El resplandor frío de las estrellas es especialmente hermoso en el cielo invernal. En este momento, las estrellas y constelaciones más brillantes se vuelven visibles: Orión, Pléyades, Gran Perro con el deslumbrante Sirio …
Hace un cuarto de siglo, siete suboficiales de la Academia Naval hicieron una pregunta inusual: ¿qué tan cerca está la humanidad moderna de las estrellas? La investigación dio como resultado un informe detallado conocido como Proyecto Longshot (Long Range Shot). Un concepto de una nave interestelar automática capaz de alcanzar las estrellas más cercanas en un período de tiempo razonable. ¡No milenios de vuelo y "barcos de generaciones"! La sonda debería llegar a las proximidades de Alpha Centauri en un plazo de 100 años desde el momento de su lanzamiento al espacio.
Hiperespacio, gravedad, antimateria, cohetes fotónicos … ¡No! La característica principal del proyecto es su dependencia de las tecnologías existentes. Según los desarrolladores, el diseño Longshot hace posible construir una nave espacial ya en la primera mitad del siglo XXI.
Cien años de vuelo con las tecnologías existentes. Una audacia inaudita, dada la escala de distancias cósmicas. Entre el Sol y Alpha Centauri se encuentra un "abismo negro" de 4, 36 sv de ancho. del año. Más de 40 billones kilómetros! El monstruoso significado de esta figura queda claro en el siguiente ejemplo.
Si reducimos el tamaño del Sol al tamaño de una pelota de tenis, entonces todo el sistema solar encajará en la Plaza Roja. El tamaño de la Tierra en la escala seleccionada disminuirá hasta el tamaño de un grano de arena, mientras que la "pelota de tenis" más cercana, Alpha Centauri, estará en la Plaza de San Marcos en Venecia.
Un vuelo a Alpha Centauri en un transbordador convencional o una nave espacial Soyuz llevaría 190.000 años.
Un diagnóstico terrible suena a sentencia. ¿Estamos condenados a sentarnos en nuestro "grano de arena", sin tener la menor posibilidad de alcanzar las estrellas? En revistas de divulgación científica, hay cálculos que demuestran que es imposible acelerar una nave espacial a velocidades cercanas a la de la luz. Esto requerirá "quemar" toda la materia del sistema solar.
¡Y sin embargo hay una posibilidad! Project Longshot ha demostrado que las estrellas están mucho más cerca de lo que podemos imaginar.
En el casco de la Voyager hay una placa con un mapa de púlsar que muestra la ubicación del Sol en la Galaxia, así como información detallada sobre los habitantes de la Tierra. Se espera que algún día los alienígenas encuentren este "hacha de piedra" y vengan a visitarnos. Pero, si recordamos las peculiaridades del comportamiento de todas las civilizaciones tecnológicas de la Tierra y la historia de las conquistas de América por parte de los conquistadores, no se puede contar con el "contacto pacífico" …
La misión de la expedición
Llega al sistema Alpha Centauri en cien años.
A diferencia de otras "naves estelares" ("Daedalus"), el proyecto "Longshot" implicó entrar en la órbita del sistema estelar (Alpha y Beta Centauri). Esto complicó significativamente la tarea y alargó el tiempo de vuelo, pero permitiría un estudio detallado de la vecindad de estrellas distantes (a diferencia del Dédalo, que habría pasado rápidamente por delante del objetivo en un día y desaparecido sin dejar rastro en las profundidades del espacio).
El vuelo durará 100 años. Se necesitarán otros 4, 36 años para transferir información a la Tierra.
Alpha Centauri comparado con el sistema solar
Los astrónomos están depositando grandes esperanzas en el proyecto: si tiene éxito, tendrán un instrumento fantástico para medir paralaje (distancias a otras estrellas) con una base de 4, 36 sv. del año.
Un vuelo centenario a través de la noche tampoco pasará sin rumbo fijo: el dispositivo estudiará el medio interestelar y ampliará nuestro conocimiento de los límites exteriores del sistema solar.
Disparado a las estrellas
El principal y único problema de los viajes espaciales son las distancias colosales. Una vez resuelto este problema, resolveremos el resto. La reducción del tiempo de vuelo eliminará el problema de una fuente de energía a largo plazo y una alta confiabilidad de los sistemas del barco. Se solucionará el problema de la presencia de una persona a bordo. El corto vuelo hace que los complejos sistemas de soporte vital y los gigantescos suministros de comida / agua / aire a bordo sean innecesarios.
