우리는 모두 인생의 어느 시점에서이 질문을했습니다. 별을 여행하는 데 얼마나 걸립니까? 그것이 사람의 평생 안에있을 수 있습니까? 그리고 이런 종류의 여행이 언젠가는 표준이 될 수 있습니까? 이 질문에 대한 답은 여러 가지가 있습니다. 공상 과학의 영역에서 매우 간단한 질문도 있습니다. 그러나 포괄적 인 답변을 얻으려면 많은 것을 고려해야합니다.
불행히도, 현실적인 평가는 미래 학자와 성간 여행 애호가를 완전히 낙담시키는 답변을 만들어 낼 수 있습니다. 좋든 싫든 공간은 매우 크며 우리의 기술은 여전히 매우 제한적입니다. 그러나“둥지 떠나기”를 생각해야한다면 우리는 우리 은하에서 가장 가까운 태양계에 도달 할 수있는 다양한 옵션을 갖게 될 것입니다.
지구에서 가장 가까운 별은 태양이며, Hertzsprung의 상당히 평균적인 별인 Russell Diagram의“주 계열”입니다. 이것은 지구가 생명체가 진화 할 수 있도록 올바른 유형의 햇빛을 지구에 제공하는 것이 매우 안정적임을 의미합니다. 우리는 태양계 근처에 다른 별을 공전하는 행성이 있다는 것을 알고 있으며,이 별들 중 많은 별이 우리 별과 비슷합니다.
미래에 인류가 태양계를 떠나기를 원한다면, 우리는 여행 할 수있는 수많은 별을 선택할 것이며, 많은 사람들이 인생을 번창하기에 적합한 조건을 가질 수있을 것입니다. 그러나 우리는 어디로 가고 어디까지 가는데 얼마나 걸립니까? 이것은 모두 추론이며 현재 성간 여행에 대한 벤치 마크가 없다는 것을 기억하십시오. 그렇게 말하면, 우리는 간다!
가장 가까운 별 :
이미 언급했듯이, 우리 태양계에 가장 가까운 별은 Proxima Centauri입니다. 이것이이 시스템에 대한 성간 임무를 먼저 계획하는 것이 가장 합당한 이유입니다. 알파 센타 우리 (Alpha Centauri)라는 트리플 스타 시스템의 일환으로 Proxima는 지구에서 약 4.24 광년 (또는 1.3 파섹) 떨어져 있습니다. 알파 센타 우리 (Alpha Centauri)는 실제로 지구에서 밀접하게 공전하는 이진의 4.37 광년의 일부인이 시스템에서 세 명 중 가장 밝은 별이다. .
성간 여행은 날실 속도 및 웜홀에서 점프 드라이브에 이르기까지 FTL (Faster-Than-Light) 여행의 모든 비전을 활용하는 반면, 이러한 이론은 추론 적이거나 (Alcubierre Drive와 같은) 전적으로 과학 영역입니다. 소설. 어쨌든 딥 스페이스 미션은 며칠이 아닌 즉각적인 순간이 아닌 몇 세대가 걸릴 것입니다.
따라서 가장 느린 우주 여행 형태 중 하나부터 Proxima Centauri까지 얼마나 걸립니까?
현재 방법 :
우주의 어딘가에 도달하는 데 걸리는 시간에 대한 질문은 태양계 내의 기존 기술과 신체를 다룰 때 다소 쉽습니다. 예를 들어, 하이드라진 단일 추진 제로 연료를 공급하는 16 대의 추진기로 구성된 New Horizons 임무를 강화한 기술을 사용하면 달에 도달하는 데 단 8 시간 35 분이 소요됩니다.
한편, 유럽 우주국 (ESA)의 SMART-1 임무는 이온 추진 방법을 사용하여 달로 이동하는 데 시간이 걸렸습니다. Dawn 우주선이 Vesta에 도달하기 위해 사용했던이 혁신적인 기술로 SMART-1 임무는 달에 도달하는 데 1 년 1 개월 2 주가 걸렸습니다.
따라서 빠른 로켓 추진 우주선에서 경제적 인 이온 드라이브에 이르기까지 지역 우주를 돌아 다니는 데는 몇 가지 옵션이 있습니다. 그러나 만약 우리가 미션을 좀 더 어딘가로 생각한다면, 우리는 기술을 확장하고 실제로 가능한 것을 살펴 봐야 할 것입니다.
