TEMA BROJA

Dragan Lazarević

Vasiona, ljudi i vanzemaljci / Interstelarna putovanja, naučno-tehnička mogućnost ili SF spekulacija

Ka svetlosti drugog sunca

Ljudskoj mašti i vizionarstvu nema granica; i pre početka kosmičke ere čovečanstva, u naučnoj fantastici su opisivana izmaštana kosmička putovanja ka drugim zvezdama i na planete koje pripadaju dalekim planetarnim sistemima a koja bi ljudi u daljoj budućnosti preuzimali. Ili, suprotno tome, putovanja koja preduzimaju neke druge civilizacije da bi iz svog planetarnog sistema stigle do nas. U najvećem broju SF dela, za takva putovanja koriste se izmišljeni pogoni kojima se veliki kosmički brodovi pokreću brzinama daleko većim od brzine svetlosti i to na rastojanja od više stotina svetlosnih godina - bilo da se takav pogon nazivao “over drive” ,”warp” ili da se pretpostavljaju antigravitacija, kretanje kroz subsvemir, odnosno neke crvotočine “wormholes” u prostoru i vremenu itd. Sve su to izmaštane konstrukcije bez osnova u do sada eksperimentalno proverenoj  fizici. Čak su i u kontradikciji sa Teorijom relativiteta već i sa elementarnim zakonima mehanike (npr. drugim i trećim Njutnovim zakonom). Pitanje je: da li je moguće da se, na osnovu sadašnjih naučnih saznanja, takva putovanja ipak ostvare?

Rastojanja između zvezda predstavljaju pojam veličine koji bi se mogao nazvati osnovnim u percepciji strukture naše galaksije a potom i celokupne poznate Vasione. Najbliža zvezda Suncu je crveni patuljak Proksima Kentaura koja je deo trojnog sistema, tj. kruži oko zvezde Alfa Kentaura koja predstavlja dvojni sistem zvezde od komponente A, slične našem Suncu, i nešto manje narandžaste zvezde Alfa Kentaura B. Centar tog sistema je od nas udaljen 4,35 svetlosnih godina a Proksima je nešto bliža - oko 4,22 svetlosne godine udaljena. (Jedna svetlosna godina je vreme koje svetlost pređe za godinu dana krećući se brzinom od 299.792 km/sek i iznosi oko 9461 milijardi km). Ako bismo postavili umanjenu razmeru da je udaljenost Zemlje od Sunca 15 cm, Pluton bi bio daleko oko 6 m a pri tom bi Proksima Kentaura bila odaljena oko 40 km! Da li je moguće preći takvo rastojanje? Odgovor je da je moguće pošto se u prirodi to i dešava. Neka kosmička tela, komete i asteroidi koji su prošli kroz naš Sunčev sistem predstavljaju putnike koji su davno, različitim procesima, bili izbačeni iz svog planetarnog sistema i zauvek napustili okolinu zvezde oko koje su nastali.
Mogli su biti izbačeni tzv. ”gravitacinom praćkom”, bliskim prolaskom pored neke veće planete, slično kako se prolaskom pored Jupitera šalju kosmičke sonde ka spoljnim delovima Sunčevog sistema i van njega, ili poput centrifugalne praćke pri erupcijama same zvezde (npr. prilikom prelaska crvenog džina u belog patuljka kada se odbaci i do 80 % početne mase zvezde).

Neobičan posetilac niotkuda

Putovanja bi trajala milionima godina da bi se takav objekat približio nekoj drugoj zvezdi. Takav slučaj se dogodio kada je asteroid nazvan Oumuamua prošao kroz naš sistem 2017. Došao je približno iz pravca Vege, ali verovatno nije izbačen iz njenog velikog prstena prašine i asteroida. Kroz međuzvezdani prostor se kretao brzinom od oko 26 km/s da bi, pod dejstvom Sunčeve gravitacije, počeo da ubrzava i po hiperboličnoj putanji približavao se Suncu do najmanjeg rastojanja od 38 miliona km. Pri tom je postigao brzinu od 87,7 km/s. Sunčev sistem napušta u pravcu sazvežđa Pegaz i više ne može da se vidi teleskopima. Boja mu je crvenkasta a nisu registrovana bilo kakva isparavanja gasova tipična za komete, što upućuje da je kompaktan objekat.
S obzirom na njegov izrazito izdužen oblik (određen na osnovu variranja njegovog odsjaja, četiri puta je veće dužine od širine) pojavile su se pretpostavke da je u pitanju veštački objekat, možda potrošeni stepen neke džinovske rakete vanzemaljaca, što se ne moze proveriti jer, po sadašnjim tehničkim mogućnostima, slanje kosmičke sonde ka njemu je neizvodivo. U svakom slučaju, 1I 2017 Oumuamua je prvi registrovani interstelarni asteroid  a verovatno će se takvi objekti pojavljivati u budućnosti pa će ih astronomi dočekati spremniji.

