Chúng tôi đã hỏi tất cả câu hỏi này tại một số điểm trong cuộc sống của chúng tôi: Mất bao lâu để đi đến các vì sao? Nó có thể ở trong vòng đời của một người, và loại du lịch này có thể trở thành thông lệ một ngày nào đó không? Có rất nhiều câu trả lời cho câu hỏi này - một số rất đơn giản, một số khác trong các lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Nhưng đến với một câu trả lời toàn diện có nghĩa là cân nhắc rất nhiều thứ.
Thật không may, bất kỳ đánh giá thực tế nào cũng có khả năng đưa ra câu trả lời sẽ hoàn toàn làm nản lòng những người tương lai và những người đam mê du lịch giữa các vì sao. Dù muốn hay không, không gian rất rộng lớn và công nghệ của chúng tôi vẫn còn rất hạn chế. Nhưng chúng ta có nên suy nghĩ về việc rời khỏi tổ lồng, chúng ta sẽ có một loạt các tùy chọn để đến Hệ mặt trời gần nhất trong thiên hà của chúng ta.
Ngôi sao gần nhất với Trái đất là Mặt trời của chúng ta, là một ngôi sao trung bình khá cao ở vùng Hertzsprung - Sơ đồ chính của Russell. Điều này có nghĩa là nó rất ổn định, cung cấp cho Trái đất đúng loại ánh sáng mặt trời để sự sống phát triển trên hành tinh của chúng ta. Chúng ta biết có những hành tinh quay quanh các ngôi sao khác gần Hệ Mặt trời của chúng ta và nhiều ngôi sao này giống với các ngôi sao của chúng ta.
Trong tương lai, nếu nhân loại muốn rời khỏi Hệ mặt trời, chúng ta sẽ có một sự lựa chọn rất lớn về những ngôi sao mà chúng ta có thể du hành và nhiều người có thể có điều kiện phù hợp để sự sống phát triển. Nhưng chúng ta sẽ đi đâu và mất bao lâu để đến đó? Chỉ cần nhớ, đây là tất cả suy đoán và hiện tại không có điểm chuẩn cho các chuyến đi giữa các vì sao. Điều đó đang được nói, ở đây chúng tôi đi!
Ngôi sao gần nhất:
Như đã lưu ý, ngôi sao gần nhất với Hệ mặt trời của chúng ta là Proxima Centauri, đó là lý do tại sao nó có ý nghĩa nhất để vạch ra một nhiệm vụ liên sao cho hệ thống này trước tiên. Là một phần của hệ thống ba sao có tên Alpha Centauri, Proxima cách Trái đất khoảng 4,24 năm ánh sáng (hoặc 1,3 Parsec). Alpha Centauri thực sự là ngôi sao sáng nhất trong ba người trong hệ thống - một phần của nhị phân quay quanh Trái đất 4,37 năm ánh sáng - trong khi Proxima Centauri (phần nhỏ nhất trong ba) là một sao lùn đỏ bị cô lập cách nhị phân khoảng 0,13 năm ánh sáng .
Và trong khi du hành giữa các vì sao gợi lên tất cả các loại tầm nhìn của du hành Faster-Than-Light (FTL), từ tốc độ cong vênh và lỗ sâu đục đến các ổ đĩa nhảy, các lý thuyết này đều mang tính suy đoán cao (như Alcubierre Drive) hoặc hoàn toàn là tỉnh khoa học viễn tưởng. Trong tất cả khả năng, bất kỳ nhiệm vụ không gian sâu nào cũng có thể sẽ mất nhiều thế hệ để đến đó, thay vì một vài ngày hoặc trong nháy mắt tức thời.
Vì vậy, bắt đầu với một trong những hình thức du hành không gian chậm nhất, sẽ mất bao lâu để đến Proxima Centauri?
Phương pháp hiện tại:
Câu hỏi về việc mất bao lâu để đến một nơi nào đó trong không gian có phần dễ dàng hơn khi xử lý các công nghệ và cơ thể hiện có trong Hệ Mặt trời của chúng ta. Chẳng hạn, sử dụng công nghệ hỗ trợ sứ mệnh New Horizons - bao gồm 16 máy đẩy được cung cấp nhiên liệu đơn chất hydrazine - đến Mặt trăng sẽ chỉ mất 8 giờ 35 phút.
Mặt khác, có nhiệm vụ SMART-1 của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), đã dành thời gian du hành tới Mặt trăng bằng phương pháp đẩy ion. Với công nghệ mang tính cách mạng này, một biến thể trong đó đã được tàu vũ trụ Dawn sử dụng để tiếp cận Vesta, nhiệm vụ SMART-1 mất một năm, một tháng và hai tuần để đến Mặt trăng.
Vì vậy, từ tàu vũ trụ phóng nhanh bằng tên lửa đến ổ ion kinh tế, chúng ta có một vài lựa chọn để đi vòng quanh không gian địa phương - cộng với chúng ta có thể sử dụng Sao Mộc hoặc Sao Thổ cho một súng cao su hấp dẫn. Tuy nhiên, nếu chúng ta dự tính các nhiệm vụ đến một nơi nào đó xa hơn một chút, chúng ta sẽ phải mở rộng quy mô công nghệ của mình và xem xét những gì mà thực sự có thể.
