宇宙時代の黎明期以来、物理学者、エンジニア、サイエンス フィクション ライターの奇抜なサブカルチャーは、人間が地球のゆりかごから這い出さなければならないという要請に駆り立てられて、昼休みと週末を宇宙船の計画の作成に費やしてきました。そのほとんどの時間、彼らは物理学に集中していました。本当に星まで飛べるの？多くの人は最初はそうは思いませんでしたが、今ではそれが可能であることがわかりました.今日の質問:意志
真実は、私たちはすでにです 意味もなく、星に向かって飛んでいます。 1977 年に打ち上げられた双子のボイジャー宇宙探査機は、外惑星を巡るという当初の目標をはるかに超えて耐え、太陽の領域の境界に到達しました。ボイジャー 1 号は、太陽から 124 天文単位 (AU) 離れており、地球の 124 倍の距離にあり、年間 3.6 AU を記録しています。すでに太陽系を出たかどうかは、「太陽系」の定義にもよりますが、惑星をはるかに超えていることは確かです。その機器は、太陽のエネルギー粒子と磁場が星間空間の粒子と磁場に取って代わられるのを目撃しました。とりわけ、ボイジャーのチームメンバーで惑星科学者であるラルフ・マクナットが「奇妙なプラズマ構造」と表現するものを発見し、調査を懇願しています。 .ボイジャーが遭遇した謎により、科学者は追跡ミッションに着手せざるを得なくなり、宇宙の森のさらに奥深く、200 天文単位以上に挑戦することになります。しかし、どのような宇宙船がそこに到達できるのでしょうか?
小型化:イオン ドライブ
NASA の小惑星帯への探査機ドーンは、主要な推進システムの 1 つであるイオン ドライブを実証しました。イオンドライブは、弾丸ではなく原子を発射する銃のようなものです。船は反動で前進します。このシステムには、推進剤（通常はキセノン）のタンクと、ソーラー パネルやプルトニウム電池などの電源が含まれています。エンジンは最初に推進剤の原子から最も外側の電子を剥ぎ取り、正の電荷を与えます。次に、反対のものが引き寄せられるという原理で、負に帯電したグリッドが原子を船の後ろに引き寄せます。それらはグリッドをオーバーシュートし、化学ロケットの排気の 10 倍の速度 (弾丸の 100 倍) の速度で宇宙に放出されます。ボイジャー後の探査機の場合、イオン エンジンは約 15 年間作動し、宇宙船をボイジャーの数倍の速度で投げつけます。これにより、宇宙船を建造した人々が死亡する前に数百天文単位に達することができます。
スター フライト愛好家は、約 300,000 天文単位離れた最も近い星系であるアルファ ケンタウリを目指して、真の星間ミッションのためのイオン ドライブについても熟考しています。今世紀末までに星間旅行を達成することを使命とする非営利財団である Icarus Interstellar は、小型化された高性能イオン ドライブを搭載した、重さ 10 キログラム未満の小さなプローブである Project Tin Tin を思いつきました。この旅にはまだ何万年もかかるだろうが、このグループは、Tin Tin を現実的な科学ミッションではなく、技術のデモンストレーションと見なしている.
