El viaje a las estrellas ha sido un pilar de la ciencia ficción desde sus inicios. Los intentos de proporcionar soluciones prácticas de ingeniería realistas para el viaje de estrellas han sido pocos y distantes entre sí. Aun así, el desarrollo reciente del Dr. Young Bae del edificio Photonic Thruster sobre Laser Light Sail del Dr. Robert Forward acerca el viaje de las estrellas a la realidad. En combinación con el uso eficiente de la energía solar y una combinación de otras tecnologías, se abre ante nosotros la posibilidad de viajar por las estrellas en nuestra vida. Dado que la propulsión láser funciona en condiciones más duras que la que se encuentra en la superficie de la mayoría de las estrellas, incluso podemos esperar aprovechar la energía cerca de la superficie de una estrella para capturar de manera eficiente toda la energía necesaria para el viaje de la estrella a alta velocidad en cantidades que la hacen un lugar común.
Introducción
El anuncio de que se ha encontrado un nuevo planeta muy parecido a la Tierra es bastante emocionante. Implica el intercambio de algunas grandes ideas que requieren varios libros de texto para ser totalmente compatibles. Sin embargo, en este artículo solo se puede dar un breve resumen para apoyar la visión más amplia;
- Aproximadamente, ¿en qué época del año está el Sol entre la Tierra y el centro de la Vía Láctea?
- ¿Se está expandiendo la Vía Láctea como el universo?
- ¿Cómo podría identificar que es una estrella y no un planeta o un satélite?
- Si el estado final del universo es una distribución uniforme de energía y materia, ¿podrían las fluctuaciones cuánticas crear nebulosas y estrellas una vez más?
- Astronomía: ¿Cómo cambia el flujo de rayos X de una estrella de secuencia principal (como el Sol) a medida que la estrella envejece?
Es hora de entender que:
- se puede hacer que los fotones comprimidos interactúen para producir positrones y electrones de manera eficiente;
- los positrones y los electrones forman un condensado de Bose-Einstein, un superfluido, que es una nueva molécula, el positronio;
- el positronio (Ps) puede almacenarse indefinidamente en cristales adecuadamente estructurados y manipularse con estructuras de nanoescala apropiadas;
- la densidad superfluida puede exceder la del hierro (8 kg / l);
- la estructura cristalina de celosía abierta para controlar Ps se aproxima a la del aerogel (800 μg / l);
- La spintrónica es una extensión de la electrónica que manipula el espín electrónico además de las propiedades de la corriente a granel;
- La combinación combinada de elementos Ps a través de pares Ps ‘polarizados por giro’ crea un haz controlado de rayos gamma polarizados a través de la conservación del momento;
- invertir el proceso de compresión de fotones expande los rayos gamma a longitudes de onda más largas donde pueden procesarse aún más.
Si bien estos pasos se realizan en la actualidad solo a escala de laboratorio, y en algunos casos no de manera muy eficiente, la física es clara y también el resultado: podemos hacer cohetes de fotones alimentados con antimateria y capturar la luz solar para hacer abundante antimateria.
Hoy estamos en la misma etapa que Goddard en 1919 cuando hizo un cálculo que mostró que una tonelada de polvo instantáneo podía transportarse a la luna mediante un cohete de combustible líquido y el destello resultante observado con un telescopio en la Tierra.
Goddard se inspiró para realizar este cálculo mediante el desarrollo de la ecuación de cohete de Constantin Tsiolkovsky, que se publicó por primera vez en inglés en 1909. Goddard trabajó incesantemente en la construcción de cohetes el resto de su vida para realizar esta visión.
Sesenta años después de que Tsiolkovsky publicara su ecuación en inglés, 53 años después de que Goddard concibiera el envío de un cohete a la luna, la humanidad envió cargas útiles a la luna.
En 1979 Wolfgang Rindler reformuló la ecuación del cohete para el vuelo relativista.
La ecuación original de Tsiolkovsky es
Vf / Ve = LN (m0 / m1)
donde Vf = velocidad final, Ve = velocidad de escape, m0 = masa inicial, m1 = masa final.
