Interstellaire ruimtevaart

De moeilijkheden van interstellair reizen

De grootste uitdaging van interstellair reizen zijn de enorme afstanden die moeten worden afgelegd. Dit betekent dat een zeer grote snelheid en/of een zeer lange reistijd nodig is. Met de meest realistische voortstuwingsmethoden zou de reistijd tientallen tot duizenden jaren bedragen.

Een interstellair schip zou dus veel meer worden blootgesteld aan de gevaren van interplanetair reizen, zoals vacuüm, straling, gewichtloosheid en micrometeoroïden. Bij hoge snelheden zou het voertuig worden doorboord door vele microscopische materiedeeltjes, tenzij het zwaar wordt afgeschermd. Het dragen van het schild zou de voortstuwingsproblemen aanzienlijk vergroten.

Kosmische stralen

Kosmische straling is van groot belang omdat er buiten de atmosfeer en het magnetisch veld geen bescherming is. De energieën van de meest energetische kosmische stralen met ultrahoge energie (UHECR's) zijn waargenomen en benaderen 3 × 1020 eV, ongeveer 40 miljoen maal de energie van de deeltjes die door de Large Hadron Collider worden versneld. Bij 50 J hebben de kosmische stralen met de hoogste energie een energie die vergelijkbaar is met de kinetische energie van een honkbal van 90 km per uur (56 mph). Als gevolg van deze ontdekkingen is er belangstelling ontstaan voor onderzoek naar kosmische straling met een nog grotere energie. De meeste kosmische stralen hebben echter niet zulke extreme energieën. De energieverdeling van kosmische stralen bereikt een piek bij 0,3 giga-elektronvolt (4,8×10-11 J).

Benodigde energie

Een belangrijke factor is de energie die nodig is voor een redelijke reistijd. Een ondergrens voor de vereiste energie is de kinetische energie K = ½ mv2 waarbij m de eindmassa is. Indien vertraging bij aankomst gewenst is en dit op geen andere wijze dan met de motoren van het schip kan worden bereikt, dan verdubbelt de vereiste energie op zijn minst, omdat de energie die nodig is om het schip tot stilstand te brengen gelijk is aan de energie die nodig is om het tot de reissnelheid te versnellen.

De snelheid voor een bemande rondreis van enkele tientallen jaren naar zelfs de dichtstbijzijnde ster is duizenden malen groter dan die van de huidige ruimtevoertuigen. Dit betekent dat door de v2 term in de kinetische energie formule, miljoenen malen zoveel energie nodig is. Om één ton tot één tiende van de lichtsnelheid te versnellen is minstens 450 PJ of 4,5 ×1017 J of 125 miljard kWh nodig, verliezen niet meegerekend.

De energiebron moet worden vervoerd, want zonnepanelen werken niet ver van de zon en andere sterren. De omvang van deze energie kan interstellair reizen onmogelijk maken. Een ingenieur verklaarde: "Minstens 100 maal de totale energie-output van de hele wereld [in een bepaald jaar] zou nodig zijn voor de reis (naar Alpha Centauri)".

Interstellair medium

interstellair stof en gas kunnen aanzienlijke schade toebrengen aan het vaartuig, vanwege de hoge relatieve snelheden en grote kinetische energieën die ermee gemoeid zijn. Grotere objecten (zoals grotere stofkorrels) komen veel minder vaak voor, maar zouden veel destructiever zijn. .

Reistijd

De lange reistijden maken het moeilijk om bemande missies te ontwerpen. De fundamentele grenzen van de ruimte-tijd vormen een andere uitdaging. Bovendien zijn interstellaire reizen om economische redenen moeilijk te rechtvaardigen.

Men kan stellen dat een interstellaire missie die niet binnen 50 jaar kan worden voltooid, helemaal niet moet worden gestart. In plaats daarvan zouden de middelen moeten worden geïnvesteerd in het ontwerpen van een beter voortstuwingssysteem. Dit komt omdat een traag ruimteschip waarschijnlijk voorbijgestreefd zou worden door een andere missie die later met een meer geavanceerde aandrijving zou worden gestuurd.

