Tähtienväliset lennot

Tähtienvälisen matkustamisen vaikeudet

Tähtienvälisen matkustamisen suurin haaste on valtavat etäisyydet, jotka on kuljettava. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan erittäin suuri nopeus ja/tai erittäin pitkä matka-aika. Matka-aika realistisimmilla propulsiomenetelmillä olisi vuosikymmenistä vuosituhansiin.

Tähtienvälinen alus olisi siis paljon alttiimpi planeettojen välisessä matkustamisessa esiintyville vaaroille, kuten tyhjiölle, säteilylle, painottomuudelle ja mikrometeoriiteille. Suurilla nopeuksilla ajoneuvoon tunkeutuisi monia mikroskooppisen pieniä ainehiukkasia, ellei sitä suojata voimakkaasti. Suojan kantaminen lisäisi huomattavasti työntövoimaongelmia.

Kosmiset säteet

Kosmiset säteet ovat erittäin kiinnostavia, koska ilmakehän ja magneettikentän ulkopuolella ei ole suojaa. Energisimpien erittäin suurienergisten kosmisten säteiden (UHECR) energioiden on havaittu lähestyvän 3 × 10 ²⁰eV:tä, mikä on noin 40 miljoonaa kertaa enemmän kuin suuressa hadronitörmäyttimessä kiihdytettyjen hiukkasten energia. Suurienergisimpien ultrakorkea-energisten kosmisten säteiden energia on 50 J:n kohdalla verrattavissa 90 kilometrin tuntinopeudella kulkevan pesäpallon liike-energiaan (56 mph). Näiden löydösten seurauksena on herännyt kiinnostus tutkia vielä suurempien energioiden kosmisia säteitä. Useimmilla kosmisilla säteillä ei kuitenkaan ole yhtä suuria energioita. Kosmisten säteiden energiajakauman huippu on 0,3 gigaelektronivoltissa (4,8×10⁻¹¹ J).

Tarvittava energia

Merkittävä tekijä on kohtuulliseen matka-aikaan tarvittava energia. Tarvittavan energian alaraja on liike-energia K = ½ mv, ²jossa m on loppumassa. Jos halutaan hidastaa aluksen saapumista, eikä sitä voida saavuttaa millään muulla keinolla kuin aluksen moottoreilla, tarvittava energia vähintään kaksinkertaistuu, koska aluksen pysäyttämiseen tarvittava energia on yhtä suuri kuin sen kiihdyttämiseen matkanopeuteen tarvittava energia.

Muutaman vuosikymmenen mittaisen miehitetyn edestakaisen matkan nopeus jopa lähimpään tähteen on tuhansia kertoja suurempi kuin nykyisten avaruusalusten nopeus. Tämä tarkoittaa, että liike-energian kaavan v-termin² vuoksi tarvitaan miljoonia kertoja enemmän energiaa. Yhden tonnin kiihdyttäminen kymmenesosaan valonnopeudesta vaatii vähintään 450 PJ eli 4,5 ×¹⁷ 10 J eli 125 miljardia kWh, kun ei oteta huomioon häviöitä.

Energialähde on kuljetettava, sillä aurinkopaneelit eivät toimi kaukana auringosta ja muista tähdistä. Tämän energian suuruus voi tehdä tähtienvälisestä matkustamisesta mahdotonta. Eräs insinööri totesi: "Matkaan (Alfa Centaurille) tarvittaisiin vähintään 100 kertaa koko maailman [vuoden] kokonaisenergiatuotanto".

Tähtienvälinen väliaine

tähtienvälinen pöly ja kaasu voivat aiheuttaa huomattavia vaurioita alukselle, koska niiden suhteellinen nopeus ja liike-energia ovat suuria. Suuremmat kohteet (kuten suuremmat pölyhiukkaset) ovat paljon harvinaisempia, mutta olisivat paljon tuhoisampia. .

Matka-aika

Pitkät matka-ajat vaikeuttavat miehitettyjen avaruuslentojen suunnittelua. Avaruusajan perustavanlaatuiset rajat ovat toinen haaste. Tähtienvälisiä matkoja olisi myös vaikea perustella taloudellisista syistä.

Voidaan väittää, että sellaista tähtienvälistä tehtävää, jota ei voida toteuttaa 50 vuodessa, ei pitäisi aloittaa lainkaan. Sen sijaan voimavarat olisi sijoitettava paremman työntövoimajärjestelmän suunnitteluun. Tämä johtuu siitä, että hidas avaruusalus ohitettaisiin luultavasti myöhemmin lähetettävällä, kehittyneemmällä työntövoimalla varustetulla toisella avaruusaluksella.