Khi chúng tôi nói các phương pháp có thể, chúng tôi đang nói về những phương pháp liên quan đến công nghệ hiện có hoặc những phương pháp chưa tồn tại nhưng khả thi về mặt kỹ thuật. Một số, như bạn sẽ thấy, được tôn vinh theo thời gian và đã được chứng minh, trong khi những người khác đang nổi lên hoặc vẫn còn trên bảng. Mặc dù chỉ trong tất cả các trường hợp, họ đưa ra một kịch bản có thể (nhưng cực kỳ tốn thời gian hoặc tốn kém) để đạt được ngay cả những ngôi sao gần nhất
Lực đẩy ion:
Hiện nay, hình thức đẩy chậm nhất và tiết kiệm nhiên liệu nhất là động cơ ion. Vài thập kỷ trước, lực đẩy ion được coi là chủ đề của khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, công nghệ hỗ trợ động cơ ion đã chuyển từ lý thuyết sang thực hành theo một cách lớn. Ví dụ, nhiệm vụ SMART-1 của ESA đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ lên Mặt trăng sau khi đi theo đường xoắn ốc kéo dài 13 tháng từ Trái đất.
SMART-1 đã sử dụng các máy đẩy ion chạy bằng năng lượng mặt trời, trong đó năng lượng điện được thu hoạch từ các tấm pin mặt trời và được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các máy đẩy hiệu ứng Hall. Chỉ có 82 kg nhiên liệu xenon được sử dụng để đẩy SMART-1 lên Mặt trăng. 1 kg nhiên liệu xenon cung cấp delta-v là 45 m / s. Đây là một hình thức đẩy hiệu quả cao, nhưng không có nghĩa là nhanh.
Một trong những nhiệm vụ đầu tiên sử dụng công nghệ truyền động ion là Không gian sâu 1 Nhiệm vụ đến Comet Borrelly diễn ra vào năm 1998. DS1 cũng sử dụng ổ ion xenon, tiêu thụ 81,5 kg nhiên liệu đẩy. Hơn 20 tháng thrusting, DS1 được quản lý để đạt được một vận tốc 56.000 km / giờ (35.000 dặm / giờ) trong flyby của sao chổi.
Do đó, các máy đẩy ion kinh tế hơn công nghệ tên lửa, vì lực đẩy trên một đơn vị khối lượng của nhiên liệu đẩy (a.k.a. xung lực cụ thể) cao hơn nhiều. Nhưng phải mất một thời gian dài để các máy đẩy ion có thể tăng tốc tàu vũ trụ đến bất kỳ tốc độ lớn nào và tốc độ tối đa mà nó có thể đạt được phụ thuộc vào nguồn cung cấp nhiên liệu của nó và lượng năng lượng điện có thể tạo ra.
Vì vậy, nếu lực đẩy ion được sử dụng cho nhiệm vụ tới Proxima Centauri, các máy đẩy sẽ cần một nguồn sản xuất năng lượng khổng lồ (tức là năng lượng hạt nhân) và một lượng lớn nhiên liệu đẩy (mặc dù vẫn ít hơn so với tên lửa thông thường). Nhưng dựa trên giả định rằng việc cung cấp 81,5 kg nhiên liệu xenon chuyển thành vận tốc tối đa 56.000 km / giờ (và không có hình thức đẩy nào khác, như súng cao su hấp dẫn để tăng tốc hơn nữa), một số tính toán có thể được thực hiện.
Nói tóm lại, với vận tốc tối đa 56.000 km / h, Không gian sâu 1 sẽ tiếp quản 81.000 năm để đi qua 4,24 năm ánh sáng giữa Trái đất và Proxima Centauri. Đặt quy mô thời gian đó vào viễn cảnh, đó sẽ là hơn 2.700 thế hệ con người. Vì vậy, thật an toàn khi nói rằng một nhiệm vụ động cơ ion liên hành tinh sẽ quá chậm để được xem xét cho một nhiệm vụ giữa các vì sao có người lái.
Tuy nhiên, nếu các máy đẩy ion phải được chế tạo lớn hơn và mạnh hơn (tức là tốc độ khí thải ion cần phải cao hơn đáng kể), và có thể sử dụng đủ nhiên liệu để duy trì hoạt động của tàu vũ trụ trong toàn bộ chuyến đi 4.243 năm, thời gian di chuyển có thể rất lớn giảm. Vẫn không đủ để xảy ra trong cuộc sống của ai đó.
Phương pháp hỗ trợ trọng lực:
Phương tiện du hành không gian nhanh nhất hiện có được gọi là phương pháp Gravity Hỗ trợ, bao gồm một tàu vũ trụ sử dụng chuyển động tương đối (tức là quỹ đạo) và lực hấp dẫn của một hành tinh để thay đổi là đường đi và tốc độ. Hỗ trợ trọng lực là một kỹ thuật không gian vũ trụ rất hữu ích, đặc biệt là khi sử dụng Trái đất hoặc một hành tinh lớn khác (như một người khổng lồ khí) để tăng tốc độ.
Các Mariner 10 tàu vũ trụ là người đầu tiên sử dụng phương pháp này, sử dụng lực hấp dẫn của Sao Kim để bắn nó về phía Sao Thủy vào tháng 2 năm 1974. Vào những năm 1980, Hành trình 1 đầu dò sử dụng Saturn và sao Mộc cho súng cao su hấp dẫn để đạt được vận tốc hiện tại 60.000 km / giờ (38.000 dặm / giờ) và làm cho nó vào không gian giữa các vì sao.