Anderzijds kan er dus voor worden gepleit een missie zonder uitstel te starten, omdat de niet-voortstuwingsproblemen moeilijker kunnen blijken dan de voortstuwingstechniek.

Intergalactisch reizen houdt afstanden in die ongeveer een miljoen keer groter zijn dan interstellaire afstanden, waardoor het radicaal moeilijker is dan zelfs interstellair reizen.

Kennedy's berekening

Andrew Kennedy heeft aangetoond dat reizen die vóór de minimumwachttijd worden ondernomen, zullen worden ingehaald door degenen die op het minimum vertrekken, terwijl degenen die na het minimum vertrekken, nooit degenen zullen inhalen die op het minimum zijn vertrokken.

Kennedy's berekening is afhankelijk van r, de gemiddelde jaarlijkse toename van de wereld elektriciteitsproductie. Vanaf elk punt in de tijd naar een bepaalde bestemming is er een minimum aan de totale tijd tot de bestemming. Reizigers zouden waarschijnlijk aankomen zonder door latere reizigers te worden ingehaald door een tijd t te wachten alvorens te vertrekken. Het verband tussen de tijd die nodig is om op een bestemming te komen (nu, Tnow, of na wachten, Tt, en de groei van de reissnelheid is

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

Met als voorbeeld een reis naar de ster van Barnard, zes lichtjaar van ons vandaan, toont Kennedy aan dat met een gemiddelde jaarlijkse economische groei van 1,4% en een overeenkomstige groei van de reissnelheid, de snelste menselijke beschaving de ster zou kunnen bereiken in 1.110 jaar vanaf het jaar 2007.

Interstellaire afstanden

Astronomische afstanden worden vaak gemeten in de tijd die een lichtstraal nodig heeft om tussen twee punten te reizen (zie lichtjaar). Licht in vacuüm reist ongeveer 300.000 kilometer per seconde of 186.000 mijl per seconde.

De afstand van de aarde tot de maan is 1,3 lichtseconden. Met de huidige aandrijvingstechnologieën voor ruimtevaartuigen kan een vaartuig de afstand van de aarde naar de maan in ongeveer acht uur afleggen (New Horizons). Dat betekent dat licht ongeveer dertigduizend keer sneller reist dan de huidige aandrijvingstechnologieën voor ruimtevaartuigen. De afstand van de aarde tot andere planeten in het zonnestelsel varieert van drie lichtminuten tot ongeveer vier lichturen. Afhankelijk van de planeet en de stand ten opzichte van de aarde duren deze reizen voor een gemiddeld onbemand ruimtevaartuig enkele maanden tot iets meer dan tien jaar. De afstand tot andere sterren is veel groter. Als de afstand van de aarde tot de zon wordt teruggebracht tot één meter, dan zou de afstand tot Alpha Centauri A 271 kilometer of ongeveer 169 mijl bedragen.

De ster die het dichtst bij de zon staat, is Proxima Centauri, op 4,23 lichtjaar afstand. Het snelste ruimtevaartuig dat ooit naar buiten is gestuurd, de Voyager 1, heeft in 30 jaar 1/600e lichtjaar afgelegd en beweegt zich momenteel met 1/18.000e van de lichtsnelheid. Met deze snelheid zou een reis naar Proxima Centauri 72.000 jaar duren. Natuurlijk was deze missie niet specifiek bedoeld om snel naar de sterren te reizen, en de huidige technologie kan veel beter. De reistijd zou kunnen worden teruggebracht tot enkele millennia met behulp van zonnezeilen, of tot een eeuw of minder met behulp van nucleaire pulsaandrijving.

De speciale relativiteit biedt de mogelijkheid om de reistijd te verkorten: als een sterrenschip met voldoende geavanceerde motoren snelheden zou kunnen bereiken die in de buurt van de lichtsnelheid liggen, zou relativistische tijddilatatie de reis voor de reiziger veel korter maken. De reis zou echter nog steeds vele jaren in beslag nemen, gezien door de mensen die op aarde achterblijven. Bij terugkeer op aarde zouden de reizigers ontdekken dat er op aarde veel meer tijd was verstreken dan voor hen (tweelingparadox).

