- Parte 1 -
Usando a tecnologia existente, levará muito, muito tempo para enviar cientistas e astronautas em uma missão interestelar. A jornada será dolorosamente longa (mesmo para os padrões cósmicos). Se quisermos fazer essa jornada em pelo menos uma vida, bem, ou uma geração, precisamos de medidas mais radicais (leia-se: puramente teóricas). E se os buracos de minhoca e os motores subespaciais são absolutamente fantásticos no momento, há muitos anos acreditamos em outras ideias.
Usina nuclear
Uma usina nuclear é um "motor" teoricamente possível para viagens espaciais rápidas. O conceito foi originalmente proposto por Stanislaw Ulam em 1946, um matemático polonês-americano que participou do Projeto Manhattan, e cálculos preliminares foram feitos por F. Reines e Ulam em 1947. O projeto Orion foi lançado em 1958 e existiu até 1963.
Liderado por Ted Taylor, da General Atomics, e pelo físico Freeman Dyson, do Institute for Advanced Study em Princeton, Orion aproveitaria o poder das explosões nucleares pulsadas para entregar um enorme impulso com um impulso específico muito alto.
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Em poucas palavras, o Projeto Orion inclui uma grande espaçonave que ganha velocidade apoiando ogivas termonucleares, jogando bombas para trás e acelerando por uma onda de explosão que viaja em um empurrador montado na traseira, um painel de hélice. Após cada empurrão, a força da explosão é absorvida por este painel e convertida em movimento para a frente.
Embora este projeto seja pouco elegante para os padrões modernos, a vantagem do conceito é que ele fornece um alto impulso específico - ou seja, extrai a quantidade máxima de energia de uma fonte de combustível (neste caso, bombas nucleares) com o menor custo. Além disso, esse conceito pode teoricamente acelerar velocidades muito altas, de acordo com algumas estimativas, até 5% da velocidade da luz (5,4 x 107 km / h).
Claro, este projeto tem desvantagens inevitáveis. Por um lado, um navio desse tamanho seria extremamente caro para construir. Em 1968, Dyson estimou que a espaçonave Orion, movida por bombas de hidrogênio, pesaria entre 400.000 e 4.000.000 de toneladas métricas. E pelo menos três quartos desse peso virão de bombas nucleares, cada uma pesando cerca de uma tonelada.
A estimativa conservadora de Dyson mostrou que o custo total da construção do Orion teria sido de US $ 367 bilhões. Ajustado pela inflação, esse valor é de US $ 2,5 trilhões, o que é bastante. Mesmo com as estimativas mais conservadoras, o dispositivo será extremamente caro de fabricar.
Há também um pequeno problema de radiação que ele emitirá, sem falar no lixo nuclear. Acredita-se que foi por esta razão que o projeto foi cancelado sob o tratado de proibição parcial de testes de 1963, quando os governos mundiais procuraram limitar os testes nucleares e impedir a liberação excessiva de precipitação radioativa na atmosfera do planeta.
Foguetes de fusão nuclear
Outra possibilidade de usar a energia nuclear são as reações termonucleares para gerar impulso. Nesse conceito, a energia deve ser gerada por confinamento inercial por pellets de ignição de uma mistura de deutério e hélio-3 em uma câmara de reação usando feixes de elétrons (semelhante ao que é feito no National Ignition Complex na Califórnia). Esse reator de fusão detonaria 250 pelotas por segundo, criando um plasma de alta energia, que seria então redirecionado para um bico, criando o empuxo.
Como um foguete que depende de um reator nuclear, esse conceito tem vantagens em termos de eficiência de combustível e impulso específico. A velocidade estimada deve chegar a 10.600 km / h, bem acima dos limites de velocidade dos foguetes convencionais. Além disso, essa tecnologia foi amplamente estudada nas últimas décadas, e muitas propostas foram feitas.
Por exemplo, entre 1973 e 1978, a Sociedade Interplanetária Britânica empreendeu um estudo de viabilidade para o Projeto Daedalus. Com base no conhecimento moderno e na tecnologia de fusão termonuclear, os cientistas pediram a construção de uma sonda científica não tripulada de dois estágios que pudesse alcançar a Estrela de Barnard (5,9 anos-luz da Terra) durante o período de uma vida humana.