La ecuación de Rindler para cohetes relativistas (impulsada por cohetes de fotones impulsados por Ps) es
Vf / c = TANH (LN (m0 / m1))
Donde Vf = velocidad final, c = velocidad de la luz, m0 = masa inicial, m1 = masa final.
Con una relación de masa de 10,000 a 1 posible con el sistema Ps que contiene aerogel, tenemos
Vf / c = TANH (LN (10,000)) = 0.99999998 = 99.999998% de velocidad de la luz.
Un sistema de dos impulsos tiene la raíz cuadrada de esta relación de masa para llevar a cabo los dos impulsos para que pueda viajar y detenerse donde vamos.
Vf / c = TANH (LN (100)) = 0.99980002 = 99.98% de velocidad de la luz.
Un sistema de cuatro impulsos toma la cuarta raíz de la relación de masa original, por lo que puede viajar hacia afuera y hacia atrás nuevamente.
Vf / c = TANH (LN (10)) = 0.98019202 = 98% de velocidad de la luz.
Sin embargo, necesitamos hacer más que enviar un tanque vacío a las estrellas. Queremos enviar instrumentos de descubrimiento y personas de formas que sobrevivan al viaje.
El interior de una colonia espacial móvil capaz de moverse cerca de la velocidad de la luz.
Nave estrella
Considere un tanque de balas con tapas esféricas que tiene 2,653 metros de largo y 640 metros de diámetro. Tiene un área cilíndrica de 2,012.5 mx 2,012.5 m con un total de 4.05 millones de metros cuadrados, o 1,000 acres de área. Los estudios de Gerard K. O’Neill, de la NASA y de la Universidad de Stanford en la década de 1970 y principios de la década de 1980 antes de la muerte de O’Neill indicaron que este recipiente a presión está en el lado pequeño de lo que es posible. La nave se hace girar a una velocidad de una vez cada 36 segundos para reproducirse cerca de la aceleración normal de la Tierra en el interior. Cargas de 7,5 toneladas métricas por metro cuadrado de superficie proporcionan protección contra la radiación. Aquí se considera una masa inerte total de 40 millones de toneladas, incluidas las tapas de los extremos del barco.
El barco se hace girar para producir una aceleración externa del 96.82% gee, y cuando se impulsa a lo largo del eje de giro al 25% gee, se forma una fuerza del 100% gee en un ángulo de 14.48 grados desde la cara normal al cilindro. 2000 secciones hexagonales soportadas por hexápodos de 6 ejes desde abajo están unidas al interior del cilindro y ajustan los ángulos automáticamente para mantener la superficie normal al vector de aceleración cuando el barco está bajo impulso.
La nave se acelera al absorber el impulso de los poderosos rayos láser producidos por una gran variedad de láseres de bombeo solar que operan a través de la superficie del sol. Estos láseres forman una matriz en fase coordinada tan grande como el diámetro del sol y, por lo tanto, pueden enfocar la luz de manera eficiente formando un disco Airy de 640 metros de diámetro a una distancia de 193 años luz cuando funcionan a una longitud de onda de 200 nm. La energía absorbida por el barco se convierte eficientemente en positronio y se almacena a bordo a medida que se acelera. Esta energía almacenada se usa para ralentizar el barco al final del viaje.
La velocidad máxima del barco está determinada por la relación de masa alcanzada por el barco y la energía de la distancia puede acoplarse de manera eficiente. Con 8 toneladas de Ps superfluido por metro cúbico con un tanque con una masa de solo 800 μg por metro cúbico, vacíe un tanque esférico de 640 metros de diámetro con un volumen de 137.25 millones de metros cúbicos con 1.098 mil millones de toneladas métricas de positronio. La estructura del tanque acumula menos de 110,000 toneladas métricas.
Esta estructura, cuando se combina con el hábitat que se acaba de describir, tiene una relación de masa de 28,45 a 1. La energía láser transmitida al barco desde la superficie solar se absorbe transfiriendo el impulso al barco. Esa energía forma positronium de manera eficiente y la almacena en la esfera que acabamos de describir. La nave luego usa la energía almacenada para reducir la velocidad en su punto de llegada. Esto permite alcanzar velocidades del 99,753% de velocidad de la luz. A esta velocidad se recorre 14.24 años luz por cada año de tiempo de envío.
