Hvad er den bedste måde at sejle fra verden til verden på? Elektriske sejl eller solsejl?

I det seneste årti, tusindvis af planeter er blevet opdaget uden for vores solsystem. Dette har haft den effekt, at interessen for udforskning af rummet har fornyet, som inkluderer muligheden for at sende rumfartøjer for at udforske exoplaneter. I lyset af de udfordringer, en række avancerede koncepter er ved at blive udforsket, som det hævdvundne koncept med et let sejl (som eksemplificeret ved Breakthrough Starshot og lignende forslag).

Imidlertid, i de senere år, Forskere har foreslået et potentielt mere effektivt koncept kendt som det elektriske sejl bestående af trådnet, der genererer elektriske ladninger for at aflede solvindpartikler, dermed skabe momentum. I en nylig undersøgelse, to Harvard-forskere sammenlignede og modsatte disse metoder for at bestemme, hvilke der ville være mere fordelagtige for forskellige typer missioner.

Studiet, som for nylig dukkede op på nettet og er ved at blive anmeldt til offentliggørelse af Acta Astronautica , blev udført af Manasavi Lingam og Abraham Loeb - en assisterende professor ved Florida Institute of Technology (FIT) og Frank B. Baird Jr. Professor of Science ved Harvard University og direktøren for Institute for Theory and Computation (ITC), henholdsvis.

Konceptet med et let sejl er gammelt, involverer et rumfartøj udstyret med et stort ark reflekterende materiale, der bruger strålingstrykket fra en stjerne (stjernevind) til at accelerere over tid. En stor fordel ved denne teknologi er, at det ikke kræver et rumfartøj at transportere sin egen brændstofforsyning, som typisk tegner sig for størstedelen af ​​et rumfartøjs masse.

Dette er især vigtigt, når det kommer til interstellare rejser, da mængden af ​​reaktionsmasse, der skal til for at nå selv en brøkdel af lysets hastighed (c), ville være enorm. Og i modsætning til begreber som antistoffremdrift eller begreber, der er afhængige af fysik, som stadig er uafprøvet (eller endda hypotetiske), sol-/lette sejl bruger teknologi og fysik, som er fuldstændig bevist på dette tidspunkt.

En anden fordel er, at et let sejl kan accelereres ved hjælp af andre midler end solstråling. Som Lingam forklarede til Universe Today via e-mail:"Lette sejl kan "skubbes" af enten laser-arrays eller sol-/stjernestråling. I begge tilfælde, den største fordel ved lette sejl er, at man ikke behøver at bære brændstoffet ombord, i modsætning til kemiske raketter. Dette reducerer i høj grad rumfartøjets masse, da størstedelen af ​​massen i kemiske raketter skyldes brændstoffet. Samme fordel gælder også for elektriske sejl."

Imidlertid, i de seneste år, variationer af dette koncept er blevet udviklet, ligesom det magnetiske sejl ("magsails") foreslået af Robert Zubrin og Dana Andrews i 1988, og det elektriske sejl foreslået af Pekka Janhunen i 2006. I tilfældet med førstnævnte, en superledende sløjfe ville generere et elektrisk felt, mens sidstnævnte ville generere et magnetfelt via et sejl af små ledninger - som begge ville afvise solvinden.

Disse koncepter har nogle bemærkelsesværdige forskelle fra konventionelle sol- eller lette sejl. Som Lingam forklarede:"Elektriske sejl er afhængige af overførsel af momentum fra de ladede sol-/stjernevindpartikler (protoner i vores eksempel) ved at afbøje dem via elektriske felter, hvorimod lyssejl er afhængige af momentumoverførsel fra fotoner udsendt af stjernen. Dermed, stjernens vind driver elektriske sejl, hvorimod elektromagnetisk stråling udsendt af stjernen driver lette sejl."

Interessant nok, magnetiske sejl er af nogle forskere blevet betragtet som et muligt middel til at bremse et let sejl ned, når det nærmer sig sin destination. En sådan forsker er professor Claudius Gros fra Instituttet for Teoretisk Fysik, Goethe Universitet, Frankfurt, og Andreas Hein og Kelvin F. Long – de vigtigste efterforskere af Project Dragonfly, et koncept svarende til Breakthrough Starshot.

Alle tre koncepter er i stand til at omdanne strålingen udsendt af stjerner til momentum, men kommer også med deres del af ulemper. Til at begynde med, elektriske sejl er meget afhængige af deres værtsstjerners egenskaber. Lette sejl, på den anden side, bliver stort set ineffektive, når det kommer til stjerner af M-typen (rød dværg), fordi strålingstrykket ikke er højt nok til at generere nok hastighed til at undslippe et stjernesystem.

Dette er et ret begrænsende problem, som lavmasse, ultrakolde dværge af M-typen tegner sig for langt de fleste stjerner i universet – de tegner sig for 75 procent af stjernerne i Mælkevejen. Røde dværge er også utroligt langlivede sammenlignet med andre klasser af stjerner og kan forblive i deres hovedsekvens i op til 10 billioner år. Derfor, et fremdriftssystem, der kan bruge røde dværgsystemer, ville være at foretrække over længere tidsskalaer.