Toisaalta voidaan siis perustella, että operaatio olisi aloitettava viipymättä, koska muut kuin työntövoimaan liittyvät ongelmat voivat osoittautua työntövoimatekniikkaa vaikeammiksi.

Galaksien välisessä matkustamisessa on kyse etäisyyksistä, jotka ovat noin miljoonakertaiset verrattuna tähtienvälisiin etäisyyksiin, mikä tekee siitä radikaalisti vaikeampaa kuin jopa tähtienvälisestä matkustamisesta.

Kennedyn laskelma

Andrew Kennedy on osoittanut, että ennen vähimmäisodotusaikaa tehdyt matkat ohittavat ne, jotka lähtevät ennen vähimmäisodotusaikaa, kun taas ne, jotka lähtevät vähimmäisajan jälkeen, eivät koskaan ohita niitä, jotka lähtevät vähimmäisajalla.

Kennedyn laskelma riippuu r:stä, joka on maailman sähköntuotannon keskimääräinen vuotuinen kasvu. Mistä tahansa ajankohdasta tiettyyn määränpäähän on olemassa vähimmäisaika määränpäähän. Matkustajat saapuisivat todennäköisesti perille ilman, että myöhemmät matkustajat ohittaisivat heidät, jos he odottaisivat ajan t ennen lähtöä. Määränpäähän pääsemiseen kuluvan ajan (nyt, T_now, tai odottamisen jälkeen, T_t) ja matkanopeuden kasvun välinen suhde on seuraavanlainen

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

Kennedy ottaa esimerkkinä matkan kuuden valovuoden päässä sijaitsevaan Barnardin tähteen ja osoittaa, että maailman keskimääräisen vuotuisen talouskasvun ollessa 1,4 prosenttia ja matkustusnopeuden kasvaessa vastaavasti ihmiskunnan sivilisaatio voisi päästä tähteen nopeimmillaan 1110 vuoden kuluttua vuodesta 2007.

Tähtienväliset etäisyydet

Tähtitieteelliset etäisyydet mitataan usein ajalla, joka valonsäteeltä kuluu kahden pisteen välillä (ks. valovuosi). Valo kulkee tyhjiössä noin 300 000 kilometriä sekunnissa eli 186 000 mailia sekunnissa.

Etäisyys Maasta Kuuhun on 1,3 valosekuntia. Nykyisillä avaruusalusten käyttövoimatekniikoilla alus voi kulkea matkan Maasta Kuuhun noin kahdeksassa tunnissa (New Horizons). Tämä tarkoittaa, että valo kulkee noin kolmekymmentätuhatta kertaa nopeammin kuin nykyiset avaruusalusten käyttövoimateknologiat. Etäisyys Maasta muihin aurinkokunnan planeettoihin vaihtelee kolmesta valominuutista noin neljään valotuntiin. Riippuen planeetasta ja sen sijainnista Maahan nähden tyypillisen miehittämättömän avaruusaluksen matkat kestävät muutamasta kuukaudesta reiluun vuosikymmeneen. Muiden tähtien etäisyys on paljon suurempi. Jos etäisyys Maasta Aurinkoon skaalataan yhteen metriin, etäisyys Alfa Centauri A:han olisi 271 kilometriä eli noin 169 mailia.

Aurinkoa lähin tunnettu tähti on Proxima Centauri, joka on 4,23 valovuoden päässä. Nopein tähän mennessä lähetetty avaruusalus, Voyager 1, on kulkenut 30 vuodessa 1/600 valovuoden matkan ja liikkuu tällä hetkellä 1/18 000 valonnopeudella. Tällä nopeudella matka Proxima Centauriin kestäisi 72 000 vuotta. Tätä tehtävää ei tietenkään ollut tarkoitettu nimenomaan nopeaan matkantekoon tähtiin, ja nykyteknologia pystyy paljon parempaankin. Matka-aika voitaisiin lyhentää muutamaan vuosituhanteen aurinkopurjeilla tai enintään vuosisataan ydinpulssipropulsiolla.

Erityinen suhteellisuusteoria tarjoaa mahdollisuuden lyhentää matka-aikaa: jos riittävän kehittyneillä moottoreilla varustettu avaruusalus saavuttaisi nopeuden, joka on lähellä valonnopeutta, relativistinen aikadilataatio tekisi matkasta matkustajan kannalta paljon lyhyemmän. Maahan jääneiden ihmisten näkökulmasta matka kestäisi kuitenkin edelleen useita vuosia. Maahan palatessaan matkustajat huomaisivat, että Maassa oli kulunut paljon enemmän aikaa kuin heille (kaksoisparadoksi).