Al 25% gee, el barco alcanza la velocidad máxima en una distancia de 51 años luz. Pasan 55 años en la Tierra durante este impulso y solo 12.95 años pasan a bordo de la nave. Se necesitan otros 51 años luz para frenar a esta aceleración, lo que requiere otros 55 años de tiempo estelar y otros 12,95 años de tiempo de envío. Con una velocidad máxima de 10 años en el barco, significa que durante un período de 35,90 años a bordo del barco, se puede llegar a cualquier estrella dentro de los 250 años luz.
Dentro de los 250 años luz de la Tierra hay 3,5 millones de estrellas. De estos 263,257 son estrellas de tipo G como el sol. Para 2020, la nave espacial Gaia habrá mapeado más de mil millones de estrellas, todas a una distancia de 1,645 años luz. Alrededor de 75 millones de estas estrellas serán estrellas tipo G, como el sol. El barco que se acaba de describir puede alcanzar todas estas estrellas 141.4 años de tiempo de envío.
La misma tecnología que hace posible los accionamientos fotónicos y los láseres muy potentes al estirar los rayos gamma producidos por la desintegración controlada de Ps también se utiliza para imitar el espectro del sol en el interior de la nave. En el pico de luz solar en la Tierra, hay 1000 W / m. Así también en la superficie interior se produce luz para imitar las condiciones de la Tierra al mediodía en un día soleado. Esto requiere una bombilla de 4 GW. Esta bombilla es grande para los estándares convencionales, pequeña para los estándares del sistema de accionamiento. Un ciclo diurno de 24 horas nos deja con una producción promedio de 250 W / m, o una carga continua de 1 GW, que requiere mantener 86,4 billones de julios por día. Esto requiere menos de 1 gramo de Ps por día y su uso total es de 350 kg por siglo.
Por lo tanto, solo 1 tonelada de Ps de las más de mil millones de toneladas descritas es suficiente para la mayoría de las necesidades no propulsoras durante siglos. La navegación interplanetaria, incluso a alta velocidad constante-g boost, requiere menos del 0.3% de los Ps almacenados durante el mismo período.
Animación suspendida
El Dr. Mark Roth ha demostrado animación suspendida en humanos y esto puede considerarse un problema resuelto hoy. Su uso a bordo del barco estelar descrito aquí permite la rotación de tripulaciones y pasajeros, por lo que pueden pasar solo unos meses o años a bordo del barco en un estado consciente, mientras realizan un viaje que dura décadas. Esto parece una visión fantástica del futuro . Quizás está fuera de lugar en un mundo que carece de energía y recursos; Un mundo que convierte menos de 4 toneladas anuales de materia en energía a través de una amplia gama de procesos químicos. Mil millones de toneladas de Ps, incluso producidas con eficiencia perfecta, tomarían 250 millones de años de nuestra producción de energía actual para producir, incluso si no hiciéramos nada más.
Por supuesto, todo lo que dice es que no utilizaremos las técnicas actuales para producir los Ps para este viaje.
Star Ship Supply Chain
Un presidente de los Estados Unidos dijo una vez sobre el programa lunar: “Vamos a la luna y hacemos las otras cosas, no porque sean fáciles, sino porque son difíciles”. Al hacer estas cosas difíciles, desarrollamos habilidades que convierten los problemas difíciles en fáciles. trabajamos con las soluciones que creamos.
IBM en 2013 completó el IBM Jeopardy Challenge, demostrando que las computadoras ahora pueden pasar la prueba de Turing. Vik Olliver y Adrian Bowyer construyeron el primer sistema de máquina autorreplicante del mundo en 2005.
Podemos utilizar un sistema de máquina autorreplicante artificialmente inteligente que opera en la superficie del sol para construir y alimentar nuestras naves estelares. Estas máquinas extraerán metales de la atmósfera solar para replicarse. Usarán abundante energía solar para llenar los cristales hechos en el sol con Ps.