가능한 방법을 말할 때 기존 기술과 관련이 있거나 아직 존재하지 않지만 기술적으로 실현 가능한 방법에 대해 이야기하고 있습니다. 당신이 볼 수 있듯이, 일부는 명예 롭고 입증 된 반면, 다른 사람들은 떠오르거나 여전히 보드에 있습니다. 하지만 거의 모든 경우에 가장 가까운 별까지 도달 할 수있는 가능한 (그러나 시간이 많이 걸리거나 비용이 많이 드는) 시나리오를 제시합니다.
이온 추진력 :
현재, 가장 느린 형태의 추진력과 가장 연료 효율이 높은 것은 이온 엔진입니다. 수십 년 전, 이온 추진은 공상 과학의 주제로 간주되었습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 이온 엔진을 지원하는 기술이 이론에서 실용화되었습니다. 예를 들어 ESA의 SMART-1 임무는 지구에서 13 개월의 나선형 경로를 밟은 후 달 임무를 성공적으로 완료했습니다.
SMART-1은 태양 에너지 이온 스러 스터를 사용했으며, 전기 에너지는 태양 전지 패널에서 수확되어 홀 효과 스러 스터에 전력을 공급하는 데 사용되었습니다. SMART-1을 달로 추진하기 위해 82kg의 크세논 추진 제가 사용되었습니다. 1 kg의 크세논 추진제는 45 m / s의 델타 -v를 제공 하였다. 이것은 매우 효율적인 추진 형태이지만 결코 빠르지는 않습니다.
이온 드라이브 기술을 사용하는 첫 번째 임무 중 하나는 딥 스페이스 1 DS1은 또한 크세논으로 구동되는 이온 드라이브를 사용하여 81.5kg의 추진제를 소비했습니다. 20 개월 동안 추진력을 발휘 한 DS1은 혜성의 비행 중에 56,000km / hr (35,000 마일 / 시간)의 속도에 도달했습니다.
따라서 추진제 단위 질량 (일명 특정 임펄스) 당 추진력이 훨씬 높기 때문에 이온 추진기는 로켓 기술보다 경제적입니다. 그러나 이온 스러 스터가 우주선을 빠른 속도로 가속하는 데 오랜 시간이 걸리며, 달성 할 수있는 최대 속도는 연료 공급량과 생성 가능한 전기 에너지 량에 따라 다릅니다.
따라서 Proxima Centauri의 임무에 이온 추진을 사용하려면 추진기에는 막대한 에너지 생산 원 (즉, 원자력)과 대량의 추진 제가 필요합니다 (전통적인 로켓보다 여전히 적음). 그러나 81.5kg의 크세논 추진제 공급이 56,000km / hr의 최대 속도로 해석된다는 가정하에 (및 추가 가속을위한 중력 새총과 같은 다른 형태의 추진력이 없음) 일부 계산은 만들어지다.
즉, 최대 속도 56,000km / h에서 딥 스페이스 1 인계 할 것이다 81,000 년 지구와 Proxima Centauri 사이에서 4.24 광년을 통과합니다. 그 시간 규모를 원근법으로 생각하면 2,700 명 이상의 인간 세대가 될 것입니다. 따라서 행성 간 이온 엔진 임무는 유성 행성 간 임무를 위해 고려하기에는 너무 느릴 것이라고 말하는 것이 안전합니다.
그러나, 이온 스러 스터를 더 크고 강력하게 만들면 (즉, 이온 배기 속도가 상당히 높아야 함), 4.243 광년 여행 전체에 대한 우주선의 진행을 유지하기 위해 충분한 추진 제가 운반되어 여행 시간이 크게 늘어날 수 있습니다. 줄인. 그래도 여전히 누군가의 인생에서 일어날만큼 충분하지 않습니다.
중력 지원 방법 :
기존의 가장 빠른 우주 여행 수단은 중력 지원 방법으로 알려져 있으며, 경로와 속도를 변경하기 위해 행성의 상대 운동 (궤도)과 중력을 사용하는 우주선을 포함합니다. 중력 보조 장치는 특히 지구 나 다른 거대한 행성 (예 : 거대한 가스)을 사용하여 속도를 높이는 데 매우 유용한 우주 비행 기술입니다.
그만큼 마리너 10 1974 년 2 월에 Venus의 중력 풀을 이용해 수성을 향해 새총을 발사하여이 방법을 사용한 최초의 우주선이있었습니다. 1980 년대에 보이저 1 탐사선은 토성 및 목성을 중력 새총으로 사용하여 현재 속도 60,000km / hr (38,000 마일 / 시간)를 달성하여 성간 공간으로 만듭니다.