På grund af disse overvejelser, Lingam og Loeb forsøgte at bestemme, hvilken metode til interstellar rejse der ville være at foretrække (lette sejl eller elektroniske sejl) i forhold til forskellige klasser af stjerner - F-type (hvid), G-type (gul), K-type (orange), og M-type stjerner. Efter at have taget hensyn til strålingsegenskaberne for hver klasse, de indregnet den sandsynlige masse af rumfartøjet - baseret på parametrene etableret af Breakthrough Starshot.

Hvad de fandt var, at et rumfartøj parret med et elektrisk sejl repræsenterer et bedre fremdriftsmiddel i nærheden af ​​de fleste typer stjerne, og ikke kun for rumfartøjer i gramskala. Imidlertid, Lingam og Loebs beregninger fandt også ud af, at det ville tage betydeligt længere tid for et elektrisk sejlrumfartøj at nå den slags hastigheder, der ville gøre interstellar rejse praktisk.

"I stedet, hvis man betragter lette sejl drevet af laser-arrays (såsom Breakthrough Starshot), det er så muligt direkte at opnå relativistiske hastigheder (f.eks. 10 procent lysets hastighed) via lette sejl; i modsætning, elektriske sejl drevet af stjernevinde opnår hastigheder på kun 0,1 procent af lysets hastighed, " sagde Lingam.

Mens et elektrisk sejl til sidst kunne opnå 0,1 c ved gentagne gange at opnå tæt nærhed til stjerner, de anslåede, at dette ville tage 10, 000 møder i løbet af 1 million år. Lingam siger, "[Elektriske sejl repræsenterer et levedygtigt middel til at foretage interstellare rejser. Men, enhver teknologisk art, der ønsker at bruge denne metode, skal have lang levetid, da hele denne proces med at opnå relativistiske hastigheder ville kræve cirka 1 million år. Hvis sådanne langlivede arter eksisterer, elektriske sejl repræsenterer et ret bekvemt og energieffektivt middel til at udforske Mælkevejen over lange tidsskalaer (millioner af år)."

Mens 1 million år er lidt mere end et blink med øjet i kosmiske termer, den er utrolig lang i forhold til civilisationernes levetid – i hvert fald efter vores standarder. Som art, menneskeheden har eksisteret i omkring 200, 000 år og har kun registreret sin historie i omkring 6000. Mere til det punkt, vi har kun været en rumfarende civilisation i de sidste 60 år.

Altså, et sejl, der er i stand til at blive accelereret af lasere, er fortsat det mest praktiske middel til at udforske exoplaneter i vores liv. En anden implikation for denne undersøgelse er, at den kunne informere søgningen efter udenjordisk intelligens (SETI). Når man søger i universet efter tegn på teknologisk aktivitet (teknosignaturer), videnskabsmænd er tvunget til at lede efter tegn på, at de vil genkende.

I betragtning af fordelene ved et elektrisk sejl, det er muligt, end at en udenjordisk civilisation foretrækker denne teknologi frem for lignende. Som prof. Loeb forklarede til Universe Today via e-mail:"Vores beregninger antyder, at avancerede civilisationer sandsynligvis vil favorisere brugen af ​​elektriske sejl frem for lette sejl til fremdrift, der er baseret på stjernernes naturlige output i form af vind eller stråling. Men , hvis en teknologisk civilisation ønsker at opnå hastigheder eller affyre store laster, som ikke kan fremdrives af den kraft, der produceres af deres værtsstjerne, så vil det sandsynligvis favorisere lette sejl, som skubbes af deres kunstigt fremstillede lysstråle såsom en kraftig laser. Situationen ligner forskellen mellem sejlbåde, som bruger vinden gratis fra moder natur, sammenlignet med større eller hurtigere både, der drives frem med kunstige midler såsom en motor."

Desværre, som Loeb tilføjede, elektriske sejl er ikke let sporbare på store afstande, fordi de består af elektrificerede trådnet og ikke udsender nogen åbenlyse teknosignaturer. "Derfor, " konkluderer han, "SETI bør primært fokusere på søgen efter lette sejl, som er synlige på grund af lækage af deres lysstråler ud over sejlets grænser i nærheden af ​​deres søsætningssteder, eller fordi de reflekterer sollys, når de passerer tæt på solen, ligesom asteroider eller kometer af en lignende størrelse."

Imidlertid, Lingam og Loeb understreger også, at elektriske sejl kunne være en attraktiv mulighed for en udenjordisk civilisation af præcis samme grund. Ud over at være energieffektiv, elektriske sejl er ikke udsat for afsmitning og kan derfor rejse fra et stjernesystem til et andet uden at blive bemærket. En mulig løsning på Fermi-paradokset? Måske!

I hvert fald denne undersøgelse indikerer, at vores nuværende planer om at udforske nabostjernesystemer bør fokusere på koncepter, der understreger hastighed frem for lang levetid. Dette betyder ikke, at det er en dårlig idé at installere elektriske eller magnetiske sejl, der kan fortsætte med at udforske universet i evigheder. men en mission, der kan ankomme i et andet stjernesystem i vores liv, virker som den foretrukne mulighed for nu.