет в вакууме проходит примерно 300 000 километров в секунду или 186 000 миль в секунду.

Расстояние от Земли до Луны составляет 1,3 световых секунды. При нынешних технологиях приведения в движение космических аппаратов аппарат может преодолеть расстояние от Земли до Луны примерно за восемь часов ("Новые горизонты"). Это означает, что свет движется примерно в тридцать тысяч раз быстрее, чем современные технологии приведения космических аппаратов в движение. Расстояние от Земли до других планет Солнечной системы составляет от трех световых минут до четырех световых часов. В зависимости от планеты и ее расположения относительно Земли, для типичного беспилотного космического аппарата эти путешествия займут от нескольких месяцев до чуть более десяти лет. Расстояние до других звезд гораздо больше. Если расстояние от Земли до Солнца уменьшить до одного метра, то расстояние до Альфы Центавра А составит 271 километр или около 169 миль.

Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра находится на расстоянии 4,23 световых лет. Самый быстрый из отправленных космических аппаратов "Вояджер-1" преодолел 1/600 часть светового года за 30 лет и в настоящее время движется со скоростью 1/18,000 скорости света. При такой скорости путешествие к Проксиме Центавра займет 72 000 лет. Конечно, эта миссия не была специально предназначена для быстрого путешествия к звездам, и современные технологии могут сделать это гораздо лучше. Время путешествия можно сократить до нескольких тысячелетий, используя солнечные паруса, или до века или меньше, используя ядерные импульсные двигатели.

Специальная относительность предлагает возможность сократить время путешествия: если звездолет с достаточно совершенными двигателями сможет достичь скоростей, близких к скорости света, релятивистское замедление времени сделает путешествие намного короче для путешественника. Однако, по мнению людей, оставшихся на Земле, это все равно заняло бы много лет прошедшего времени. Вернувшись на Землю, путешественники обнаружили бы, что на Земле прошло гораздо больше времени, чем для них (парадокс близнецов).

Многие проблемы были бы решены, если бы существовали червоточины. Общая теория относительности не исключает их, но, насколько нам известно, в настоящее время они не существуют.

Коммуникации

Время задержки в оба конца - это минимальное время между тем, как сигнал зонда достигнет Земли, и тем, как зонд получит инструкции с Земли. Учитывая, что информация может распространяться не быстрее скорости света, для "Вояджера-1" это около 32 часов, вблизи Проксимы Центавра - 8 лет. Более быстрые реакции пришлось бы запрограммировать на автоматическое выполнение. Конечно, в случае пилотируемого полета экипаж может немедленно отреагировать на свои наблюдения. Однако время задержки полета в оба конца делает их не только чрезвычайно удаленными, но и, с точки зрения связи, чрезвычайно изолированными от Земли. Другим фактором является энергия, необходимая для надежной межзвездной связи. Очевидно, что газ и частицы будут ослаблять сигналы (межзвездное вымирание), а энергия, доступная для передачи сигнала, будет ограничена.

Пилотируемые миссии

Масса любого корабля, способного перевозить людей, неизбежно будет значительно больше, чем у беспилотного межзвездного зонда. Значительно большее время путешествия потребует наличия системы жизнеобеспечения. Первые межзвездные миссии вряд ли будут нести формы жизни.

Основные цели для межзвездных путешествий

В радиусе 20 световых лет от Солнца известно 59 звездных систем, содержащих 81 видимую звезду. Следующие можно считать основными целями для межзвездных миссий: Радиационная опасность исключает возможность экспедиции на Сириус с участием любых органических существ. В любом случае, трудно представить себе какие-либо пилотируемые экспедиции вообще, учитывая вероятное время путешествия.

Возможно, наиболее вероятным временем для межзвездного путешествия будет момент, когда звезда пройдет через наше облако Оорта. Мы должны получить предупреждение об этом за 10 000 лет, поэтому сможем спланировать это событие достаточно подробно. См. звезду Шольца о последнем прохождении звезды.

Звездная система	Расстояние (ли)	Примечания
Альфа Центавра	4.3	Ближайшая система. Три звезды (G2, K1, M5). Компонент А похож на Солнце (звезда G2). Альфа Центавра B имеет одну подтвержденную планету.
Звезда Барнарда	6.0	Маленький красный карлик M5 с низкой светимостью. Следующая ближайшая к Солнечной системе.
Sirius	8.7	Крупная, очень яркая звезда А1 со спутником белым карликом.
Эпсилон Эридани	10.8	Одиночная звезда K2 немного меньше и холоднее Солнца. Имеет два астероидных пояса, может иметь гигантскую и одну гораздо меньшую планету, а также может обладать планетарной системой типа Солнечной системы.
Тау Цети	11.8	Одиночная звезда G8, похожая на Солнце. Высокая вероятность наличия планетарной системы типа Солнечной системы: текущие данные свидетельствуют о наличии 5 планет, из которых две потенциально находятся в обитаемой зоне.
Gliese 581	20.3	Многопланетная система. Неподтвержденная экзопланета Gliese 581 g и подтвержденная экзопланета Gliese 581 d находятся в обитаемой зоне звезды.
Вега	25.0	По крайней мере, одна планета, причем подходящего возраста, чтобы на ней могла развиться примитивная жизнь

Существующие и ближайшие астрономические технологии способны найти планетные системы вокруг этих объектов, что увеличивает их потенциал для исследования.