그러나 그것은 헬리오스 2 1976 년에 발사되어 0.3AU에서 1AU까지의 행성 간 매체를 연구하기 위해 시작된 미션은 중력 지원으로 달성 된 최고 속도 기록을 보유하고 있습니다. 당시 헬리오스 1 (1974 년에 시작) 헬리오스 2 태양에 가장 근접한 기록을 세웠습니다. 헬리오스 2 기존 NASA Titan / Centaur 발사 차량에 의해 발사되었으며 매우 타원형 궤도에 배치되었습니다.
주변에서 탐사선 궤도 (190 일)의 큰 편심 (0.54)으로 인해, 헬리오스 2 240,000km / hr (150,000 마일 / 시간) 이상의 최대 속도에 도달 할 수있었습니다. 이 궤도 속도는 태양의 중력에 의해서만 달성됩니다. 기술적으로 헬리오스 2 perihelion speed는 중력 새총이 아니고 최대 궤도 속도이지만 여전히 가장 인공적인 물체라는 기록을 보유하고 있습니다.
그래서 만약 보이저 1 60,000 km / hr의 일정한 속도로 붉은 왜성 Proxima Centauri의 방향으로 여행하고 있다면, 그 거리를 여행하는 데 76,000 년 (또는 2,500 세대 이상)이 걸릴 것입니다. 그러나 기록적인 속도를 달성 할 수 있다면 헬리오스 2‘일정한 240,000km / hr의 태양에 가까운 접근 – 19,000 년 4.243 광년 여행 (또는 600 세대 이상). 상당히 더 우수하지만 여전히 실용의 영역에는 없습니다.
전자기 (EM) 드라이브 :
성간 이동의 또 다른 제안 된 방법은 EM 드라이브라고도 알려진 RF 공진 캐비티 추진기의 형태로 제공됩니다. 2001 년에 SPR (Satellite Propulsion Research Ltd)을 시작한 결실을 맺기 시작한 영국 과학자 Roger K. Shawyer가 처음 제안한이 드라이브는 전자기 마이크로파 캐비티가 전기 에너지를 추력으로 직접 변환 할 수 있다는 아이디어를 바탕으로 구축되었습니다. .
종래의 전자기 스러 스터는 특정 유형의 질량 (이온화 입자와 같은)을 추진하도록 설계되었지만,이 특정 구동 시스템은 반응 질량에 의존하지 않고 지향성 방사선을 방출하지 않는다. 이러한 제안은 모멘텀 보존법을 위반하기 때문에 많은 회의론에 부딪쳤다. 이는 시스템 내에서 운동량이 일정하게 유지되고 생성되거나 파괴되지는 않지만 단지 힘.
그러나 최근의 디자인 실험은 긍정적 인 결과를 낳았습니다. 2014 년 7 월 오하이오 주 클리블랜드에서 열린 제 50 회 AIAA / ASME / SAE / ASEE 공동 추진 회의에서 NASA의 고급 추진 연구 연구원들은 전자기 추진 드라이브를위한 새로운 디자인을 성공적으로 테스트했다고 주장했다.
이는 NASA Eagleworks (Johnson Space Center의 일부) 연구원들이 드라이브를 진공에서 성공적으로 테스트했다고 주장하면서 실제로 우주에서 작동 할 수 있음을 나타내는 2015 년 4 월에 이어졌습니다. 같은 해 7 월 드레스덴 공과 대학의 우주 시스템 연구팀은 자체 엔진 버전을 구축하고 감지 할 수있는 추력을 관찰했습니다.
그리고 2010 년 중국 시안에 위치한 노스 웨스턴 폴리 테크니컬 대학의 Juan Yang 교수는 EM Drive 기술에 대한 그녀의 연구에 관한 일련의 논문을 출판하기 시작했습니다. 2012 년 논문에서 그녀는 더 높은 입력 전력 (2.5kW)을보고하고 추력 (720mN)을 테스트했습니다. 2014 년에는 열전대가 내장 된 내부 온도 측정과 관련된 광범위한 테스트를 추가로보고하여 시스템이 작동했음을 확인했습니다.
NASA 프로토 타입 (0.4 N / 킬로와트의 전력 추정치 산출)을 기반으로 한 계산에 따르면, EM 드라이브가 장착 된 우주선은 18 개월 이내에 명왕성을 여행 할 수 있습니다. 뉴 호라이즌 스 탐사선이 도달하는데 걸리는 시간의 6 분의 1은 58,000km / h (36,000mph)에 가까운 속도로 이동했습니다.