Monet ongelmat ratkeaisivat, jos madonreikiä olisi olemassa. Yleinen suhteellisuusteoria ei sulje niitä pois, mutta nykytietämyksemme mukaan niitä ei ole olemassa.

Viestintä

Edestakainen viiveaika on vähimmäisaika, joka kuluu sen välillä, kun luotaimen signaali saapuu Maahan ja kun luotain saa ohjeet Maasta. Koska informaatio ei voi kulkea valonnopeutta nopeammin, Voyager 1:n osalta tämä on noin 32 tuntia, Proxima Centaurin lähellä se olisi 8 vuotta. Nopeammat reaktiot olisi ohjelmoitava automaattisesti suoritettaviksi. Miehitetyllä lennolla miehistö voi tietysti reagoida välittömästi havaintoihinsa. Edestakaisen matkan viiveaika tekee niistä kuitenkin paitsi äärimmäisen kaukaisia myös viestinnän kannalta äärimmäisen eristettyjä Maasta. Toinen tekijä on energia, jota tähtienvälisen viestinnän luotettava perillemeno vaatii. On selvää, että kaasu ja hiukkaset heikentäisivät signaaleja (tähtienvälinen sammuminen), ja signaalin lähettämiseen käytettävissä olevalla energialla olisi rajansa.

Miehitetyt lennot

Minkä tahansa ihmisen kuljettamiseen kykenevän aluksen massa olisi väistämättä huomattavasti suurempi kuin miehittämättömän tähtienvälisen luotaimen massa. Huomattavasti pidemmät matka-ajat edellyttäisivät elämää ylläpitävää järjestelmää. Ensimmäiset tähtienväliset lennot eivät todennäköisesti kuljeta elämänmuotoja.

Ensisijaiset kohteet tähtienväliselle matkalle

Auringosta 20 valovuoden etäisyydellä on 59 tunnettua tähtijärjestelmää, joissa on 81 näkyvää tähteä. Seuraavia voitaisiin pitää ensisijaisina kohteina tähtienvälisille tehtäville: Säteilyvaarat sulkevat pois kaikki orgaaniset olennot Siriukselle suuntautuvalta tutkimusmatkalta. Joka tapauksessa on vaikea kuvitella mitään miehitettyjä tutkimusmatkoja, kun otetaan huomioon todennäköiset matka-ajat.

Ehkäpä todennäköisin aika tähtienväliselle matkalle olisi, kun tähti tulee Oortin pilven läpi. Siitä pitäisi varoittaa reilut 10 000 vuotta, joten voisimme suunnitella tapahtumaa yksityiskohtaisesti. Katso Scholzin tähti, kun tähti tuli viimeksi läpi.

Tähtijärjestelmä	Etäisyys (ly)	Huomautuksia
Alfa Centauri	4.3	Lähin järjestelmä. Kolme tähteä (G2, K1, M5). A-komponentti muistuttaa Aurinkoa (G2-tähti). Alpha Centauri B:ssä on yksi vahvistettu planeetta.
Barnardin tähti	6.0	Pieni, vähäluminositeettinen M5-punainen kääpiö. Seuraavaksi lähimpänä Aurinkokuntaa.
Sirius	8.7	Suuri, hyvin kirkas A1-tähti, jolla on valkoinen kääpiö seuralainen.
Epsilon Eridani	10.8	Yksittäinen K2-tähti, joka on hieman Aurinkoa pienempi ja kylmempi. Sillä on kaksi asteroidivyötä, sillä saattaa olla yksi jättiläisplaneetta ja yksi paljon pienempi planeetta, ja sillä saattaa olla aurinkokunnan tyyppinen planeettajärjestelmä.
Tau Ceti	11.8	Auringon kaltainen yksittäinen G8-tähti. Suurella todennäköisyydellä aurinkokunnan tyyppinen planeettajärjestelmä: nykyisten todisteiden mukaan 5 planeettaa, joista mahdollisesti kaksi on elinkelpoisella vyöhykkeellä.
Gliese 581	20.3	Usean planeetan järjestelmä. Vahvistamaton eksoplaneetta Gliese 581 g ja vahvistettu eksoplaneetta Gliese 581 d ovat tähden elinkelpoisella vyöhykkeellä.
Vega	25.0	Ainakin yksi planeetta, joka on sopivan ikäinen, jotta siellä olisi voinut kehittyä alkeellista elämää.

Nykyinen ja lähitulevaisuuden tähtitieteellinen teknologia pystyy löytämään planeettajärjestelmiä näiden kohteiden ympäriltä, mikä lisää niiden tutkimuspotentiaalia.