O primeiro estágio, o maior dos dois, funcionaria por 2,05 anos e aceleraria a nave a 7,1% da velocidade da luz. Então, essa fase é descartada, a segunda é acesa e o aparelho acelera a 12% da velocidade da luz em 1,8 anos. Em seguida, o motor do segundo estágio é desligado e o navio está voando há 46 anos.
O Projeto Daedalus estima que a missão levaria 50 anos para chegar à Estrela de Barnard. Se a Proxima Centauri, a mesma nave chegará em 36 anos. Mas, é claro, o projeto inclui uma série de questões não resolvidas, em particular insolúveis com o uso de tecnologias modernas - e a maioria delas ainda não foi resolvida.
Por exemplo, praticamente não há hélio-3 na Terra, o que significa que terá que ser extraído em outro lugar (provavelmente na Lua). Em segundo lugar, a reação que impulsiona a nave requer que a energia emitida seja muito maior do que a energia gasta para desencadear a reação. E embora os experimentos na Terra já tenham ultrapassado o "ponto de equilíbrio", ainda estamos longe da quantidade de energia que pode abastecer um veículo interestelar.
Terceiro, resta a questão do custo de tal navio. Mesmo para os padrões modestos de um veículo não tripulado do Projeto Daedalus, um veículo totalmente equipado pesaria 60.000 toneladas. Só para você saber, o peso bruto do NASA SLS é de pouco mais de 30 toneladas métricas, e só o lançamento custará US $ 5 bilhões (estimativas de 2013).
Em suma, um foguete de fusão não só será muito caro para construir, mas também exigirá um nível de reator de fusão muito além de nossas capacidades. Icarus Interstellar, uma organização internacional de cientistas civis (alguns dos quais trabalharam para a NASA ou a ESA), está tentando revitalizar o conceito com o Projeto Icarus. O grupo reunido em 2009 espera tornar o movimento de fusão (e outros) possível em um futuro próximo.
Ramjet termonuclear
Também conhecido como ramjet Bussard, o motor foi proposto pela primeira vez pelo físico Robert Bussard em 1960. Em seu núcleo, é um aprimoramento do foguete termonuclear padrão, que usa campos magnéticos para comprimir o combustível de hidrogênio até o ponto de fusão. Mas, no caso de um jato-ram, um enorme funil eletromagnético suga o hidrogênio do meio interestelar e o despeja no reator como combustível.
À medida que o veículo ganha velocidade, a massa reativa entra no campo magnético confinante, que o comprime antes do início da fusão. O campo magnético então direciona a energia para o bocal do foguete, acelerando a nave. Uma vez que nenhum tanque de combustível irá retardá-lo, um ramjet termonuclear pode atingir velocidades da ordem de 4% da luz e ir a qualquer lugar na galáxia.
No entanto, esta missão tem muitas desvantagens possíveis. Por exemplo, o problema do atrito. A espaçonave depende de altas taxas de coleta de combustível, mas também colidirá com grandes quantidades de hidrogênio interestelar e perderá velocidade - especialmente em regiões densas da galáxia. Em segundo lugar, não há muito deutério e trítio (que são usados em reatores na Terra) no espaço, e a síntese de hidrogênio comum, que é abundante no espaço, ainda está além do nosso controle.
No entanto, a ficção científica passou a amar esse conceito. O exemplo mais famoso talvez seja a franquia Star Trek, que usa os colecionadores Bussard. Na realidade, nossa compreensão dos reatores de fusão está longe de ser tão perfeita quanto gostaríamos.
Vela laser
As velas solares há muito são consideradas uma forma eficaz de conquistar o sistema solar. Além de serem relativamente simples e baratos de fazer, eles têm uma grande vantagem: não precisam de combustível. Em vez de usar foguetes que precisam de combustível, a vela usa a pressão da radiação das estrelas para impulsionar espelhos ultrafinos a altas velocidades.
No entanto, no caso de um vôo interestelar, tal vela teria que ser impulsionada por feixes de energia focalizados (laser ou microondas) a fim de acelerar a uma velocidade próxima à da luz. O conceito foi proposto pela primeira vez por Robert Forward em 1984, um físico do Laboratório de Aeronaves Hughes.