인상적이다. 그러나 그 속도에서도 EM 엔진이 장착 된 선박은 13,000 년 선박이 Proxima Centauri에 그것을 만들었습니다. 점점 가까워 지지만 빨리는 아닙니다! 기술이 제대로 작동하는 것으로 입증 될 때까지 계란을 바구니에 넣는 것은 의미가 없습니다.
핵 열 / 핵 전기 추진 (NTP / NEP) :
성간 우주 비행의 또 다른 가능성은 NASA가 수십 년 동안 연구 해 온 개념 인 핵 엔진이 장착 된 우주선을 사용하는 것입니다. NTP (Nuclear Thermal Propulsion) 로켓에서 우라늄 또는 중수소 반응은 원자로 내부의 액체 수소를 가열하여 이온화 수소 가스 (플라즈마)로 전환 한 다음 로켓 노즐을 통과하여 추력을 발생시킵니다.
NEP (Nuclear Electric Propulsion) 로켓에는 열과 에너지를 전기 에너지로 변환하는 동일한 기본 원자로가 포함되어 전기 엔진에 전력을 공급합니다. 두 경우 모두 로켓은 핵분열 또는 핵융합에 의존하여 현재까지 NASA와 다른 모든 우주 기관의 주류였던 화학 추진제보다는 추진력을 생성한다.
화학 추진에 비해 NTP와 NEC는 여러 가지 장점을 제공합니다. 첫 번째이자 가장 명백한 것은 로켓 연료와 비교할 때 사실상 무한한 에너지 밀도입니다. 또한, 원자력 엔진은 사용 된 추진제의 양에 비해 우수한 추력을 제공 할 수있다. 이것은 필요한 추진제의 총량을 줄여 발사 무게와 개별 임무 비용을 줄입니다.
핵열 엔진은 아직까지도 흐르지 않았지만, 지난 수십 년 동안 몇 가지 설계 개념이 구축되고 테스트되었으며 수많은 개념이 제안되었습니다. 여기에는 NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)와 같은 기존의 솔리드 코어 설계에서 액체 또는 가스 코어에 의존하는보다 발전된 효율적인 개념에 이르기까지 다양합니다.
그러나 연료 효율과 특정 임펄스의 이러한 장점에도 불구하고 가장 정교한 NTP 개념은 최대 특정 임펄스가 5000 초 (50kN · s / kg)입니다. NASA 과학자들은 핵분열이나 핵융합으로 구동되는 핵 엔진을 사용하여 지구가 55,000,000km에 가까운 지구에있을 때 화성에 도착하는 데 90 일밖에 걸리지 않을 것으로 추정하고 있습니다.
그러나 Proxima Centauri 로의 편도 여행으로 조정 된 핵 로켓은 여전히 빛의 속도의 일부를 비행하는 지점까지 가속하는 데 몇 세기가 걸릴 것입니다. 그런 다음 수십 년의 여행 시간이 필요하며 목적지에 도착하기 전에 수세기 동안 더 많은 감속이 필요했습니다. 우리는 여전히 이야기하고 있습니다. 1000 년 목적지에 도착하기 전에 행성 간 임무에는 적합하지만, 행성 간 임무에는 적합하지 않습니다.
이론적 방법 :
기존 기술을 사용하면 항성 임무를 수행하는 과학자와 우주 비행사를 보내는 데 걸리는 시간이 엄청나게 느릴 것입니다. 우리가 단일 생애 또는 한 세대 내로 여행을하고 싶다면 조금 더 급진적 인 (일명 이론적) 무언가가 필요할 것입니다. 그리고 웜홀과 점프 엔진은이 시점에서 여전히 순수한 허구 일지 모르지만, 수년 동안 고려 된 다소 진보 된 아이디어가 있습니다.
핵 펄스 추진:
핵 펄스 추진은 이론적으로 가능한 빠른 우주 여행 형태입니다. 이 개념은 원래 1946 년 맨해튼 프로젝트에 참여한 폴란드 계 미국인 수학자 Stanislaw Ulam에 의해 제안되었으며, 1947 년 F. Reines와 Ulam에 의해 예비 계산이 이루어졌습니다. 실제 프로젝트는 Project Orion으로 시작되었습니다. 1958 년과 1963 년까지 지속되었습니다.
프린스턴의 Advanced Research Institute의 General Atomics 및 물리학 자 Freeman Dyson의 테드 테일러 (Ted Taylor)가 이끄는 Orion은 펄스 핵 폭발의 힘을 이용하여 매우 높은 특정 충격 (예 : 무게 또는 추력 대비 추력)을 제공하기를 희망했습니다. 로켓이 계속 발사 할 수있는 시간 (초)입니다.