Tuy nhiên, đó là Helios 2 nhiệm vụ - được đưa ra vào năm 1976 để nghiên cứu môi trường liên hành tinh từ 0,3 AU đến 1 AU đến Mặt trời - giữ kỷ lục về tốc độ cao nhất đạt được với sự hỗ trợ trọng lực. Vào thời điểm đó, Helios 1 (ra mắt năm 1974) và Helios 2 giữ kỷ lục về cách tiếp cận gần nhất với Mặt trời. Helios 2 đã được phóng bởi một phương tiện phóng Titan / Centaur thông thường của NASA và được đặt trong quỹ đạo có hình elip cao.
Do độ lệch tâm lớn (0,54) của quỹ đạo mặt trời của tàu thăm dò (190 ngày), ở trạng thái perihelion, Helios 2 đã có thể đạt vận tốc tối đa trên 240.000 km / hr (150,000 dặm / giờ). Tốc độ quỹ đạo này đạt được chỉ bằng lực hấp dẫn của Mặt trời. Về mặt kỹ thuật, Helios 2 vận tốc perihelion không phải là súng cao su hấp dẫn, nó là vận tốc quỹ đạo tối đa, nhưng nó vẫn giữ kỷ lục là vật thể nhân tạo nhanh nhất bất kể.
Vì vậy nếu Hành trình 1 đã đi theo hướng của sao lùn đỏ Proxima Centauri với vận tốc không đổi 60.000 km / giờ, phải mất 76.000 năm (hoặc hơn 2.500 thế hệ) để đi được quãng đường đó. Nhưng nếu nó có thể đạt được tốc độ phá kỷ lục của Helios 2Cách tiếp cận gần của Mặt trời - tốc độ không đổi 240.000 km / giờ - sẽ mất 19.000 năm (hoặc hơn 600 thế hệ) để đi du lịch 4.243 năm ánh sáng. Tốt hơn đáng kể, nhưng vẫn không trong lĩnh vực thực tiễn.
Ổ điện từ (EM):
Một phương pháp khác được đề xuất cho việc di chuyển giữa các vì sao xuất hiện dưới dạng Bộ đẩy cộng hưởng cộng hưởng tần số vô tuyến (RF), còn được gọi là EM Drive. Được đề xuất vào năm 2001 bởi Roger K. Shawyer, một nhà khoa học người Anh, người đã bắt đầu Công ty nghiên cứu truyền động vệ tinh (SPR) để đưa nó vào hoạt động, ổ đĩa này được chế tạo dựa trên ý tưởng rằng các khoang vi sóng điện từ có thể cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành lực đẩy .
Trong khi các máy đẩy điện từ thông thường được thiết kế để đẩy một loại khối lượng nhất định (như các hạt bị ion hóa), hệ thống truyền động đặc biệt này không dựa vào khối lượng phản ứng và không phát ra bức xạ định hướng. Một đề xuất như vậy đã gặp phải rất nhiều sự hoài nghi, chủ yếu là vì nó vi phạm luật Bảo toàn Động lượng - trong đó nói rằng trong một hệ thống, lượng động lượng không đổi và không được tạo ra cũng không bị phá hủy, mà chỉ thay đổi thông qua hành động của lực lượng.
Tuy nhiên, các thí nghiệm gần đây với thiết kế rõ ràng đã mang lại kết quả tích cực. Vào tháng 7 năm 2014, tại Hội nghị Động lực chung AIAA / ASME / SAE / ASEE lần thứ 50 tại Cleveland, Ohio, các nhà nghiên cứu từ nghiên cứu động cơ tiên tiến của NASA đã tuyên bố rằng họ đã thử nghiệm thành công một thiết kế mới cho động cơ đẩy điện từ.
Điều này đã được tiếp nối vào tháng 4 năm 2015 khi các nhà nghiên cứu tại NASA Eagleworks (một phần của Trung tâm Vũ trụ Johnson) tuyên bố rằng họ đã thử nghiệm thành công ổ đĩa trong chân không, một dấu hiệu cho thấy nó có thể thực sự hoạt động trong không gian. Vào tháng 7 cùng năm đó, một nhóm nghiên cứu từ khoa Hệ thống vũ trụ của Đại học Công nghệ Dresden đã chế tạo phiên bản động cơ của riêng họ và quan sát thấy một lực đẩy có thể phát hiện được.
Và vào năm 2010, Giáo sư Juan Yang thuộc Đại học Bách khoa Tây Bắc ở Xi hèan, Trung Quốc, đã bắt đầu xuất bản một loạt bài báo về nghiên cứu của cô về công nghệ EM Drive. Điều này lên đến đỉnh điểm trong bài báo năm 2012 của cô, nơi cô báo cáo công suất đầu vào cao hơn (2,5kW) và kiểm tra mức lực đẩy (720mN). Vào năm 2014, cô đã báo cáo thêm các thử nghiệm rộng rãi liên quan đến các phép đo nhiệt độ bên trong với các cặp nhiệt điện nhúng, dường như xác nhận rằng hệ thống đã hoạt động.
Theo tính toán dựa trên nguyên mẫu của NASA (mang lại ước tính công suất 0,4 N / kilowatt), một tàu vũ trụ được trang bị ổ EM có thể thực hiện chuyến đi tới Sao Diêm Vương trong vòng chưa đầy 18 tháng. Đó là một phần sáu thời gian để tàu thăm dò New Horizons đến đó, nó đang di chuyển với tốc độ gần 58.000 km / h (36.000 dặm / giờ).
