Udfordringerne ved et rumvæsen-rumflugtsprogram - at undslippe superjord og røde dværgstjerner

Siden begyndelsen af ​​rumalderen, mennesker har været afhængige af kemiske raketter for at komme ud i rummet. Selvom denne metode bestemt er effektiv, det er også meget dyrt og kræver en del ressourcer. Når vi ser på mere effektive måder at komme ud i rummet på, man må spekulere på, om lignende avancerede arter på andre planeter (hvor forholdene ville være anderledes) ville stole på lignende metoder.

Harvard professor Abraham Loeb og Michael Hippke, en uafhængig forsker tilknyttet Sonneberg Observatory, begge behandlede dette spørgsmål i to nyligt udgivne papirer. Hvorimod Prof. Loeb ser på de udfordringer udenomjordiske vil stå over for at affyre raketter fra Proxima b, Hippke overvejer, om rumvæsner, der bor på en Super-Jord, ville være i stand til at komme ud i rummet.

papirerne, flisebelagt "Interstellar Escape from Proxima b is Barely Possible with Chemical Rockets" og "Spaceflight from Super-Earths is difficult" dukkede for nylig op på nettet, og blev forfattet af prof. Loeb og Hippke, henholdsvis. Mens Loeb adresserer udfordringerne med kemiske raketter, der undslipper Proxima b, Hippke overvejer, om de samme raketter overhovedet ville være i stand til at opnå flugthastighed.

Af hensyn til sit studium, Loeb overvejede, hvordan vi mennesker er så heldige at leve på en planet, der er velegnet til rumopsendelser. I det væsentlige, hvis en raket skal flygte fra jordens overflade og nå rummet, det skal opnå en flugthastighed på 11.186 km/s (40, 270 km/t; 25, 020 mph). Tilsvarende den nødvendige flugthastighed for at komme væk fra Jordens placering omkring solen er omkring 42 km/s (151, 200 km/t; 93, 951 mph).

Som prof. Loeb fortalte Universe Today via e-mail:

"Kemisk fremdrift kræver en brændstofmasse, der vokser eksponentielt med terminalhastigheden. Ved et heldigt tilfælde er flugthastigheden fra Jordens kredsløb omkring solen på grænsen for den opnåelige hastighed med kemiske raketter. Men den beboelige zone omkring svagere stjerner er tættere på i, gør det meget mere udfordrende for kemiske raketter at flygte fra den dybere gravitationsgrav der."

Som Loeb angiver i sit essay, flugthastigheden skalerer som kvadratroden af ​​stjernemassen over afstanden fra stjernen, hvilket indebærer, at flugthastigheden fra den beboelige zone skaleres omvendt med stjernemassen til en fjerdedel. For planeter som Jorden, kredser inden for den beboelige zone af en G-type (gul dværg) stjerne som vores sol, dette virker ganske længe.

Desværre, dette fungerer ikke godt for jordiske planeter, der kredser om stjerner af M-typen (rød dværg) med lavere masse. Disse stjerner er den mest almindelige type i universet, alene tegner sig for 75 procent af stjernerne i Mælkevejsgalaksen. Ud over, nylige exoplanetundersøgelser har opdaget en overflod af klippeplaneter, der kredser om røde dværgstjernesystemer, med nogle videnskabsmænd, der vovede, at de er det mest sandsynlige sted at finde potentielt beboelige klippeplaneter.

Ved at bruge den nærmeste stjerne til vores egen som eksempel (Proxima Centauri), Loeb forklarer, hvordan en raket, der bruger kemisk drivmiddel, ville have meget sværere ved at opnå flugthastighed fra en planet, der ligger inden for dens beboelige zone.