간단히 말해서, Orion 디자인에는 폭탄이 방출 된 후 추진력을 발휘하고 "푸셔"라고하는 후면 장착 패드를 사용하여 폭발 파를 타면서 대량의 열핵 탄두가 공급되는 대형 우주선이 포함됩니다. 각 폭발 후,이 푸셔 패드는 폭발력을 흡수하여 추력을 운동량으로 변환합니다.
현대식 표준으로는 우아하지는 않지만 디자인의 장점은 높은 특정 임펄스를 달성한다는 것입니다. 즉, 최소 비용으로 연료 원 (이 경우 핵폭탄)에서 최대량의 에너지를 추출합니다. 또한,이 개념은 이론적으로 매우 빠른 속도를 달성 할 수 있으며, 일부 추정치는 광속의 5 % (또는 5.4 × 10)의 야구장 수치를 암시합니다.7 km / hr).
그러나 디자인에는 불가피한 단점이 있습니다. 우선,이 크기의 선박은 제작 비용이 엄청나게 비쌉니다. 1968 년 다이슨 (Dyson)의 추정에 따르면 추진력을 생성하기 위해 수소 폭탄을 사용한 오리온 우주선의 무게는 400,000 ~ 4,000,000 톤이다. 그리고 그 무게의 4 분의 3 이상이 핵폭탄으로 구성되어 있으며, 각 탄두의 무게는 약 1 톤입니다.
다이슨의 가장 보수적 인 추정치에 따르면 오리온 공예품을 만드는 데 드는 총 비용은 3,670 억 달러에 달했습니다. 인플레이션 조정으로 약 2.5 조 달러에 이르렀으며 이는 미국 정부의 현재 연간 수입의 3 분의 2 이상을 차지합니다. 따라서 가장 가벼워도 공예품은 제조 비용이 매우 비쌉니다.
핵 폐기물은 말할 것도없고, 모든 방사선에 약간의 문제가 있습니다. 사실, 핵 실험을 제한하고 지구의 대기로의 핵 낙진의 과도한 방출을 막기 위해 노력했던 1963 년의 부분 시험 금지 조약의 통과로 인해 프로젝트가 종료 된 것으로 추정됩니다.
퓨전 로켓 :
하네스 원자력 영역 내에서 또 다른 가능성은 열핵 반응에 의존하여 추력을 발생시키는 로켓과 관련이 있습니다. 이 개념에서, 에너지는 중수소 / 헬륨 -3 혼합물의 펠릿이 전자 빔을 사용하여 관성 구속에 의해 반응 챔버에서 점화 될 때 생성됩니다 (캘리포니아의 국가 점화 시설에서 수행되는 것과 유사). 이 핵융합 반응기는 초당 250 펠렛을 폭발시켜 고 에너지 플라즈마를 생성 한 다음, 자기 노즐에 의해 추력을 발생시킨다.
원자로에 의존하는 로켓처럼이 개념은 연료 효율과 특정 임펄스에 관한 한 이점을 제공합니다. 최대 10,600 km / s의 배기 속도가 추정되는데, 이는 기존 로켓의 속도를 훨씬 능가합니다. 또한 지난 수십 년 동안 기술이 광범위하게 연구되어 왔으며 많은 제안이 이루어졌습니다.
예를 들어, 1973 년에서 1978 년 사이에 영국 행성 간 학회는 Project Daedalus로 알려진 타당성 조사를 수행했습니다. 융합 기술과 기존의 방법에 대한 현재의 지식에 의존하여,이 연구는 단일 수명으로 Barnard 's Star (지구에서 5.9 광년)를 여행하는 2 단계 무인 과학 탐사선의 생성을 요구했습니다.
두 단계 중 더 큰 첫 번째 단계는 2.05 년 동안 작동하고 우주선을 7.1 %의 빛 속도 (o.071)로 가속화합니다. 씨). 이 단계는 분사되고,이 시점에서 두 번째 단계는 엔진을 점화하고 우주선을 약 12 %의 광속 (0.12)까지 가속합니다. 씨) 1.8 년 동안. 그런 다음 2 단계 엔진이 정지되고 선박은 46 년의 크루즈 기간이 시작됩니다.