Do cilja u sasvim drugom vremenu

Tokom više od šezdest godina od početka kosmičke ere, sonde lansirane sa Zemlje  prošle su pored svih planeta Sunčevog sistema uključujući i malu planetu Pluton (sonda “New Horizons” je putovala do njega 14 godina) i “gravitacionom praćkom” bila izbačene na putanje napuštanja Sunčevog sistema, isto kao i sonde “Voyager 1 i 2” sa kojima se, na rastojanju od preko 20 milijardi km, gubi kontakt. Brzinama koje su sonde postigle raketama na hemijski pogon, putovanje do najbližih zvezda bi trajalo desetinama hiljada godina tako da bi slanje takvih sondi bilo lišeno smisla jer bi stigle na cilj u nekom sasvim drugom vremenu! Potrebne su daleko veće brzine. Razvoj nuklearne tehnologije stvorio je praktičnu osnovu da se raspolaže energijom koja bi, za sada samo teoretski, mogla da omogući postizanje brzina koje su hiljadama puta veće od one koje postižu rakete na hemijski pogon.

Nuklearnim pogonom ka zvezdama

Prve ideje da se nuklearna energija koristi za postizanje brzina potrebnih za let ka susednim zvezdama pojavile su se posle prvih fisionih nuklearnih bombi i nuklearnih reaktora, 40-tih godina prošlog veka. Tada je sovjetski naučnik Ari Šternfiljd procenio da bi takvo putovanje trajalo oko 800 godina do Alfe Kentaura (podrazumeva se postizanje brzine od oko 1700 km/sek). U naučnoj fantastici su opisivane džinovske kolonije unutar asteroida u kojima bi živele hiljade ljudi i koje bi nuklearnim impulsnim pogonom (malim nuklearnim eksplozijama) bile izbačene iz Sunčevog sistema na putanje ka susednim zvezdama. To bi bila putovanja bez povratka u cilju naseljavanja planeta drugih zvezda, koja bi trajala vekovima. Generacije ljudi bi se rađale i umirale tokom takvih putovanja da bi samo poslednja generacija doživela da vidi svetlost drugog sunca i planetu koja će im biti dom. Sa etičkog ugla posmatranja, takva misija bi bila potpuno nehumana jer bi čitave generacije bile zarobljenici misije koju nisu svojevoljno odabrali.
Druga mogućnost, takođe opisivana u naučnoj fantastici, je slanje posada koje bi bile podvrgnute nekom postupku usporavanja metabolizma, tj. hibernacije, čime bi se usporilo starenje i omogućilo da posada koja je pošla na taj put doživi dolazak na cilj. Pri tom se pretpostavlja da je moguće ljude izložiti hibernaciji kroz neki hemijski i hipotermijski postupak i vratiti ih u normalno stanje. Neki sisari kao puh i tekunica mogu da, tokom zime, padnu u stanje hibernacije i uspore metabolizam i više desetina puta! Taj proces nije sa hemijskog aspekta dovoljno proučen (ili možda jeste ali rezultati nisu objavljeni) ali u slučaju ljudi svako smanjenje temperature mozga dovodi do amnezije i čak većih oštećenja tako da je ova opcija još uvek nerealna.
Uporedo sa razvojem veštačke intiligencije, moguće je zamisliti slanje vrlo složenih kosmičkih sondi koje bi mogle da same donose odluke i, po stizanju u drugi planetarani sistem, obave složena naučna ispitivanja drugih svetova (i, ako ih zateknu, živih organizama) i dobijene podatke pošalju na Zemlju. Ipak, putovanje koje bi trajalo nekoliko vekova teško da bi imalo smisla za onog ko bi to finansirao jer bi rezultate, kad jednom stignu, koristio neko sasvim drugi. Potrebne su daleko veće brzine da bi takva misija mogla da se obavi u nekom za ljude izdrživom vremenskom periodu.
Nuklearna fuzija oslobađa energiju po jedinici mase goriva preko 40 miliona puta veću od najjače hemijske reakcije. Kada bi se njome ovladalo u onoj meri u kojoj se danas vlada hemijskim i termičkim procesima u raketnim motorima, mogle bi da se postignu brzine oko 6-7 hiljada puta veće od do sada postignutih kosmičkih brzina.To podrazumeva pretvaranje gotovo cele količine energije dobijene fuzijom teškog vodonika (deuterijuma) u helijum u termonuklearnom reaktoru u kinetičku energiju helijumovih jezgara koja bi isticala iz nekog (nazovi) mlaznika.S obzirom da interstelarna letelica mora i da retroreaktivno smanjuje brzinu, na kraju putovanja teoretski je moguće postići brzinu od oko10% brzine svetlosti. Na osnovu toga bi putovanje do Alfe Kentaura trajalo oko 45 godina (računajući i vreme ubrzavanja i usporavanja). U vreme najintenzivnijeg razvoja nuklearnog oružja i probnih nuklearnih eksplozija, u SAD 1950-tih godina, javile su se ideje i koncepti korišćenja eksplozija nuklearnih bombi za pogon kosmičkih letelica (projekat “Orion”) koje bi se obavljale van letelice i delovale bi na masivnu potisnu ploču koja bi pri tom delimično isparavala. Takav pogon bi koristio svega nekoliko procenata energije nuklearne eksplozije; a s obzirom da bi te bombe imale snagu od oko 1 megatona klasičnog eksploziva, takav kosmički brod bi trebalo da ima masu od nekoliko stotina hiljada tona i bio bi i praktično neostvariv.