Pero estos son sueños lejanos. En este caso, es necesario enviar una sonda no tripulada a las estrellas dentro de un siglo. No sabemos cómo romper el continuo espacio-tiempo, por lo tanto, solo hay una salida: aumentar la velocidad terrestre de la "nave estelar".
Como mostró el cálculo, un vuelo a Alpha Centauri en 100 años requiere una velocidad de al menos el 4,5% de la velocidad de la luz. 13500 km / s.
No existen prohibiciones fundamentales que permitan a los cuerpos en el macrocosmos moverse a la velocidad indicada, sin embargo, su valor es monstruosamente grande. A modo de comparación: la velocidad de la nave espacial más rápida (sonda "New Horizons") después de apagar la etapa superior fue "sólo" 16,26 km / s (58636 km / h) en relación con la Tierra.
Nave espacial concepto Longshot
¿Cómo acelerar una nave interestelar a velocidades de miles de km / s? La respuesta es obvia: necesita un motor de alto empuje con un impulso específico de al menos 1.000.000 de segundos.
El impulso específico es un indicador 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 ambiente externo, mayor será la velocidad de salida del fluido de trabajo. Y, por tanto, la eficiencia del motor es mayor.
Los mejores ejemplos de modernos motores a reacción eléctricos (ERE) tienen un impulso específico de 10.000 s; a una velocidad de salida de haces de partículas cargadas, hasta 100.000 km / s. El consumo del fluido de trabajo (xenón / criptón) es de unos pocos miligramos por segundo. El motor zumba silenciosamente durante todo el vuelo, acelerando lentamente la nave.
Los EJE cautivan por su relativa simplicidad, bajo costo y el potencial de alcanzar altas velocidades (decenas de km / s), pero debido al bajo valor de empuje (menos de un Newton), la aceleración puede llevar decenas de años.
Otra cosa son los motores de cohetes químicos, sobre los que descansa toda la cosmonáutica moderna. Tienen un empuje enorme (decenas y cientos de toneladas), pero el impulso específico máximo de un motor cohete propulsor líquido de tres componentes (litio / hidrógeno / flúor) es de solo 542 s, con una velocidad de salida de gas de poco más de 5 km. / s. Este es el límite.
Los cohetes propulsores líquidos permiten aumentar la velocidad de la nave espacial en varios km / s en poco tiempo, pero no son capaces de más. La nave espacial necesitará un motor basado en diferentes principios físicos.
Los creadores de "Longshot" han considerado varias formas exóticas, incl. "Vela ligera", acelerada por un láser con una potencia de 3,5 teravatios (el método fue reconocido como inviable).
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), 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 se trata de ninguna reacción estable de fusión termonuclear controlada: no se requiere confinamiento de plasma a largo plazo. Para crear el empuje del chorro, el coágulo de alta temperatura resultante debe ser "empujado" inmediatamente por el campo magnético por la borda del barco.
El combustible es una mezcla de helio-3 / deuterio. El suministro de combustible requerido para un vuelo interestelar será de 264 toneladas.
De manera similar, se planea lograr una eficiencia sin precedentes: en los cálculos, el valor del impulso específico es 1.02 millones.¡segundos!
Como principal fuente de energía para alimentar los sistemas del barco (láseres de motores pulsados, sistemas de control de actitud, comunicaciones e instrumentos científicos) se eligió un reactor convencional basado en conjuntos combustibles de uranio. La potencia eléctrica de la instalación debe ser de al menos 300 kW (la potencia térmica es casi un orden de magnitud superior).
Desde el punto de vista de la tecnología moderna, la creación de un reactor que no requiera recarga durante todo un siglo no es fácil, pero posible en la práctica. Ya ahora, en los buques de guerra, se utilizan sistemas nucleares, cuyo núcleo tiene una vida útil acorde con la vida útil de los buques (30-50 años). La energía también está en completo orden; por ejemplo, la instalación nuclear OK-650 instalada en los submarinos nucleares de la Armada rusa tiene una capacidad térmica de 190 megavatios y es capaz de proporcionar electricidad a toda una ciudad con una población de 50.000 personas.
Tales instalaciones son excesivamente potentes para el espacio. Esto requiere compacidad y cumplimiento preciso de las características especificadas. Por ejemplo, el 10 de julio de 1987, se lanzó Kosmos-1867, un satélite soviético con la instalación nuclear Yenisei (masa del satélite - 1,5 toneladas, potencia térmica del reactor - 150 kW, potencia eléctrica - 6, 6 kW, vida útil - 11 meses).