프로젝트의 추정에 따르면, 임무는 버나드의 별에 도달하는 데 50 년이 걸릴 것입니다. Proxima Centauri에 맞게 조정 된 동일한 크래프트가 36 년. 물론이 프로젝트는 당시의 기술로는 불가능한 수많은 걸림돌을 발견했습니다. 대부분은 여전히 해결되지 않았습니다.
예를 들어, 헬륨 -3이 지구에 부족하다는 사실이 있습니다. 즉, 다른 곳에서 (마음에 달 가능성이 있음) 채굴해야합니다. 둘째, 우주선을 구동하는 반응은 방출 된 에너지가 반응을 유발하는 데 사용되는 에너지를 크게 초과해야합니다. 그리고이 지구에서의 실험이 "손익분기 목표"를 넘어 섰지 만, 우리는 여전히 항성 간 우주선에 전력을 공급하는 데 필요한 종류의 에너지에서 멀리 떨어져 있습니다.
셋째, 그러한 선박을 건설하기위한 비용 요소가 있습니다. Project Daedalus의 무인 항공기의 표준으로도 완전한 연료는 60,000 Mt입니다. NASA SLS의 총 중량은 30 Mt 이상이며, 단일 출시에는 50 억 달러의 가격표가 있습니다 (2013 년 추정치 기준).
요컨대, 융합 로켓은 건설 비용이 엄청나게 비쌀뿐만 아니라; 또한 현재 우리의 능력을 넘어서는 수준의 융합 원자로 기술이 필요합니다. 자원 봉사자 과학자 (일부 NASA 또는 ESA에서 근무한)의 국제 조직인 Icarus Interstellar는 이후 프로젝트 Icarus를 통해 개념을 활성화하려고 시도했습니다. 2009 년에 설립 된이 그룹은 가까운 미래에 융합 추진 (다른 것들 중에서)을 실현하기를 희망합니다.
퓨전 램제트 :
Bussard Ramjet으로도 알려진이 이론적 인 추진 방식은 1960 년 물리학 자 Robert W. Bussard에 의해 처음 제안되었습니다. 기본적으로, 표준 핵융합 로켓에 비해 개선되었습니다. 기본 핵융합 로켓은 자기장을 사용하여 핵융합 지점까지 수소 연료를 압축합니다. 발생합니다. 그러나 Ramjet의 경우, 거대한 전자기 깔때기가 성간 매체에서 수소를 "스쿠프"하여 연료로 원자로에 버립니다.
선박의 속도가 빨라짐에 따라 반응성 질량은 점진적으로 수축 된 자기장으로 강제되어 열핵 융합이 일어날 때까지 압축합니다. 그런 다음 자기장은 엔진 노즐을 통해 로켓 배기 가스로 에너지를 전달하여 용기를 가속시킵니다. 연료 탱크가 무게를 줄이지 않으면 핵융합 램젯은 빛의 속도의 4 %에 도달하는 속도를 달성하고 은하계 어디든 이동할 수 있습니다.
그러나이 디자인의 잠재적 인 단점은 많습니다. 예를 들어 드래그 문제가 있습니다. 우주선은 연료를 축적하기 위해 속도를 증가 시키지만, 점점 더 많은 성간 수소와 충돌 할 때, 특히 은하의 밀도가 높은 지역에서 속도를 잃을 수 있습니다. 둘째, 중수소와 삼중 수소 (지구의 핵융합 원자로에서 사용됨)는 우주에서는 드물지만, 일반 수소 (우주에서는 풍부함)의 융합은 현재의 방법을 넘어 섭니다.
이 개념은 공상 과학 소설에서 널리 보급되었습니다. 아마도 가장 잘 알려진 예는 프랜차이즈에 있습니다. 스타 트렉여기서 "버 서드 수집기"는 날실 엔진의 빛나는 나셀입니다. 그러나 실제로, 융합 반응에 대한 우리의 지식은 램제트가 가능해지기 전에 상당히 발전해야합니다. 우리는 또한 그러한 배 건설을 고려하기 전에 성가신 항력 문제를 알아 내야 할 것입니다!
레이저 세일 :
태양 돛은 오랫동안 태양계를 탐험하는 비용 효율적인 방법으로 여겨져왔다. 제조가 비교적 쉽고 저렴할뿐만 아니라 연료를 필요로하지 않는 태양 돛의 추가 보너스가 있습니다. 돛은 추진 제가 필요한 로켓을 사용하는 대신 별의 복사 압력을 사용하여 대형 초박형 거울을 고속으로 밀어냅니다.