Kao proses unutar Sunca

Razvoj tehnologije dobijanja energije fuzije za potrebe privrede i stanovništva u reaktorima tipa “tokamak” je u neprekidnom usponu i, osim do sada ostvarenih eksperimentalnih reaktora u kojima je ostvarena fuzija - Japan planira da oko 2030. pokrene prvu takav reaktor, tj. termonuklearnu električnu centralu za potrebe elektroprivrede. Normalno je očekivanje da će se razvoj fuzionih električnih centrala u narednim decenijama ubrzavati i da bi mogla uslediti njihova primena za pogon kosmičkih letelica. Ostvarenje fuzionih mikroeksplozija iniciranih laserima i impulsnih termonuklearnih reaktora bi mogao dodatno da ubrza njihovu primenu kao reaktivnih propulzora i pre reaktora tipa “tokamak” obzirom na njihovu vrlo veliku masu. To bi putovanja po Sunčevom sistemu učinilo znatno kraćim i omogućilo letove i naseljavanje udaljenih satelita spoljnih planeta i čak objekata Kajperovog pojasa. Naseobine na tim dalekim ledenim svetovima bi zavisile od termonuklearnih centrala. Ali, ako deuterijuma tamo nema dovoljno, morao bi da se napravi novi tehnološki korak napred, tj. fuzija lakog vodonika obavljena sličnim procesom koji se odvija u Suncu i u  zvezdama (tzv. Beteov ciklus).

Temonuklearna energija bi mogla da donese do sada najveću revoluciju u istoriji čovečanstva a pogotovu u primeni za kosmičke letove. Uspostavljanjem redovnog saobraćaja do udaljenih baza u spoljnom delu Sunčevog sistema ostvarivale bi se sve veće brzine i vremenom bi se moglo doći do brzine koja omogućava let do najbliže zvezde u trajanju kraćem od ljudskog životnog veka. Da li postoje neki do sada nepoznati fizički faktori koji bi možda onemogućili postizanje takvih brzina? U akceleratorima su postizane brzine sa elementarnim česticama bliske brzini svetlosti kao i brzine teških jona - ali su makrotela (od atoma i molekula) do sada ubrzavana samo do brzine od oko 20km/s, što je preko hiljadu puta manje od brzine potrebne za međuzvezdani let.