Sua ideia conserva as vantagens de uma vela solar por não exigir combustível a bordo e também por não se dispersar a distância da mesma forma que a radiação solar a energia do laser. Assim, embora a vela do laser leve algum tempo para acelerar até a velocidade próxima à da luz, ela será posteriormente limitada apenas pela velocidade da própria luz.
De acordo com um estudo de 2000 realizado por Robert Frisbee, diretor de pesquisa de propulsão avançada no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, uma vela a laser atingiria a metade da velocidade da luz em menos de dez anos. Ele também calculou que uma vela com um diâmetro de 320 quilômetros poderia alcançar Proxima Centauri em 12 anos. Enquanto isso, uma vela de 965 quilômetros de diâmetro chegará em apenas 9 anos.
No entanto, essa vela terá que ser construída com materiais compostos avançados para evitar o derretimento. O que será especialmente difícil devido ao tamanho da vela. O custo é ainda pior. De acordo com o Frisbee, os lasers precisarão de um fluxo constante de 17.000 terawatts de energia - aproximadamente a quantidade que o mundo inteiro consome em um dia.
Motor de antimatéria
Os amantes da ficção científica sabem muito bem o que é a antimatéria. Mas se você esquecer, a antimatéria é uma substância composta de partículas que têm a mesma massa das partículas comuns, mas com a carga oposta. Um motor de antimatéria é um motor hipotético que depende de interações entre matéria e antimatéria para gerar energia ou criar impulso.
Em suma, um motor de antimatéria usa partículas de hidrogênio e anti-hidrogênio colidindo entre si. A energia liberada no processo de aniquilação é comparável em volume à energia da explosão de uma bomba termonuclear acompanhada por um fluxo de partículas subatômicas - píons e múons. Essas partículas, que viajam a um terço da velocidade da luz, são redirecionadas para o bico magnético e geram impulso.
A vantagem dessa classe de foguetes é que a maior parte da massa da mistura matéria / antimatéria pode ser convertida em energia, o que proporciona alta densidade de energia e impulso específico superior a qualquer outro foguete. Além disso, a reação de aniquilação pode acelerar o foguete à metade da velocidade da luz.
Esta classe de mísseis será a mais rápida e eficiente em termos de energia possível (ou impossível, mas proposta). Se os foguetes químicos convencionais exigem toneladas de combustível para impulsionar uma espaçonave até seu destino, um motor de antimatéria fará o mesmo trabalho usando alguns miligramas de combustível. A destruição mútua de meio quilograma de partículas de hidrogênio e anti-hidrogênio libera mais energia do que uma bomba de hidrogênio de 10 megatons.
É por esta razão que o Instituto de Conceitos Avançados da NASA está investigando essa tecnologia como possível para futuras missões a Marte. Infelizmente, ao olhar para missões para sistemas estelares próximos, a quantidade de combustível necessária aumenta exponencialmente e os custos tornam-se astronômicos (e isso não é um trocadilho).
De acordo com um relatório preparado para a 39ª Conferência e Exposição Conjunta de Propulsão AIAA / ASME / SAE / ASEE, um foguete de antimatéria de dois estágios exigirá mais de 815.000 toneladas métricas de combustível para atingir Proxima Centauri em 40 anos. É relativamente rápido. Mas o preço …
Embora um grama de antimatéria produza uma quantidade incrível de energia, produzir apenas um grama exigiria 25 milhões de bilhões de quilowatts-hora de energia e equivaleria a um trilhão de dólares. Atualmente, a quantidade total de antimatéria criada por humanos é inferior a 20 nanogramas.
E mesmo se pudéssemos produzir antimatéria a baixo custo, precisaríamos de uma nave enorme que pudesse conter a quantidade necessária de combustível. De acordo com um relatório do Dr. Darrell Smith e Jonathan Webby, da Embry-Riddle Aviation University, no Arizona, uma nave interestelar movida a antimatéria poderia aumentar a velocidade da luz de 0,5 e atingir a Proxima Centauri em pouco mais de 8 anos. No entanto, o próprio navio pesaria 400 toneladas e exigiria 170 toneladas de combustível de antimatéria.
Uma maneira possível de contornar isso é criar uma embarcação que criará antimatéria e a usará como combustível. Este conceito, conhecido como Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), foi proposto por Richard Obausi da Icarus Interstellar. Com base na ideia de reprocessamento no local, o VARIES usaria grandes lasers (alimentados por enormes painéis solares) para criar partículas de antimatéria quando disparados no espaço vazio.