그러나, 항성 간 비행을 위해서, 그러한 항해는 집중된 에너지 빔 (즉, 레이저 또는 마이크로파)에 의해 구동되어 빛의 속도에 근접하는 속도로 밀어야한다. 이 컨셉은 원래 휴즈 항공의 연구 실험실에서 물리학 자였던 1984 년 Robert Forward가 제안했습니다.
이 개념은 온보드 연료가 필요하지 않고 레이저 에너지가 태양 복사만큼 거리만큼 멀리 떨어지지 않는다는 사실에서 태양 항해의 이점을 유지합니다. 따라서 레이저 구동 항해는 거의 발광 속도까지 가속하는 데 시간이 걸리지 만 빛 자체의 속도로만 제한됩니다.
NASA의 Jet Propulsion Laboratory의 고급 추진 개념 연구 책임자 인 Robert Frisbee의 2000 년 연구에 따르면 레이저 돛은 10 년 이내에 빛의 절반 속도로 가속 될 수 있습니다. 또한 지름 약 320km (200 마일)의 돛이 Proxima Centauri에 도달 할 수 있다고 계산했습니다. 12 년. 한편, 직경 약 965km (600 마일)의 돛은 바로 아래에 도착할 것입니다. 9 년.
그러나 이러한 돛은 용융을 피하기 위해 고급 복합 재료로 만들어야합니다. 그것의 크기와 결합하면, 이것은 꽤 페니에 추가 할 것입니다! 더 나쁜 것은 광선의 절반 속도로 돛을 몰 수있을만큼 강력하고 강력한 레이저를 구축함으로써 발생하는 순전 한 비용입니다. Frisbee의 자체 연구에 따르면, 레이저는 하루에 전 세계가 소비하는 것에 가까운 17,000 테라 와트의 전력을 지속적으로 공급해야합니다.
반물질 엔진 :
공상 과학의 팬들은 반물질에 대해 들어봤을 것입니다. 그러나 반물질은 본질적으로 반입자로 구성되는 물질로, 일반 입자와 질량은 같지만 전하가 반대입니다. 한편 반물질 엔진은 물질과 반물질 간의 상호 작용을 사용하여 힘을 생성하거나 추력을 생성하는 추진 형태입니다.
요컨대, 반물질 엔진은 수소 입자와 반 수소가 함께 부딪 치는 것을 포함한다. 이 반응은 열핵 폭탄만큼의 에너지와 함께 파이온과 뮤온이라는 아 원자 입자의 샤워를 방출합니다. 빛의 3 분의 1 속도로 이동하는이 입자들은 추력을 발생시키기 위해 자기 노즐에 의해 채널링된다.
이러한 부류의 로켓의 장점은 물질 / 반물질 혼합물의 나머지 질량의 많은 부분이 에너지로 변환 될 수있어, 반물질 로켓이 다른 제안 된 부류의 로켓보다 훨씬 높은 에너지 밀도 및 특정 임펄스를 가질 수 있다는 것이다. 또한, 이런 종류의 반응을 제어하면 로켓을 빛의 절반 속도까지 밀어 낼 수 있습니다.
파운드를위한 파운드,이 등급의 선박은 사상 가장 빠르고 연료 효율이 높을 것입니다. 기존의 로켓은 목적지까지 우주선을 추진하기 위해 많은 양의 화학 연료가 필요하지만 반물질 엔진은 단지 몇 밀리그램의 연료로 동일한 작업을 수행 할 수 있습니다. 실제로, 반 파운드의 수소 및 반 수소 입자의 상호 소멸은 10 메가톤 수소 폭탄보다 더 많은 에너지를 방출 할 것입니다.
이 정확한 이유 때문에 NASA NIAC (Institute for Advanced Concepts)는이 기술을 미래의 화성 임무를위한 가능한 수단으로 조사했습니다. 불행히도, 근처의 별 시스템에 대한 임무를 고려할 때, 여행을하는 데 필요한 연료의 양이 기하 급수적으로 증가하고,이를 생산하는 데 드는 비용은 천문학적 일 것입니다 (말도 안됩니다!).
제 39 회 AIAA / ASME / SAE / ASEE 공동 추진 회의 및 전시회 (로버트 프리즈 비 (Robert Frisbee))에 의해 준비된 보고서에 따르면, 2 단계 반물질 로켓은 여행을하기 위해 815,000 미터 톤 (900,000 미국 톤) 이상의 연료가 필요할 것입니다 약 40 년 만에 Proxima Centauri에 타임 라인이 진행되는 한 나쁘지 않습니다. 그러나 다시, 비용…
1 그램의 반물질이 엄청난 양의 에너지를 생산하는 반면, 1 그램 만 생산하기 위해서는 약 2 천 5 백만 킬로와트시의 에너지와 1 조 달러 이상의 비용이 필요할 것으로 추정됩니다. 현재, 인간에 의해 생성 된 반물질의 총량은 20 나노 그램 미만이다.