Âm thanh ấn tượng. Nhưng ngay cả với tốc độ đó, nó sẽ đưa một con tàu được trang bị động cơ EM qua 13.000 năm cho tàu để đến Proxima Centauri. Đến gần hơn, nhưng không đủ nhanh! và cho đến khi công nghệ có thể được chứng minh một cách dứt khoát để hoạt động, nó không có ý nghĩa gì khi bỏ trứng của chúng tôi vào giỏ này.
Động cơ điện hạt nhân / nhiệt điện hạt nhân (NTP / NEP):
Một khả năng khác cho chuyến bay vào vũ trụ giữa các vì sao là sử dụng tàu vũ trụ được trang bị động cơ hạt nhân, một khái niệm mà NASA đã khám phá trong nhiều thập kỷ. Trong một tên lửa đẩy hạt nhân (NTP), các phản ứng urani hoặc deuterium được sử dụng để đốt nóng hydro lỏng bên trong lò phản ứng, biến nó thành khí hydro ion hóa (plasma), sau đó được truyền qua một vòi phun để tạo lực đẩy.
Một tên lửa đẩy điện hạt nhân (NEP) liên quan đến cùng một lò phản ứng cơ bản chuyển đổi nhiệt và năng lượng của nó thành năng lượng điện, sau đó sẽ cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Trong cả hai trường hợp, tên lửa sẽ dựa vào phản ứng phân hạch hoặc hợp hạch hạt nhân để tạo ra lực đẩy chứ không phải là nhiên liệu hóa học, vốn là trụ cột của NASA và tất cả các cơ quan vũ trụ khác cho đến nay.
So với động cơ đẩy hóa học, cả NTP và NEC đều cung cấp một số lợi thế. Đầu tiên và rõ ràng nhất là mật độ năng lượng gần như không giới hạn mà nó cung cấp so với nhiên liệu tên lửa. Ngoài ra, một động cơ chạy bằng năng lượng hạt nhân cũng có thể cung cấp lực đẩy vượt trội so với lượng nhiên liệu được sử dụng. Điều này sẽ cắt giảm tổng lượng nhiên liệu cần thiết, do đó cắt giảm trọng lượng phóng và chi phí cho các nhiệm vụ riêng lẻ.
Mặc dù không có động cơ nhiệt hạt nhân nào từng bay, một số khái niệm thiết kế đã được chế tạo và thử nghiệm trong vài thập kỷ qua, và nhiều khái niệm đã được đề xuất. Những thứ này đã thay đổi từ thiết kế lõi rắn truyền thống - chẳng hạn như Động cơ hạt nhân cho ứng dụng phương tiện tên lửa (NERVA) - đến các khái niệm tiên tiến và hiệu quả hơn dựa trên lõi lỏng hoặc lõi khí.
Tuy nhiên, mặc dù có những ưu điểm về hiệu quả nhiên liệu và xung lực cụ thể, khái niệm NTP tinh vi nhất có xung lực cụ thể tối đa 5000 giây (50 kN · s / kg). Sử dụng các động cơ hạt nhân được điều khiển bởi quá trình phân hạch hoặc hợp hạch, các nhà khoa học của NASA ước tính sẽ mất một tàu vũ trụ chỉ sau 90 ngày để tới Sao Hỏa khi hành tinh này ở thế giới đối lập Hồi giáo - tức là cách Trái đất 55.000.000 km.
Nhưng được điều chỉnh cho hành trình một chiều đến Proxima Centauri, một tên lửa hạt nhân vẫn sẽ mất hàng thế kỷ để tăng tốc đến điểm mà nó đang bay một phần tốc độ ánh sáng. Sau đó, nó sẽ cần nhiều thập kỷ thời gian di chuyển, tiếp theo là nhiều thế kỷ giảm tốc nữa trước khi đến đích. Tất cả đã nói, chúng tôi vẫn nói về 1000 năm trước khi nó đến đích Tốt cho các nhiệm vụ liên hành tinh, không tốt cho các nhiệm vụ liên sao.
Phương pháp lý thuyết:
Sử dụng công nghệ hiện có, thời gian cần thiết để gửi các nhà khoa học và phi hành gia vào một nhiệm vụ liên sao sẽ rất chậm. Nếu chúng ta muốn thực hiện hành trình đó trong một đời, hoặc thậm chí là một thế hệ, sẽ cần một cái gì đó triệt để hơn một chút (hay còn gọi là lý thuyết cao). Và trong khi lỗ sâu đục và động cơ nhảy vẫn có thể là hư cấu thuần túy vào thời điểm này, có một số ý tưởng khá tiên tiến đã được xem xét trong những năm qua.
Lực đẩy xung hạt nhân:
Lực đẩy xung hạt nhân là một dạng lý thuyết có thể có của du hành vũ trụ nhanh. Khái niệm ban đầu được đề xuất vào năm 1946 bởi Stanislaw Ulam, một nhà toán học người Mỹ gốc Ba Lan, người đã tham gia Dự án Manhattan, và sau đó các tính toán sơ bộ đã được F. Reines và Ulam thực hiện vào năm 1947. Dự án thực tế - được gọi là Dự án Orion - được khởi xướng 1958 và kéo dài đến năm 1963.