Esto significa que el reactor de 300 kW utilizado en el proyecto Longshot es una cuestión de futuro cercano. Los propios ingenieros calcularon que la masa de dicho reactor sería de unas 6 toneladas.
En realidad, aquí es donde termina la física y comienzan las letras.
Problemas de los viajes interestelares
Para controlar la sonda, se requerirá un complejo informático 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 el suelo es imposible.
En el campo de la microelectrónica y la creación de dispositivos de investigación, recientemente se han producido cambios a gran escala. Es poco probable que los creadores de Longshot en 1987 tuvieran alguna idea de las capacidades de las computadoras modernas. Se puede considerar que este problema técnico se ha resuelto con éxito durante el último cuarto de siglo.
La situación con los sistemas de comunicación parece igualmente optimista. Para una transmisión confiable de información a una distancia de 4, 36 sv. El año requerirá un sistema de láseres que operen en el valle de la onda de 0.532 micrones y con una potencia de radiación de 250 kW. En este caso, para cada cuadrado. metro de la superficie de la Tierra caerá 222 fotones por segundo, que es mucho más alto que el umbral de sensibilidad de los radiotelescopios modernos. La tasa de transferencia de información desde la distancia máxima será de 1 kbps. Los radiotelescopios y los sistemas de comunicación espacial modernos pueden expandir el canal de intercambio de datos varias veces.
A modo de comparación: la potencia del transmisor de la sonda Voyager 1, que actualmente se encuentra a una distancia de 19 mil millones de km del Sol (17,5 horas luz), es de solo 23 W, como una bombilla en su refrigerador. Sin embargo, esto es suficiente para la transmisión de telemetría a la Tierra a una velocidad de varios kbit / s.
Una línea separada es la cuestión de la termorregulación del barco.
Un reactor nuclear de una clase de megavatios y un motor termonuclear pulsado son fuentes de una cantidad colosal de energía térmica; además, en el vacío solo hay dos formas de eliminar el calor: ablación y radiación.
La solución puede ser instalar un sistema avanzado de radiadores y superficies radiantes, así como un amortiguador cerámico termoaislante entre el compartimiento del motor y los tanques de combustible del barco.
En la etapa inicial del viaje, el barco necesitará un escudo protector adicional contra la radiación solar (similar al que se usa en la estación orbital Skylab). En el área del objetivo final, en órbita de la estrella Beta Centauri, también existirá el peligro de que la sonda se sobrecaliente. Se requiere aislamiento térmico de los equipos y un sistema para transferir el exceso de calor de todos los bloques importantes e instrumentos científicos a los radiadores radiantes.
Un gráfico de la aceleración del barco a lo largo del tiempo.
Gráfico que muestra el cambio de velocidad
La cuestión de proteger la nave espacial de los micrometeoritos y las partículas de polvo cósmico es extremadamente difícil. A una velocidad del 4,5% de la velocidad de la luz, cualquier colisión con un objeto microscópico puede dañar gravemente la sonda. Los creadores de "Longshot" proponen solucionar el problema instalando un potente escudo protector en la parte delantera de la nave (¿metal? ¿Cerámica?), Que a la vez era 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 campos de fuerza / magnéticos o "nubes" de partículas microdispersas retenidas por un campo magnético delante de la nave? Esperemos que para cuando se cree la nave, los ingenieros encuentren una solución adecuada.
En cuanto a la sonda en sí, tradicionalmente tendrá una disposición de varias etapas con tanques desmontables. Material de fabricación de estructuras de casco: aleaciones de aluminio / titanio. La masa total de la nave espacial ensamblada en órbita terrestre baja será de 396 toneladas, con una longitud máxima de 65 metros.
A modo de comparación: la masa de la Estación Espacial Internacional es de 417 toneladas con una longitud de 109 metros.
1) Configuración de lanzamiento en órbita terrestre baja.
2) 33º año de vuelo, separación del primer par de tanques.
3) 67º año de vuelo, separación del segundo par de tanques.
4) Centenario de vuelo: llegada al objetivo a una velocidad de 15-30 km / s.
Separación de la última etapa, entrando en una órbita permanente alrededor de Beta Centauri.
Al igual que la ISS, la Longshot se puede ensamblar utilizando el método de bloque en una órbita terrestre baja. Las dimensiones realistas de la nave espacial hacen posible el uso de vehículos de lanzamiento existentes en el proceso de ensamblaje (a modo de comparación, ¡el poderoso Saturn-V puede transportar una carga de 120 toneladas a LEO a la vez!)