Let pomoću paketa smrznutog deuterijuma

Pitanje je: kako bi se ponašali atomi pri daleko većim brzinama? Pojavila se (dosta nezapaženo) teorija da se atomi raspadaju na brzinama većim od 10% brzine svetlosti zbog pojave Lorencovih sila i relativističkih efekata (povećanje mase elektrona u atomima) mada se znatna većina fizičara u svetu ne izjašnjava ili smatra da je atom dinamički stabilan sistem i pri brzinama većim od navedene. Ako nema nepoznatih fizičkih prepreka, onda bi se veće brzine mogle ostvariti većim odnosom mase termonuklearnog goriva tj. deuterijuma u odnosu na konstruktivnu i korisnu masu - ali bi ukupna masa takvog kosmičkog broda iznosila stotine hiljada tona! Rešenje se možda nalazi u tome da kosmički brod, u toku leta, prima gorivo u vidu paketa smrznutog deuterijuma ispaljenih iz elektromagnetskog akceleratora smeštenog npr. na nekom ledenom asteroidu ili satelitu spoljnih planeta (podrazumeva se da na njemu ima deuterijuma) a energiju bi davala fuziona elektrana. Kosmički brod bi te pakete usporavao magnetnim poljem i usmeravao u reaktor u kome bi termonuklearnom reakcijom nastajao mlaz helijumovih jezgara koji bi obavljao reaktivno ubrzanje do postizanja predviđene brzine interstelarnog broda od npr. 0,3 brzine svetlosti. Ta brzina bi omogućila stizanje do daljih zvezda, Siriusa udaljenog 8,65 svetlosnih godina (oko njega kruži beli patuljak svakako interesantan astrofizičarima) kao i zvezde na udaljenosti 10 do 12 svetlosnih godina.
Za Prokion i Epsilon Eridani i Tau Ceti postoje izvesne mogućnosti da imaju sopstvene planetarne sisteme. Posle dugog leta po inerciji, pri stizanju u blizinu zvezde-cilja, kosmički brod bi se okrenuo za 180 stepeni i počeo reaktivno kočenje koristeći zalihe deuterijuma u tankovima. Ovakav kombinovani postupak bi smanjio startnu masu interstelarne letelice bar desetostruko.

Putovanje na svetlosnom potisku

Pretpostavka korišćenja nuklearne fuzije u cilju kosmičkih letova zasniva se na analogiji sa postojećim reaktivnim pogonom zasnovanim na hemijskim gorivima. Ima i drugih ideja koje bi se mogle ostvariti na drugačijim principima od raketnog pogona. To bi mogle biti fotonske jedrilice-ogledala koje bi bile ubrzavane enormno snažnim svetlosnim izvorima, npr. laserima sa slobodnim elektronima (FEL-free electron lasers) jer su sve druge vrste lasera preslabe za ovakvu primenu.
Pojavu  svetlosnog potiska otkrio je je ruski fizičar P. Lebedev 1900. godine. Ona se danas koristi u raznim eksperimentima tzv. optičke levitacije, pri čemu razne mikro čestice lebde na svetlosnom zraku emitovanom laserom. Eksperimenti sa solarnim jedrima kao pogonom su već obavljani, ali su za međuzvedani let potrebni daleko jači izvori svetlosti od Sunčeve. Pretpostavka da se ovakav let ostvari podrazumeva postojanje FEL izvora svetlosti. Frekvencija svetlosti bi bila odabrana da minimalno zagreva fotonsku jedrilicu ali i da je ne jonizuje a isti kriterijum bi se primenio i pri izboru materijala jedrilice. Snaga izvora bi bila ograničena tačkom topljenja ogledala jedrilice koja bi svakako imala i neki rashladni sistem.
Njena površina bi trebalo da bude vrlo velika, bar 1 km2, a masa što manja.To znači da bi bila izrađena od vrlo tanke, verovatno metalne folije koja bi opet morala da izdrži sva opterećenje uključujući i kosmičko zračenje tokom nekoliko decenije dugog putovanja. S obzirom da se svaki svetlosni zrak prostiranjem širi, trebalo bi postaviti, duž pravca kretanja kosmičke fotonske jedrilice, više ovakvih laserskih akceleracionih baza, izgrađenih na asteroidima, koje bi energiju dobijale iz solarnih panela, a ako su bliže Suncu a ako su dalje - iz nuklearnih i termonuklearnih reaktora. Prvi ovakvi eksperimenti bi mogli da se obavljaju za potrebe letova u okviru Sunčevog sistema, pre svega u cilju slanja sondi ka spoljnim planetama. Postepeno bi se ostvarivale sve veće brzine sve do one potrebne da se, u nekom prihvatljivom vremenskom periodu, stigne do najbliže zvezde. Problem je kako bi fotonska jedrilica koja bi nosila kosmičku sondu usporavala pre stizanja na cilj. Možda je rešenje u vidu nekog jakog magnetnog polja koje bi delovalo na zvezdani čestični vetar druge zvezde (analogan vetru Sunca). Sonda bi morala da raspolaže i nekim jakim izvorom energije, nuklearnim ili termonuklearnim reaktorom, za uspostavljanje ovakvog hipotetičnog magnetnog padobrana, ali i za održavanje veze sa 4,35 svetlosnih  godina udaljenom Zemljom.
Znatno dalja perspektiva je korišćenje anihilacije materije i antimaterije (pri čemu nastaju fotoni visokih energija) za pogon fotonskog kosmičkog broda. Osim male količine veoma teško dobijenih (uz enorman utrošak energije) atoma antivodonika u CERN-u, metodama ATHENA a potom i ALPHA, to stanje je veoma teško održati a da se ne stupi u anihilaciju! Za sada nema naznaka da bi se mogla dobiti veća količina za neku primenu (čak ni za antimaterijsku bombu). Ipak ovakva reakcija oslobađa energiju stotinu puta veću od one koju oslobađa fuzija. A brzina od npr. 0,7 brzine svetlosti mogla bi da se dostigne istim odnosom mase goriva (antimaterije i materije) i konstrukcije i korisnog tereta kosmičke letelice. Ova mogućnost je veoma daleka jer nema naznaka da bi se mogao naći neki lakši postupak za dobijanje antivodonika i njegovo čuvanje (u nekom jakom magnetnom polju) da ne bi stupio u anihilaciju sa materijom.