ゴーイングライト:ソーラーセイル
日本の金星探査機IKAROSで使用されているようなソーラーセイルは、推進剤とエンジンを完全に排除しています。光の物理学を利用しています。動いている他のものと同様に、光の波には運動量があり、衝突した表面を押します。力は弱いですが、表面が十分に大きく、質量が小さく、時間がかかると顕著になります。太陽光は、カプトンなどの軽量素材の大きなシートを印象的な速度まで加速できます。太陽系を脱出するのに必要な速度に到達するために、宇宙船はまず太陽に向かって急降下し、水星の軌道内で、太陽の帆を光沢のある太陽光で満たします。
そのような帆船は、1,000 年以内にアルファ ケンタウリに到達できる可能性があります。帆は、太陽にどれだけ近づくことができるかによって速度が制限され、帆の素材の耐久性によっても制限されます。ニューヨーク市立大学の教授であり、星間旅行の長年の支持者である Gregory Matloff は、最も有望な潜在的な材料はグラフェン、つまり炭素グラファイトの極薄層であると述べています。
レーザーまたはマイクロ波ビームは、さらに筋肉を刺激することができます。 1980 年代半ば、星間旅行の第一人者であるロバート フォワードは、当時人気のあったアイデアに便乗することを提案しました。太陽光発電衛星は、軌道上で太陽エネルギーを収集し、マイクロ波によって地球に送り込みます。運用を開始する前に、軌道発電所は旋回し、その電力を下方ではなく上方に向けることができました。 10 ギガワットのステーションは、超軽量の帆 (わずか 16 グラム) を 1 週間以内に光速の 5 分の 1 まで加速することができます。 20 年後、アルファ ケンタウリのライブ ビデオが見られるようになりました。
この「スターウィスプ」スキームには疑わしい特徴があります。巨大なレンズが必要であり、帆は非常に壊れやすいため、ビームはそれを押すのと同じくらい揚げてしまう可能性があります。しかし、人間の体内の星に到達できることを示しました。一生。
大きくなる:核ロケット
帆は小さな探査機を星に飛ばすことができるかもしれませんが、人間の使命を処理することはできません。現在全世界が生成している電力の何千倍もの電力を消費するマイクロ波ビームが必要になります。有人宇宙旅行で最もよく開発された計画は核パルス推進であり、1950 年代と 60 年代に政府が資金提供した Project Orion が取り組んだものです。
あなたがそれについて最初に聞いたとき、そのスキームは邪魔にならないように聞こえます.スターシップに 300,000 個の核爆弾を搭載し、3 秒ごとに 1 個ずつ爆発させ、爆風に乗りましょう。極端ではありますが、他のロケットと同じ基本原理、つまり反動に基づいて動作します。核パルス システムは、ロケットの後部から原子を発射する代わりに、タングステンの火の玉などのプラズマの塊を発射します。
タングステンのプラグと核兵器を金属製のカプセルに詰め、カプセルを船の後ろから発射し、少し離れたところから発射します。真空の宇宙では、爆発による被害は予想よりも少なくなります。気化したタングステンが船に向かって突進し、船の後部にある厚い金属板で跳ね返り、船が反動しながら宇宙に飛び出し、それによって前進します。巨大なショックアブソーバーが乗員の衝撃を和らげます。乗客が 3D チェスをしたり、星間乗客がすることをしたりすると、2 階のアパートで縄跳びをしている子供のようなリズミカルなドスンという音を感じるでしょう。
船は光速の 10 分の 1 に達するかもしれません。太陽爆発やエイリアンの侵略などの何らかの理由で、私たちが本当に早く地球を離れなければならず、発射台を核攻撃することを気にしない場合、これが進むべき道です.必要なものはすべて揃っています。 「今日、私たちが持っている最も近い技術は核パルスです」とマトロフは言います。どちらかといえば、ほとんどの人は喜んですべての核兵器を船に積み込み、それらを取り除くだろう.
理想的には、爆風は制御された核融合反応に置き換えられるでしょう。これは、完全装備のロボット星間船を設計する 70 年代の取り組みである Project Daedalus によって提案されたアプローチでした。最大の問題は、ペイロード 1 トンごとに、船は 100 トンの燃料を運ばなければならないことでした。そのような巨獣は、長さ 200 メートル、質量 50,000 トンの戦艦サイズになります。
英国の航空宇宙技術者であり、設計を更新するための現代的な取り組みである Project Icarus の共同創設者である Kelvin Long は、「それはただの巨大な巨大な機械でした」と述べています。 「しかし、もちろん、それ以降に起こったことは、マイクロエレクトロニクス、技術の小型化、ナノテクノロジーです。これらすべての進展は、再考につながりました。これらの巨大な構造物が本当に必要ですか？」彼は、Project Icarus が今年の 10 月にロンドンで新しいデザインを発表する予定だと言います。
インターステラーの設計者は、燃料タンクを縮小するあらゆる方法を考え出しました。たとえば、船は電場または磁場を使用して、星間空間から水素ガスをすくい上げることができます。その後、水素は核融合炉に供給されます。船の速度が速ければ速いほど、すくう速度も速くなり、この好循環が維持されれば、船はほぼ光速まで推進されます。残念なことに、すくい上げシステムは抗力を生み出し、船を減速させ、粒子の向かい風が乗組員を放射線で焼き尽くします.また、純水素核融合は効率が悪い。核融合を動力源とする船は、地球から燃料を運ぶことを避けられなかったでしょう。
ゴーイング・ダーク:エキゾチック・マターの清掃
ニューヨーク大学の物理大学院生である Jia Liu は、水素ガスを収集する代わりに、天文学者が銀河の大部分を構成していると考えている目に見えないエキゾチックな物質である暗黒物質を探すことを提案しました。素粒子物理学者は、暗黒物質はニュートラリーノと呼ばれる粒子の一種で構成されていると仮定しています。これには有用な特性があります。2 つのニュートラリーノが衝突すると、ガンマ線の炎の中で互いに消滅します。そのような反応は、船を前進させる可能性があります。水素スクーパーのように、暗黒物質船は光速に近づくことができます。しかし、問題は暗黒物質が暗いことです。つまり、電磁気力に反応しません。物理学者はそれを収集する方法を知りません。ましてや、ロケットの推力を生成するためにそれを流すことはできません.