Pasos y procesos prácticos
Paneles solares en la superficie solar
Consideremos un colector solar de 1 metro cuadrado de este tipo, depositado en el sol. Primero, ¿sería posible que algo sobreviviera en forma material en el sol? Considere una lámina de vidrio como material que es 91% transparente. Expuesto a 63.6 MW, cada metro cuadrado absorbería 5.73 MW y se elevaría a una temperatura en la que irradiaría esa energía desde dos metros cuadrados (adelante y atrás). Stephan Boltzmann nos dice cuál es esta temperatura: 2,665 K. Bien dentro de la capacidad de muchos materiales para resistir. Del mismo modo, si creamos un colector solar casi perfectamente eficiente que convierte la energía incidente en Ps y la almacena, no es necesario que se caliente demasiado. De manera similar, si el hidrógeno y el helio del sol se reflejan de manera eficiente desde la superficie, mientras que las especies de elementos más pesados son admitidos y luego enfriados, estos también pueden tratarse.
Dado que la tecnología que hace posible la propulsión láser y los cohetes de fotones para el viaje estelar implica los mismos procesos y las mismas energías o más, la construcción de este tipo de panel solar es el camino hacia el viaje estelar.
El análisis de la fotosfera y superior, la energía y los materiales disponibles en la superficie solar, permite que un metro cuadrado de panel solar que almacena Ps se auto-replica cada nueve segundos. Dado que la superficie solar totaliza 6.08 exameters cuadrados (6.08 x 10 ^ 18 m), crece un solo metro cuadrado para cubrir toda la superficie solar en
T = t * LN (6.08 x 10) / LN (2) = 9 * 62.4 = 561.6 segundos
T = tiempo para encerrar estrella,
t = tiempo de duplicación
Por supuesto, moverse desde el punto de impacto al lado opuesto del disco solar en este tiempo requiere moverse a 7,781 km / seg en promedio. En la práctica real, y el modelado digital muestra esto, las velocidades se acercan a cinco veces más. Esto requiere cantidades sustanciales de energía para lograr. Un modelo optimizado probablemente tomaría algo del orden de 10 horas para completar esta tarea.
Entonces, 10 horas después de la llegada del primer panel de superficie solar bien diseñado, ¡el sol se apaga! Parece un efecto secundario que debemos considerar con más cuidado para evitar.
Estrella controlada
Una solución sería que dicho colector, equipado con una pantalla autostereoscópica en la parte posterior, hecha de la misma serie de elementos fotónicos que hicieron posibles los cohetes fotónicos, también sería capaz de convertir todo el disco solar en un gran emisor fotónico: un solo Elemento óptico con un radio de 695.500 km, que emite longitudes de onda tan cortas como 200 nm de manera eficiente. El criterio de Rayleigh para tal elemento óptico dice que un rayo láser de 200 nm emitido desde él divergiría a una velocidad de 3.32 metros por año luz de alcance. ¡Se podría formar un disco Airy de 640 m de diámetro a una distancia de 197.2 años luz!
Una serie de emisores en la superficie del sol, que operan en la parte posterior de la matriz del panel solar que se acaba de describir, también reproduciría las condiciones que ahora se encuentran en los mundos alrededor del sistema solar e incluso en las estrellas cercanas, para que el sol aún sea visible y parece estar funcionando como siempre, aunque el 99.9999% de la energía que el sol ahora desperdicia en el espacio, es capturada y convertida en moléculas de positronio estables en una red cristalina. Además, el sol está rodeado por una nanomáquina que extrae y convierte los metales en su atmósfera en formas utilizables de maquinaria, además de la fuente de energía Ps.
Dado que la maquinaria autorreplicante es un problema resuelto en 2005, podemos ver que todo lo que se debe hacer para hacer realidad este tipo de visión es perfeccionar los pasos necesarios para crear un centímetro cuadrado de almacenamiento de positronio autorreplicante, Colector solar capaz de operar en la superficie solar. Tal colector sería capaz de operar en una variedad de modos que hacen posible la construcción de la nave espacial y su sistema de propulsión, incluido el suministro de combustible.