Được dẫn dắt bởi Ted Taylor tại General Atomics và nhà vật lý Freeman Dyson từ Viện nghiên cứu nâng cao ở Princeton, Orion hy vọng sẽ khai thác sức mạnh của vụ nổ hạt nhân xung để cung cấp lực đẩy rất lớn với lực đẩy rất cao (nghĩa là lực đẩy so với trọng lượng hoặc số giây mà tên lửa có thể liên tục bắn).
Tóm lại, thiết kế của Orion bao gồm một tàu vũ trụ lớn với nguồn cung cấp đầu đạn nhiệt hạch cao để đạt được lực đẩy bằng cách thả một quả bom phía sau nó và sau đó cưỡi sóng kích nổ với sự trợ giúp của một miếng đệm gắn phía sau được gọi là máy bắn đá. Sau mỗi vụ nổ, lực nổ sẽ được hấp thụ bởi miếng đẩy này, sau đó chuyển lực đẩy thành động lượng.
Mặc dù hầu như không thanh lịch theo tiêu chuẩn hiện đại, nhưng ưu điểm của thiết kế là nó đạt được một xung lực cụ thể cao - có nghĩa là nó khai thác tối đa năng lượng từ nguồn nhiên liệu của nó (trong trường hợp này là bom hạt nhân) với chi phí tối thiểu. Ngoài ra, về mặt lý thuyết, khái niệm này có thể đạt được tốc độ rất cao, với một số ước tính cho thấy một con số trên sân bóng cao tới 5% tốc độ ánh sáng (hoặc 5,4 × 107 km / giờ).
Nhưng tất nhiên, có những nhược điểm không thể tránh khỏi trong thiết kế. Đối với một, một con tàu có kích thước này sẽ cực kỳ tốn kém để chế tạo. Theo ước tính do Dyson sản xuất năm 1968, một tàu vũ trụ Orion sử dụng bom hydro để tạo ra lực đẩy sẽ có trọng lượng 400.000 đến 4.000.000 tấn. Và ít nhất ba phần tư trọng lượng đó bao gồm bom hạt nhân, trong đó mỗi đầu đạn nặng khoảng 1 tấn.
Tất cả đã nói, ước tính bảo thủ nhất của Dyson, đặt tổng chi phí xây dựng một tàu Orion ở mức 367 tỷ đô la. Được điều chỉnh theo lạm phát, có thể lên tới khoảng 2,5 nghìn tỷ đô la - chiếm hơn hai phần ba doanh thu hàng năm của chính phủ Hoa Kỳ. Do đó, ngay cả ở mức độ nhẹ nhất, thủ công sẽ cực kỳ tốn kém để sản xuất.
Ngoài ra, còn có vấn đề nhỏ về tất cả các bức xạ mà nó tạo ra, chưa kể chất thải hạt nhân. Trên thực tế, chính vì lý do này mà Dự án được cho là đã bị chấm dứt, do việc thông qua Hiệp ước cấm thử nghiệm một phần năm 1963 đã tìm cách hạn chế thử hạt nhân và ngăn chặn sự phóng thích quá mức của hạt nhân rơi vào bầu khí quyển hành tinh.
Tên lửa hợp nhất:
Một khả năng khác trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân được khai thác liên quan đến các tên lửa dựa vào phản ứng nhiệt hạch để tạo lực đẩy. Đối với khái niệm này, năng lượng được tạo ra khi các viên của hỗn hợp deuterium / helium-3 được đốt cháy trong buồng phản ứng bằng cách giam cầm bằng chùm tia điện tử (tương tự như những gì được thực hiện tại Cơ sở đánh lửa quốc gia ở California). Lò phản ứng nhiệt hạch này sẽ kích nổ 250 viên mỗi giây để tạo ra plasma năng lượng cao, sau đó sẽ được dẫn hướng bởi một vòi phun từ tính để tạo lực đẩy.
Giống như một tên lửa dựa vào lò phản ứng hạt nhân, khái niệm này mang lại lợi thế về hiệu quả nhiên liệu và xung lực cụ thể. Vận tốc khí thải lên tới 10.600 km / giây được ước tính, vượt xa tốc độ của tên lửa thông thường. Hơn nữa, công nghệ này đã được nghiên cứu rộng rãi trong vài thập kỷ qua và nhiều đề xuất đã được đưa ra.
Chẳng hạn, từ năm 1973 đến 1978, Hiệp hội liên hành tinh Anh đã tiến hành một nghiên cứu khả thi được gọi là Dự án Daedalus. Dựa vào kiến thức hiện tại về công nghệ nhiệt hạch và các phương pháp hiện có, nghiên cứu kêu gọi tạo ra một tàu thăm dò khoa học không người lái hai giai đoạn thực hiện chuyến đi tới Sao Ba Ngôi (cách Trái đất 5,9 năm ánh sáng) trong một đời.
Giai đoạn đầu tiên, lớn hơn trong hai, sẽ hoạt động trong 2,05 năm và tăng tốc tàu vũ trụ lên 7,1% tốc độ ánh sáng (o.071 c). Giai đoạn này sau đó sẽ bị vứt bỏ, tại thời điểm đó, giai đoạn thứ hai sẽ đốt cháy động cơ của nó và tăng tốc tàu vũ trụ lên tới khoảng 12% tốc độ ánh sáng (0,12 c) trong quá trình 1,8 năm. Động cơ giai đoạn hai sau đó sẽ ngừng hoạt động và con tàu sẽ bước vào giai đoạn hành trình 46 năm.