Veel problemen zouden worden opgelost als wormgaten bestonden. De algemene relativiteit sluit ze niet uit, maar voor zover we nu weten, bestaan ze niet.

Mededelingen

De "round-trip delay time" is de minimumtijd tussen het moment dat een sondesignaal de aarde bereikt en het moment dat de sonde instructies van de aarde krijgt. Aangezien informatie niet sneller kan reizen dan de lichtsnelheid, is dit voor de Voyager 1 ongeveer 32 uur, bij Proxima Centauri zou dit 8 jaar zijn. Snellere reacties zouden moeten worden geprogrammeerd om automatisch te worden uitgevoerd. In het geval van een bemande vlucht kan de bemanning natuurlijk onmiddellijk op haar waarnemingen reageren. Door de vertragingstijd van de heen- en terugreis zijn zij echter niet alleen extreem ver weg, maar in termen van communicatie ook extreem geïsoleerd van de aarde. Een andere factor is de energie die nodig is om interstellaire communicatie betrouwbaar te laten aankomen. Het is duidelijk dat gas en deeltjes de signalen zouden afbreken (interstellaire extinctie), en er zouden grenzen zijn aan de beschikbare energie om het signaal te verzenden.

Bemande missies

De massa van een vaartuig dat mensen kan vervoeren, zou onvermijdelijk aanzienlijk groter zijn dan die voor een onbemande interstellaire sonde. De veel langere reistijden zouden een levensinstandhoudingssysteem vereisen. Het is onwaarschijnlijk dat de eerste interstellaire missies levensvormen zullen vervoeren.

Eerste doelen voor interstellaire reizen

Er zijn 59 stelsels bekend binnen 20 lichtjaar van de zon, die 81 zichtbare sterren bevatten. De volgende kunnen worden beschouwd als de beste doelen voor interstellaire missies: Stralingsgevaar zou organische wezens uitsluiten voor een expeditie naar Sirius. Gezien de waarschijnlijke reistijd is een bemande expeditie hoe dan ook moeilijk voorstelbaar.

De meest waarschijnlijke tijd voor interstellaire reizen zou misschien zijn wanneer een ster door onze Oortwolk komt. We zouden daar ruim 10.000 jaar van tevoren op bedacht moeten zijn, zodat we ons daar tot in detail op kunnen voorbereiden. Zie de ster van Scholz voor de laatste keer dat er een doorkwam.

Sterrenstelsel	Afstand (ly)	Opmerkingen
Alpha Centauri	4.3	Dichtstbijzijnde stelsel. Drie sterren (G2, K1, M5). Onderdeel A is vergelijkbaar met de zon (een G2 ster). Alpha Centauri B heeft één bevestigde planeet.
Barnard's Star	6.0	Kleine rode dwerg van M5 met lage lichtkracht. De volgende die het dichtst bij het zonnestelsel staat.
Sirius	8.7	Grote, zeer heldere A1 ster met een witte dwerg begeleider.
Epsilon Eridani	10.8	Enkele K2 ster iets kleiner en kouder dan de zon. Heeft twee asteroïdengordels, heeft mogelijk een reuzenplaneet en een veel kleinere planeet, en bezit mogelijk een planetenstelsel van het zonnestelsel-type.
Tau Ceti	11.8	Eén G8-ster, vergelijkbaar met de zon. Grote kans op een planetenstelsel van het zonnestelsel: de huidige gegevens laten 5 planeten zien met mogelijk twee in de bewoonbare zone.
Gliese 581	20.3	Meervoudig planetenstelsel. De onbevestigde exoplaneet Gliese 581 g en de bevestigde exoplaneet Gliese 581 d bevinden zich in de bewoonbare zone van de ster.
Vega	25.0	Tenminste één planeet, en van een geschikte leeftijd om primitief leven te hebben ontwikkeld.

Met de bestaande en op korte termijn beschikbare astronomische technologie kunnen planeetstelsels rond deze objecten worden gevonden, waardoor hun exploratiepotentieel toeneemt.