"Den nærmeste stjerne til solen, Proxima Centauri, er et eksempel på en svag stjerne med kun 12 procent af solens masse, sagde han. For et par år siden, det blev opdaget, at denne stjerne har en planet på størrelse med Jorden, Proxima b, i dens beboelige zone, som er 20 gange tættere på end Jordens adskillelse fra solen. På det sted, flugthastigheden er 50 procent større end fra Jordens bane omkring solen. En civilisation på Proxima b vil finde det svært at flygte fra deres placering til det interstellare rum med kemiske raketter."

Hippkes papir, på den anden side, begynder med at overveje, at Jorden faktisk ikke er den mest beboelige type planet i vores univers. For eksempel, planeter, der er mere massive end Jorden, ville have højere overfladetyngdekraft, hvilket betyder, at de ville være i stand til at holde på en tykkere atmosfære, hvilket ville give større afskærmning mod skadelige kosmiske stråler og solstråling.

Ud over, en planet med højere tyngdekraft ville have en fladere topografi, resulterer i øgrupper i stedet for kontinenter og lavvandede oceaner - en ideel situation, når det drejer sig om biodiversitet. Imidlertid, når det kommer til raketopsendelser, øget overfladetyngdekraft ville også betyde en højere flugthastighed. Som Hippke antydede i sin undersøgelse:

"Raketter lider af Tsiolkovskys (1903) ligning:hvis en raket bærer sit eget brændstof, forholdet mellem total raketmasse og sluthastighed er en eksponentiel funktion, gør høje hastigheder (eller tunge nyttelast) stadig dyrere."

Til sammenligning, Hippke bruger Kepler-20 b, en superjord placeret 950 lysår væk, der er 1,6 gange Jordens radius og 9,7 gange massen. Mens flugthastigheden fra Jorden er omkring 11 km/s, en raket, der forsøger at forlade en Super-Earth, der ligner Kepler-20 b, ville være nødt til at opnå en flugthastighed på ~27,1 km/s. Som resultat, en enkelt-trins raket på Kepler-20 b skulle brænde 104 gange så meget brændstof som en raket på Jorden for at komme i kredsløb.

For at sætte det i perspektiv, Hippke overvejer, at specifikke nyttelaster bliver opsendt fra Jorden. "At løfte en mere nyttig nyttelast på 6,2 t som krævet til James Webb Space Telescope på Kepler-20 b, brændstofmassen ville stige til 55, 000 t, om massen af ​​de største havslagskibe, " skriver han. "Til en klassisk Apollo-månemission (45 t), raketten skulle være betydeligt større, ~400, 000 t."

Mens Hippkes analyse konkluderer, at kemiske raketter stadig ville tillade flugthastigheder på superjorder op til 10 jordmasser, den nødvendige mængde drivmiddel gør denne metode upraktisk. Som Hippke påpegede, dette kan have en alvorlig effekt på en fremmed civilisations udvikling.

"Jeg er overrasket over at se, hvor tæt vi som mennesker er på at ende på en planet, der stadig er rimelig let til at udføre rumflyvning, " sagde han. "Andre civilisationer, hvis de findes, måske ikke så heldig. På mere massive planeter, rumflyvning ville blive eksponentielt dyrere. Sådanne civilisationer ville ikke have satellit-tv, en månemission, eller et Hubble-rumteleskop. Dette skulle ændre deres måde at udvikle sig på på visse måder, som vi nu kan analysere mere detaljeret."

Begge disse papirer præsenterer nogle klare implikationer, når det kommer til søgningen efter ekstraterrestrisk intelligens (SETI). Til at begynde med, det betyder, at civilisationer på planeter, der kredser om røde dværgstjerner eller Super-Jorden, er mindre tilbøjelige til at være rumfarende, hvilket ville gøre det sværere at opdage dem. Det indikerer også, at når det kommer til den slags fremdrift, menneskeheden er bekendt med, vi kan være i mindretal.

"Ovenstående resultater antyder, at kemisk fremdrift har en begrænset nytte, så det ville give mening at søge efter signaler forbundet med lyssejl eller atommotorer, især i nærheden af ​​dværgstjerner, " sagde Loeb. "Men der er også interessante konsekvenser for fremtiden for vores egen civilisation."