Theo ước tính của Dự án, nhiệm vụ sẽ mất 50 năm để đến được ngôi sao Barnard. Được điều chỉnh cho Proxima Centauri, cùng một nghề có thể thực hiện chuyến đi trong 36 năm. Nhưng tất nhiên, dự án cũng xác định nhiều vấp ngã khiến nó không khả thi khi sử dụng công nghệ hiện tại - hầu hết trong số đó vẫn chưa được giải quyết.
Chẳng hạn, có một thực tế là helium-3 đang khan hiếm trên Trái đất, điều đó có nghĩa là nó sẽ phải được khai thác ở nơi khác (rất có thể là trên Mặt trăng). Thứ hai, phản ứng điều khiển tàu vũ trụ đòi hỏi năng lượng được giải phóng vượt quá năng lượng được sử dụng để kích hoạt phản ứng. Và trong khi các thí nghiệm ở đây trên Trái đất đã vượt qua mục tiêu hòa vốn, thì chúng ta vẫn còn cách xa các loại năng lượng cần thiết để cung cấp năng lượng cho một tàu vũ trụ giữa các vì sao.
Thứ ba, có yếu tố chi phí để xây dựng một con tàu như vậy. Ngay cả với tiêu chuẩn khiêm tốn của nghề thủ công không người lái Project Daedalus, một chiếc máy bay chạy bằng nhiên liệu đầy đủ sẽ nặng tới 60.000 Mt. Đặt điều đó vào viễn cảnh, tổng trọng lượng của NASA Cùng SLS chỉ hơn 30 Mt và một lần phóng duy nhất đi kèm với mức giá 5 tỷ đô la (dựa trên ước tính được thực hiện vào năm 2013).
Nói tóm lại, một tên lửa nhiệt hạch sẽ không chỉ tốn kém để chế tạo; nó cũng đòi hỏi một mức độ công nghệ lò phản ứng nhiệt hạch hiện đang vượt quá khả năng của chúng tôi. Icarus Interstellar, một tổ chức quốc tế gồm các nhà khoa học công dân tình nguyện (một số người từng làm việc cho NASA hoặc ESA) đã cố gắng hồi sinh khái niệm này với Project Icarus. Được thành lập vào năm 2009, nhóm hy vọng sẽ làm cho lực đẩy nhiệt hạch (trong số những thứ khác) khả thi trong tương lai gần.
Hợp nhất Ramjet:
Còn được gọi là Bussard Ramjet, hình thức đẩy lý thuyết này lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý Robert W. Bussard vào năm 1960. Về cơ bản, nó là một cải tiến so với tên lửa nhiệt hạch hạt nhân tiêu chuẩn, sử dụng từ trường để nén nhiên liệu hydro đến điểm hợp nhất xảy ra Nhưng trong trường hợp Ramjet, một phễu điện từ khổng lồ đã hất văng hydro từ môi trường liên sao và ném nó vào lò phản ứng làm nhiên liệu.
Khi con tàu tăng tốc, khối lượng phản ứng bị buộc vào một từ trường bị hạn chế dần dần, nén nó cho đến khi xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân nhiệt. Từ trường sau đó hướng năng lượng dưới dạng khí thải tên lửa qua một vòi động cơ, do đó tăng tốc cho tàu. Nếu không có bất kỳ thùng nhiên liệu nào để cân nó xuống, một máy bay phản lực nhiệt hạch có thể đạt được tốc độ đạt gần 4% tốc độ ánh sáng và di chuyển đến bất cứ nơi nào trong thiên hà.
Tuy nhiên, nhược điểm tiềm năng của thiết kế này là rất nhiều. Ví dụ, có vấn đề kéo. Con tàu dựa vào tốc độ tăng để tích lũy nhiên liệu, nhưng khi nó va chạm với ngày càng nhiều hydro giữa các vì sao, nó cũng có thể mất tốc độ - đặc biệt là ở các khu vực dày đặc hơn của thiên hà. Thứ hai, deuterium và tritium (được sử dụng trong các lò phản ứng nhiệt hạch ở đây trên Trái đất) rất hiếm trong không gian, trong khi việc nung chảy hydro thường xuyên (rất dồi dào trong không gian) nằm ngoài các phương pháp hiện tại của chúng tôi.
Khái niệm này đã được phổ biến rộng rãi trong khoa học viễn tưởng. Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất về điều này là trong nhượng quyền thương mại của Star Trek, trong đó các nhà sưu tập của Buss Bussard là những cây xà cừ phát sáng trên các động cơ dọc. Nhưng trong thực tế, kiến thức về phản ứng nhiệt hạch của chúng ta cần phải tiến bộ đáng kể trước khi có thể sử dụng ramjet. Chúng tôi cũng sẽ phải tìm ra vấn đề kéo lê phiền phức trước khi chúng tôi bắt đầu xem xét việc đóng một con tàu như vậy!
Laser buồm:
Cánh buồm mặt trời từ lâu đã được coi là một cách hiệu quả để khám phá Hệ mặt trời. Ngoài việc sản xuất tương đối dễ dàng và rẻ tiền, còn có thêm phần thưởng cho các cánh buồm mặt trời không cần nhiên liệu. Thay vì sử dụng tên lửa cần nhiên liệu đẩy, cánh buồm sử dụng áp suất bức xạ từ các ngôi sao để đẩy những chiếc gương siêu mỏng lớn lên tốc độ cao.