Debe tenerse en cuenta que lanzar un motor termonuclear pulsado en órbita cercana a la Tierra es demasiado arriesgado y descuidado. El proyecto Longshot preveía la presencia de bloques de refuerzo adicionales (motores de cohetes de propulsión química líquida) para obtener la segunda y tercera velocidades cósmicas y retirar la nave espacial del plano de la eclíptica (el sistema Alpha Centauri se encuentra 61 ° por encima del plano de rotación de la Tierra alrededor del Sol). Además, es posible que para ello se justifique una maniobra en el campo gravitacional de Júpiter, como sondas espaciales que lograron escapar del plano de la eclíptica, utilizando aceleración "libre" en las proximidades del planeta gigante.
Epílogo
Todas las tecnologías y componentes de una hipotética nave interestelar existen en la realidad.
El peso y las dimensiones de la sonda Longshot corresponden a las capacidades de la cosmonáutica moderna.
Si empezamos a trabajar hoy, es muy probable que a mediados del siglo XXII nuestros felices bisnietos vean las primeras imágenes del sistema Alpha Centauri de cerca.
El progreso tiene una dirección irreversible: cada día la vida sigue asombrándonos con nuevos inventos y descubrimientos. Es posible que en 10-20 años 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 hacia las estrellas está demasiado lejos para que tenga sentido hablar de ello en serio.
El lector atento probablemente ya haya llamado la atención sobre el problema clave del proyecto Longshot. Helio-3.
¿Dónde conseguir cien toneladas de esta sustancia, si la producción anual de helio-3 es de sólo 60.000 litros (8 kilogramos) por año a un precio de hasta 2.000 dólares el litro? Los valientes escritores de ciencia ficción ponen sus esperanzas en la producción de helio-3 en la Luna y en la atmósfera de planetas gigantes, pero nadie puede dar garantías al respecto.
Existen dudas sobre la posibilidad de almacenar tal volumen de combustible y su suministro dosificado en forma de "tabletas" congeladas necesarias para impulsar un motor termonuclear pulsado. Sin embargo, como el principio mismo de funcionamiento del motor: lo que más o menos funciona en condiciones de laboratorio en la Tierra aún está lejos de ser utilizado en el espacio exterior.
Por último, la fiabilidad sin precedentes de todos los sistemas de sondas. Los participantes del proyecto Longshot escriben directamente sobre esto: la creación de un motor que pueda funcionar durante 100 años sin detenerse y sin reparaciones importantes será un avance técnico increíble. Lo mismo se aplica a todos los demás sistemas y mecanismos de sonda.
Sin embargo, no debes desesperarte. En la historia de la astronáutica, hay ejemplos de una fiabilidad sin precedentes de las naves espaciales. Los pioneros 6, 7, 8, 10, 11, así como los Voyager 1 y 2, ¡todos ellos han trabajado en el espacio exterior durante más de 30 años!
La historia con los propulsores de hidracina (motores de control de actitud) de estas naves espaciales es indicativa. La Voyager 1 cambió a un kit de repuesto en 2004. En ese momento, el conjunto principal de motores había trabajado en espacio abierto durante 27 años, habiendo resistido 353.000 arranques. Cabe destacar que los catalizadores del motor se han calentado continuamente hasta 300 ° C durante todo este tiempo.
Hoy, 37 años después del lanzamiento, ambas Voyager continúan su loco vuelo. Hace mucho que abandonaron la heliosfera, pero continúan transmitiendo regularmente datos sobre el medio interestelar a la Tierra.
Cualquier sistema que dependa de la confiabilidad humana no es confiable. Sin embargo, debemos admitir: en términos de garantizar la confiabilidad de las naves espaciales, hemos logrado ciertos éxitos.
Todas las tecnologías necesarias para la implementación de la "expedición estelar" han dejado de ser las fantasías de los científicos que abusan de los cannabinoides y se han materializado en forma de patentes claras y muestras funcionales de tecnología. En el laboratorio, ¡pero existen!
El diseño conceptual de la nave espacial interestelar Longshot demostró que tenemos la oportunidad de escapar a las estrellas. Son muchas las dificultades que superar en este espinoso camino. Pero lo principal es que se conoce el vector del desarrollo y ha aparecido la confianza en uno mismo.
Puede encontrar más información sobre el proyecto Longshot aquí:
Por la iniciación del interés en este tema, expreso mi agradecimiento a "Postman".