技術者がこれらの問題をどうにかして克服し、光速に近い船を建造した場合、アルファ ケンタウリだけでなく、銀河全体が範囲内に収まるでしょう。 1960 年代の天文学者カール・セーガンは、適度な加速速度 (スポーツカーが使用する速度とほぼ同じ速度) を達成し、それを十分長く維持できれば、光の速度に非常に近くなり、超えることができると計算しました。船上時間のわずか数十年で銀河。おまけとして、そのレートは快適なレベルの人工重力を提供します.
マイナス面としては、その間に地球上で数十万年が経過します。あなたが戻ってくるまでに、あなたの文明全体が類人猿になっているかもしれません。しかし、ある観点から見ると、これは良いことです。相対性理論が時間とともに奏でるトリックは、コンピューターが遅すぎるという永遠の問題を解決するでしょう。何億年にもわたる計算をしたい場合は、離れて遠くの星系を探索してください。戻ったときに結果が準備されています。未来の宇宙船の乗組員は、生存、栄光、または征服のために航海しているわけではないかもしれません。彼らはパズルを解いているかもしれません。
ゴーイングワープ:時間と空間を曲げる
船が光速の 10 分の 1 の速さで移動するため、人間は生涯のうちに最も近い星に移動できますが、銀河を横断するには 100 万年の旅が続き、各星系はほとんど孤立したままです。飛行機と電話で結ばれた地球規模の村の銀河版を作成するには、光よりも速く移動する必要があります。
一般に信じられていることとは反対に、アインシュタインの相対性理論はそれを完全に排除していません。理論によれば、空間と時間は伸縮自在です。私たちが重力として認識しているのは、実際には空間と時間のゆがみです。原則として、敷物を折りたたんで 2 つの側面を近づけるように、スペースを大幅に歪ませて、交差させたい距離を短くすることができます。もしそうなら、あなたは瞬時にどんな距離も越えることができます。場が船内の g 力をゼロにするので、加速に気付かないでしょう。船の窓からの眺めは素晴らしいでしょう。星は色が変わり、運動軸に向かって移動します。
このアイデアが現在のテクノロジーをはるかに超えていることを指摘するのは、ほとんど意地悪に思えます。ワープ ドライブには、引力ではなく引力を加えるタイプの材料が必要です。このような物質には、負の量のエネルギーが含まれています。文字通りゼロよりも少ない量であり、質量が -50 kg の場合と同じです。発明家である物理学者は、そのようなエネルギーを生成する方法を想像してきましたが、彼らでさえ、宇宙船が必要とする負のエネルギーの量、つまり数個の星の価値に手を挙げています。さらに、光の速度に制限されている制御信号は、船の橋から船の周囲にある推進システムに到達するのに十分な速さではないため、船を操縦することは不可能です. (ただし、船内の機器は問題なく機能します。)
宇宙船に関しては、細部にこだわらないことが最善です。人類が実際にそれを構築できるようになるまでには、私たちの旅行の概念そのものが変化している可能性があります. 「完全な人間を送る必要がありますか？」ロングは尋ねます。 「単に胚を送るだけでよいのかもしれませんし、あるいは将来的には、コンピューターに自分自身を完全にダウンロードして、3D プリントに似た方法で自分自身を再生できるようになるかもしれません。」今日、宇宙船は未来的な思考の頂点のように思えます。将来の世代はそれが古風であると感じるかもしれません.
George Musser は、物理学と宇宙論の作家であり、 の著者でもあります。 The Complete Idiot's Guide To String Theory (アルファ、2008)。彼は の上級編集者でした。 Scientific American に 14 年間在籍し、米国物理科学研究所の執筆賞などの栄誉を獲得しています。