Tuy nhiên, vì lợi ích của chuyến bay giữa các vì sao, một cánh buồm như vậy sẽ cần phải được điều khiển bởi các chùm năng lượng tập trung (tức là laser hoặc vi sóng) để đẩy nó đến một vận tốc tiếp cận với tốc độ ánh sáng. Khái niệm ban đầu được đề xuất bởi Robert Forward vào năm 1984, người là một nhà vật lý tại phòng thí nghiệm nghiên cứu của Hughes Airplane.
Khái niệm này vẫn giữ được những lợi ích của cánh buồm mặt trời, ở chỗ nó không cần nhiên liệu trên tàu, mà còn từ thực tế là năng lượng laser không tiêu tan với khoảng cách gần bằng bức xạ mặt trời. Vì vậy, trong khi một cánh buồm chạy bằng laser sẽ mất một thời gian để tăng tốc đến tốc độ gần như phát sáng, nó sẽ chỉ bị giới hạn ở tốc độ ánh sáng.
Theo một nghiên cứu năm 2000 được sản xuất bởi Robert Frisbee, giám đốc nghiên cứu khái niệm động cơ tiên tiến tại Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của NASA, một cánh buồm laser có thể được tăng tốc đến một nửa tốc độ ánh sáng trong vòng chưa đầy một thập kỷ. Ông cũng tính toán rằng một cánh buồm đo khoảng 320 km (200 dặm) đường kính có thể đạt Proxima Centauri chỉ trong vòng 12 năm. Trong khi đó, một đo buồm khoảng 965 km (600 dặm) đường kính sẽ đến chỉ trong vòng 9 năm.
Tuy nhiên, một cánh buồm như vậy sẽ phải được chế tạo từ vật liệu tổng hợp tiên tiến để tránh tan chảy. Kết hợp với kích thước của nó, điều này sẽ tăng thêm một xu khá! Tệ hơn nữa là chi phí cực lớn phát sinh từ việc chế tạo một tia laser lớn và đủ mạnh để lái một cánh buồm tới một nửa tốc độ ánh sáng. Theo nghiên cứu của chính Frĩaee, các tia laser sẽ cần một luồng năng lượng ổn định 17.000 terawatt - gần với mức mà toàn bộ thế giới tiêu thụ trong một ngày.
Động cơ phản vật chất:
Những người hâm mộ khoa học viễn tưởng chắc chắn đã nghe nói về phản vật chất. Nhưng trong trường hợp bạn thiên đường, phản vật chất thực chất là vật liệu cấu tạo từ các phản hạt, có cùng khối lượng nhưng ngược chiều với các hạt thông thường. Trong khi đó, một động cơ phản vật chất là một dạng lực đẩy sử dụng các tương tác giữa vật chất và phản vật chất để tạo ra sức mạnh hoặc để tạo lực đẩy.
Nói tóm lại, một động cơ phản vật chất liên quan đến các hạt hydro và chất chống oxy hóa được đập vào nhau. Phản ứng này giải phóng năng lượng nhiều như một quả bom nhiệt hạch, cùng với một cơn mưa các hạt hạ nguyên tử được gọi là pion và muon. Những hạt này, sẽ di chuyển với tốc độ bằng một phần ba tốc độ ánh sáng, sau đó được truyền qua một vòi phun từ tính để tạo lực đẩy.
Ưu điểm của loại tên lửa này là một phần lớn khối lượng còn lại của hỗn hợp vật chất / phản vật chất có thể được chuyển đổi thành năng lượng, cho phép tên lửa phản vật chất có mật độ năng lượng cao hơn và xung lực cụ thể hơn bất kỳ loại tên lửa đề xuất nào khác. Hơn nữa, việc điều khiển loại phản ứng này có thể hình dung sẽ đẩy một tên lửa lên tới một nửa tốc độ ánh sáng.
Pound cho pound, lớp tàu này sẽ là tàu nhanh nhất và tiết kiệm nhiên liệu nhất từng được hình thành. Trong khi các tên lửa thông thường đòi hỏi hàng tấn nhiên liệu hóa học để đẩy tàu vũ trụ đến đích, một động cơ phản vật chất có thể thực hiện công việc tương tự chỉ với vài miligam nhiên liệu. Trên thực tế, sự hủy diệt lẫn nhau của một nửa pound hydro và các hạt chống hydro sẽ giải phóng nhiều năng lượng hơn một quả bom hydro 10 megaton.
Chính vì lý do này mà NASA Viện các khái niệm nâng cao (NIAC) đã điều tra công nghệ này như một phương tiện khả thi cho các sứ mệnh sao Hỏa trong tương lai. Thật không may, khi xem xét các nhiệm vụ cho các hệ thống sao gần đó, lượng nhiên liệu cần thiết để thực hiện chuyến đi được nhân lên theo cấp số nhân và chi phí liên quan đến việc sản xuất nó sẽ là thiên văn (không chơi chữ!).
Theo một báo cáo được chuẩn bị cho Hội nghị và Triển lãm Động lực chung AIAA / ASME / SAE / ASEE lần thứ 39 (cũng bởi Robert Frisbee), một tên lửa phản vật chất hai giai đoạn sẽ cần hơn 815.000 tấn nhiên liệu (900.000 tấn Mỹ) để thực hiện hành trình đến Proxima Centauri trong khoảng 40 năm. Đó không phải là xấu, xa như thời gian đi. Nhưng một lần nữa, chi phí
Trong khi một gram phản vật chất sẽ tạo ra một lượng năng lượng đáng kinh ngạc, ước tính rằng việc sản xuất một gram sẽ cần khoảng 25 triệu tỷ kilowatt giờ năng lượng và tiêu tốn hơn một nghìn tỷ đô la. Hiện tại, tổng lượng phản vật chất đã được tạo ra bởi con người là ít hơn 20 nanogram.