그리고 우리가 값싼 물건을 위해 반물질을 생산할 수 있다고해도 필요한 양의 연료를 담을 수있는 거대한 배가 필요할 것입니다. 애리조나에있는 Embry-Riddle Aeronautical University의 Darrel Smith & Jonathan Webby 박사의 보고서에 따르면 반물질 엔진이 장착 된 성간 우주선은 빛의 속도가 0.5에 도달하고 Proxima Centauri에 약간 도달 할 수 있습니다 8 년. 그러나 선박 자체의 무게는 400 톤 (441 톤)이며 여행을하려면 170 톤 (187 톤)의 반물질 연료가 필요합니다.
이 문제를 해결할 수있는 방법은 반물질을 만들어 연료로 저장할 수있는 용기를 만드는 것입니다. 진공에 반물질 로켓 성간 탐색기 시스템 (VARIES)으로 알려진이 개념은 Icarus Interstellar의 Richard Obousy에 의해 제안되었습니다. 현장 연료 보급에 대한 아이디어를 바탕으로 VARIES 선박은 빈 공간에서 발사 될 때 반물질의 입자를 생성하는 거대한 레이저 (거대한 태양열 어레이로 구동)를 사용합니다.
Ramjet 개념과 마찬가지로이 제안은 연료를 우주에서 활용하여 운반하는 문제를 해결합니다. 그러나 다시 한 번, 그러한 선박의 비용은 현재 기술을 사용하여 엄청나게 비쌀 것입니다. 또한 대량으로 반물질을 만드는 기능은 현재 우리가 할 수있는 일이 아닙니다. 물질 반물질 소멸이 고 에너지 감마선 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 방사선 문제도 있습니다.
이것은 선원들에게 위험을 줄뿐만 아니라 상당한 방사선 차폐를 요구할뿐만 아니라 엔진이 차폐되어야하며 그들이 노출 된 모든 방사선으로부터 원자 분해를받지 않도록해야합니다. 결론적으로 반물질 엔진은 현재의 기술과 현재의 예산 환경에서 완전히 비실용적입니다.
알 큐비 에르 워프 드라이브 :
공상 과학의 팬들도 Alcubierre (또는 "Warp") 드라이브의 개념에 익숙합니다. 1994 년 멕시코 물리학 자 미구엘 알 큐비 에르 (Miguel Alcubierre)가 제안한이 제안 된 방법은 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 위반하지 않고 FTL 여행을 가능하게하려는 시도였다. 요컨대, 개념은 시공간 구조를 파도로 늘려서 이론적으로 물체 앞의 공간을 수축시키고 그 뒤의 공간을 확장시킵니다.
그러면이 파도 안에있는 물체 (즉, 우주선)는 상대 속도를 넘어서 "워프 버블"로 알려진이 파도를 타게됩니다. 배가이 기포 내에서 움직이지 않고 움직이면서 운반되기 때문에 시공간 규칙과 상대성 규칙이 적용되지 않습니다. 그 이유는이 방법이 국소적인 의미에서 빛보다 빠르게 움직이는 것에 의존하지 않습니다.
배가 워프 버블 외부로 이동하는 광선보다 목적지에 더 빨리 도달 할 수 있다는 점에서 "빛보다 빠릅니다". 따라서 우주선에 Alcubierre Drive 시스템을 장착 할 수 있다고 가정하면 Proxima Centauri로 여행 할 수 있습니다. 4 년 미만. 이론적으로 우주 간 우주 여행에 관해서는, 이것은 적어도 속도 측면에서 가장 유망한 기술입니다.
당연히이 개념은 수년에 걸쳐 반론의 몫을 받았다. 그들 중 가장 중요한 것은 양자 역학을 고려하지 않고 모든 이론 (예 : 루프 양자 중력)에 의해 무효화 될 수 있다는 사실입니다. 요구되는 에너지의 양에 대한 계산은 또한 워프 드라이브가 작동하는 데 엄청난 양의 힘이 필요하다는 것을 나타 냈습니다. 다른 불확실성에는 그러한 시스템의 안전성, 목적지에서의 시공간 영향 및 인과 관계 위반이 포함됩니다.
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!