"En konsekvens af papiret er for rumkolonisering og SETI, " tilføjede Hippke. "Civs fra Super-Earths er meget mindre tilbøjelige til at udforske stjernerne. I stedet, de ville blive (til en vis grad) "arresteret" på deres hjemplanet, og f.eks. gør mere brug af lasere eller radioteleskoper til interstellar kommunikation i stedet for at sende sonder eller rumskibe."

Imidlertid, både Loeb og Hippke bemærker også, at udenjordiske civilisationer kunne løse disse udfordringer ved at anvende andre fremdriftsmetoder. Til sidst, kemisk fremdrift kan være noget, som få teknologisk avancerede arter ville tage i brug, fordi det simpelthen ikke er praktisk for dem. Som Loeb forklarede:

"En avanceret udenjordisk civilisation kunne bruge andre fremdriftsmetoder, såsom nukleare motorer eller lyssejl, der ikke er begrænset af de samme begrænsninger som kemisk fremdrift og kan nå hastigheder helt op til en tiendedel af lysets hastighed. Vores civilisation er i øjeblikket ved at udvikle disse alternative fremdriftsteknologier, men disse bestræbelser er stadig i deres vorden."

Et sådant eksempel er Breakthrough Starshot, som i øjeblikket udvikles af Breakthrough Prize Foundation (hvor Loeb er formand for det rådgivende udvalg). Dette initiativ har til formål at bruge et laserdrevet lyssejl til at accelerere et nanofartøj op til hastigheder på 20 procent af lysets hastighed, hvilket vil gøre det muligt for den at rejse til Proxima Centauri på kun 20 år.

Hippke betragter ligeledes nukleare raketter som en levedygtig mulighed, da øget overfladetyngdekraft også ville betyde, at rumelevatorer ville være upraktiske. Loeb indikerede også, at de begrænsninger, som planeter pålægger omkring stjerner med lav masse, kunne have konsekvenser for, når mennesker forsøger at kolonisere det kendte univers:

"Når solen vil varme op nok til at koge alt vand fra jordens overflade, vi kunne flytte til et nyt hjem til den tid. Nogle af de mest eftertragtede destinationer ville være systemer med flere planeter omkring stjerner med lav masse, såsom den nærliggende dværgstjerne TRAPPIST-1, der vejer 9 procent af en solmasse og huser syv planeter på størrelse med Jorden. Når vi kommer til den beboelige zone af TRAPPIST-1, imidlertid, der ville ikke være nogen hast med at undslippe. Sådanne stjerner forbrænder brint så langsomt, at de kan holde os varme i ti billioner år, omkring tusind gange længere end solens levetid."

Men i mellemtiden, vi kan slappe af i viden om, at vi lever på en beboelig planet omkring en gul dværgstjerne, som ikke kun giver os liv, men evnen til at komme ud i rummet og udforske. Som altid, når det kommer til at søge efter tegn på udenjordisk liv i vores univers, vi mennesker er tvunget til at tage den "lavthængende frugt tilgang".

I bund og grund, den eneste planet, vi kender til, der understøtter liv, er Jorden, og de eneste midler til udforskning af rummet, vi ved, hvordan vi skal lede efter, er dem, vi selv har prøvet og testet. Som resultat, vi er noget begrænsede, når det kommer til at lede efter biosignaturer (dvs. planeter med flydende vand, ilt og nitrogen atmosfærer, osv.) eller teknosignaturer (dvs. radiotransmissioner, kemiske raketter, etc.).

Efterhånden som vores forståelse af, hvilke forhold livet kan opstå under, øges, og vores egne teknologiske fremskridt, vi får mere at være på udkig efter. Og forhåbentlig, på trods af de yderligere udfordringer, den kan stå over for, udenjordisk liv vil lede efter os!

Professor Loebs essay blev også for nylig offentliggjort i Scientific American.