Semelhante ao conceito com um motor ramjet termonuclear, esta proposta resolve o problema de transporte de combustível extraindo-o diretamente do espaço. Mas, novamente, o custo de tal navio será extremamente alto se construído com nossos métodos modernos. Simplesmente não podemos criar antimatéria em grande escala. O problema da radiação também precisa ser abordado, uma vez que a aniquilação da matéria e da antimatéria produz rajadas de raios gama de alta energia.
Eles não representam apenas um perigo para a tripulação, mas também para o motor, para que não se desintegrem em partículas subatômicas sob a influência de toda essa radiação. Resumindo, um motor de antimatéria é completamente impraticável com nossa tecnologia atual.
Alcubierre Warp Drive
Os amantes da ficção científica estão sem dúvida familiarizados com o conceito de warp drive (ou Alcubierre drive). Proposta pelo físico mexicano Miguel Alcubierre em 1994, essa ideia foi uma tentativa de imaginar o movimento instantâneo no espaço sem violar a teoria da relatividade especial de Einstein. Em suma, esse conceito envolve esticar a estrutura do espaço-tempo em uma onda, o que teoricamente faria com que o espaço na frente do objeto se contraísse e atrás dele se expandisse.
Um objeto dentro desta onda (nossa nave) poderá navegar nesta onda, estando em uma "bolha de dobra", a uma velocidade muito superior à relativística. Como a nave não se move na bolha, mas é por ela carregada, as leis da relatividade e do espaço-tempo não serão violadas. Na verdade, esse método não envolve um movimento mais rápido do que a velocidade da luz no sentido local.
É "mais rápido que a luz" apenas no sentido de que a nave pode chegar ao seu destino mais rápido do que um raio de luz viajando para fora da bolha de dobra. Assumindo que a espaçonave será equipada com o sistema Alcubierre, ela alcançará Proxima Centauri em menos de 4 anos. Portanto, se falamos de viagem espacial interestelar teórica, esta é de longe a tecnologia mais promissora em termos de velocidade.
Claro, todo esse conceito é extremamente controverso. Argumentos contra, por exemplo, incluem que não leva em conta a mecânica quântica e pode ser refutado por uma teoria de tudo (como a gravidade quântica em loop). Cálculos da quantidade necessária de energia também mostraram que o impulso de dobra seria proibitivamente voraz. Outras incertezas incluem a segurança de tal sistema, efeitos de espaço-tempo no destino e violações de causalidade.
No entanto, em 2012, o cientista da NASA Harold White disse que ele e seus colegas começaram a explorar a possibilidade de criar o motor de Alcubierre. White afirmou que construiu um interferômetro que irá capturar as distorções espaciais produzidas pela expansão e contração do espaço-tempo da métrica de Alcubierre.
Em 2013, o Laboratório de Propulsão a Jato publicou os resultados dos testes de campo de dobra, que foram realizados em condições de vácuo. Infelizmente, os resultados foram considerados “inconclusivos”. No longo prazo, podemos descobrir que a métrica de Alcubierre viola uma ou mais leis fundamentais da natureza. E mesmo que sua física esteja correta, não há garantia de que o sistema de Alcubierre possa ser usado para voar.
Em geral, tudo é normal: você nasceu muito cedo para viajar até a estrela mais próxima. No entanto, se a humanidade sentir a necessidade de construir uma "arca interestelar" que abrigará uma sociedade humana autossustentável, levará cem anos para chegar à Proxima Centauri. Se, claro, quisermos investir nesse evento.
Em termos de tempo, todos os métodos disponíveis parecem extremamente limitados. E se passarmos centenas de milhares de anos viajando até a estrela mais próxima, podemos ter pouco interesse quando nossa própria sobrevivência está em jogo, com o avanço da tecnologia espacial, os métodos permanecerão extremamente impraticáveis. Quando nossa arca chegar à estrela mais próxima, suas tecnologias se tornarão obsoletas e a própria humanidade pode não existir mais.
Portanto, a menos que façamos um grande avanço na tecnologia de fusão, antimatéria ou laser, nos contentaremos em explorar nosso próprio sistema solar.
Com base em materiais da Universe Today
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