El sol, debidamente equipado, produce 4,3 millones de toneladas métricas de Ps por segundo junto con muchos millones de toneladas de otros materiales, que pueden fabricarse en cualquier cosa que describamos a la red de paneles. Además, la energía en parte ejecuta una vasta red informática y de información que puede aprovecharse para resolver problemas.
Diáspora
La tasa de producción de Ps permite que un barco del tipo que se acaba de describir sea enviado desde Sol cada 255 segundos: un total de 123,500 barcos por año. Por supuesto, usar el truco del rayo láser para acelerar cada uno a 99.753% de la velocidad de la luz y satisfacer nuestras necesidades locales de energía y material reduce este número a la mitad a 5,000 barcos por mes, ya que apoyar la aceleración de los barcos con rayos láser reduce la producción de Ps y desde entonces El uso de Ps en la Tierra y dentro del sistema solar reduce la cantidad disponible para su uso en naves estelares.
Con 2.500 personas por barco, esto es 150 millones de personas que abandonan el sistema solar por año. Esto es 2.1% de los 7,12 billones de personas del mundo. Esto reduce la población en la Tierra a pesar del crecimiento de la población sin restricciones. Debido a la dilatación del tiempo y la animación suspendida, la replicación en tránsito no ocurre de manera eficiente. Si comenzamos en 2015 con este programa, para 2057, el centenario del Sputnik, tendríamos solo 3.200 millones de personas en la Tierra, el mismo número que en la Tierra en 1957 cuando la era espacial comenzó con el lanzamiento del Sputnik.
Las 263,257 estrellas de tipo G dentro de los 250 años luz de la Tierra se llenarán a razón de 60,000 naves estelares por año. Las licencias para viajar a las estrellas de tipo G más distantes en esta esfera primero, y retroceder 1 año luz por año, crean una situación interesante; a saber, ¡uno donde todos llegan a su destino exactamente al mismo tiempo! Esto significa que todas las colonias de estrellas comenzarán exactamente al mismo tiempo con la misma población. La única diferencia es que las salidas posteriores tendrán la ventaja de tecnologías superiores desarrolladas en el intervalo entre las salidas más distantes y la más cercana. Esto crea una especie de dispersión natural de habilidades y capacidades.
El número promedio de personas por estrella es de 48,000 a 60,000, llegando en naves de 20 a 25 estrellas del tipo descrito anteriormente durante un período de 65 años. Esto tomará solo 65 años, porque a nuestro nivel de población actual, nos quedaremos sin personas para enviar. Comenzando hoy con 7,12 mil millones de nosotros y enviando 150 millones de exploradores por año a estrellas de tipo G dentro de los 250 años luz de esta manera, reduce el número de personas en la Tierra a 221,6 millones para 2080 AD. Entonces, en algún momento entre 2057 DC, con 3.200 millones en la Tierra, y 2080 DC, con 221.6 millones en la Tierra, esperamos que la demanda de viajes estelares disminuya. Con eso, las licencias se liberalizarían, lo que permitiría el libre acceso a todos y a cualquier sistema estelar hasta un número de crecimiento de la población, de aproximadamente 1.14%, o con 221.6 millones en la Tierra, 2.52 millones por año. Usando el tipo de nave estelar que se acaba de describir, la población por nave se reduce de 2.500 a 42, lo que apenas cambia la carga útil y la tasa de producción. Después de 2080, habrá casi 7 mil millones de nosotros, en este escenario, en hibernación, en tránsito hacia las estrellas, durante otros 195 años. Después de eso, encerraremos un cuarto de millón más de estrellas tipo G2 y comenzaremos a construir grandes mundos artificiales con el material y la energía disponibles con la tecnología que creamos hoy.
Con avances similares en la investigación del envejecimiento, muchos de nosotros estaremos vivos para verlo.
Si actuamos ahora.
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1 www.skyandtelescope.com/astronomy-news/exoplanets/earth-like-planet-found-ye
2 http://er.jsc.nasa.gov/seh/ricet…
3 http://www.nobelprize.org/nobel_…