Và ngay cả khi chúng ta có thể sản xuất phản vật chất với giá rẻ, bạn sẽ cần một con tàu khổng lồ để chứa lượng nhiên liệu cần thiết. Theo báo cáo của Tiến sĩ Darrel Smith & Jonathan Webby thuộc Đại học Hàng không Embry-Riddle ở Arizona, một tàu thủ công giữa các vì sao được trang bị động cơ phản vật chất có thể đạt tới 0,5 tốc độ ánh sáng và đạt tới Proxima Centauri trong một chút 8 năm. Tuy nhiên, bản thân con tàu sẽ nặng 400 tấn (441 tấn Mỹ) và sẽ cần 170 tấn (187 tấn Mỹ) nhiên liệu phản vật chất để thực hiện hành trình.
Một cách có thể xung quanh điều này là tạo ra một tàu có thể tạo ra phản vật chất mà sau đó nó có thể lưu trữ làm nhiên liệu. Khái niệm này, được gọi là Hệ thống thám hiểm giữa các vì sao phản lực (VARIES), được đề xuất bởi Richard Obousy của Icarus Interstellar. Dựa trên ý tưởng tiếp nhiên liệu tại chỗ, một con tàu VARIES sẽ dựa vào các tia laser lớn (được cung cấp bởi các mảng năng lượng mặt trời khổng lồ) sẽ tạo ra các hạt phản vật chất khi bắn vào không gian trống.
Giống như khái niệm Ramjet, đề xuất này giải quyết vấn đề mang nhiên liệu bằng cách khai thác nó từ không gian. Nhưng một lần nữa, chi phí tuyệt đối của một con tàu như vậy sẽ cực kỳ tốn kém khi sử dụng công nghệ hiện tại. Ngoài ra, khả năng tạo phản vật chất với khối lượng lớn không phải là điều chúng tôi hiện có sức mạnh để làm. Ngoài ra, còn có vấn đề về phóng xạ, vì sự hủy diệt vật chất phản vật chất có thể tạo ra các vụ nổ của tia gamma năng lượng cao.
Điều này không chỉ gây nguy hiểm cho phi hành đoàn, đòi hỏi phải che chắn bức xạ đáng kể mà còn yêu cầu các động cơ phải được che chắn để đảm bảo chúng không bị suy thoái nguyên tử từ tất cả các bức xạ mà chúng tiếp xúc. Vì vậy, điểm mấu chốt, công cụ phản vật chất là hoàn toàn không thực tế với công nghệ hiện tại của chúng tôi và trong môi trường ngân sách hiện tại.
Ổ đĩa Warub Alcubierre:
Những người hâm mộ khoa học viễn tưởng cũng không nghi ngờ gì về khái niệm về một chiếc Alcubierre (hay còn gọi là Warpiêu). Được đề xuất bởi nhà vật lý người Mexico Miguel Alcubierre vào năm 1994, phương pháp được đề xuất này là một nỗ lực để biến du lịch FTL thành hiện thực mà không vi phạm lý thuyết tương đối đặc biệt của Einstein. Nói tóm lại, khái niệm liên quan đến việc kéo dài kết cấu không-thời gian trong một sóng, về mặt lý thuyết sẽ khiến không gian phía trước của một vật thể co lại và không gian phía sau nó mở rộng.
Một vật thể bên trong làn sóng này (tức là tàu vũ trụ) sau đó sẽ có thể cưỡi sóng này, được gọi là bong bóng warp bong bóng, vượt quá tốc độ tương đối. Vì con tàu không di chuyển trong bong bóng này mà đang được mang theo khi nó di chuyển, nên các quy tắc về không-thời gian và thuyết tương đối sẽ không còn được áp dụng. Lý do là, phương pháp này không dựa vào việc di chuyển nhanh hơn ánh sáng theo nghĩa địa phương.
Nó chỉ nhanh hơn ánh sáng, theo nghĩa là con tàu có thể đến đích nhanh hơn một chùm ánh sáng đang di chuyển bên ngoài bong bóng dọc. Vì vậy, giả sử rằng một tàu vũ trụ có thể được trang bị hệ thống Alcubierre Drive, nó sẽ có thể thực hiện chuyến đi đến Proxima Centauri trong dưới 4 năm. Vì vậy, khi nói đến du hành vũ trụ giữa các vì sao lý thuyết, đây là công nghệ hứa hẹn nhất, ít nhất là về tốc độ.
Đương nhiên, khái niệm này đã nhận được phần chia sẻ của các đối số trong những năm qua. Trưởng trong số họ là thực tế rằng nó không tính đến cơ học lượng tử và có thể bị vô hiệu hóa bởi một Lý thuyết về mọi thứ (như lực hấp dẫn lượng tử vòng). Các tính toán về lượng năng lượng cần thiết cũng đã chỉ ra rằng một ổ đĩa dọc sẽ cần một lượng năng lượng nghiêm ngặt để hoạt động. Những sự không chắc chắn khác bao gồm sự an toàn của một hệ thống như vậy, ảnh hưởng đến không gian tại điểm đến và vi phạm quan hệ nhân quả.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