Kako dobiti ogromnu energiju?

Pri brzinama većim od trećine  brzine svetlosti, osetnije se javljaju efekti predviđeni Ajnštajnovom Terijom relativiteta dokazanih u akceleratorima elementarnih čestica, pre svega u vidu povećanja mase tela koja se kreću, usporavanjem toka vremena u tom sistemu i skraćenjem dužine u pravcu kretanja. Ako bi brzina kosmičke letelice bila 0,66 brzine svetlosti, njena masa bi se povećala za 34 % početne mase, što bi otežalo dalje ubzavanje. Sa približavanjem brzini svetlosti, masa bi naglo rasla i bila bi 2,29 puta veća od početne a potom bi sve izrazitije rasla sa približavanjem brzini svetlosti koju ne može dostići jer bi za to, teoretski, masa težila beskonačnosti a takođe i ukupna kinetička energija. Prema sadašnjem naučnom saznanju, brzina svetlosti je neprelazna granica! Ako se izađe iz tog okvira, stupa se na područje hipoteza i spekulacija. Za sada nema saznanja da postoje veće brzine u prirodi od brzine svetlosti.
Pitanja se množe: možda su interakcije zapletenih fotona brže od svetlosti? Zašto bi se gravitacioni talasi prostirali brzinom svetlosti kada nisu elektromagnetski fenomen? Možda se kriva, povećanja mase sa brzinom pri približavanju brzini svetlosti, na nekom delu, menja ili postoji nekakav tunel efekat? Ako bi bilo moguće putovanje brže od svetlosti, ostaju ograničenja elementarne mehanike a to je pre svega potrebna energija koja raste sa kvadratom brzine koja se ubrzavanjem postiže. Deset puta veća brzina znači sto puta veća kinetička energija, što daleko prevazilazi energiju dobijenu anihilacijom materije i antimaterije pa je nepoznato iz kog izvora bi tolika energija mogla da se dobije?

Drugi problemi međuzvezdanog putovanja

Problemi kosmičkog putovanja brzinama od 0,1 do 0,3 brzine svetlosti su kosmičko zračenje i sama međuzvezdana sredina. Na oko 1 cm3 međuzvezdanog prostora, prema nekim procenama, dolazi jedan atom vodonika ili, odvojeno, 1 proton i 1 elektron pa bi kretanjem od npr. 0,3 brzine svetlosti letelica naletala na njih i one bi, udarom o njen štit, proizvodile X-zračenje. To bi moglo da se izbegne jakim magnetnim poljem, što zahteva superprovodne kalemove, tj. dodatnu masu i energiju - ali ne bi moglo da spreči kočenje koje bi se pojavilo.
Problem je i komunikacija sa Zemljom, odnosno potrebna energija za njeno obavljanje. Ako je sonda “New Horizons”, posle prolaska pored Plutona, slala signale emiterom snage 60 W sa odaljenosti od 6 milijardi km (koji su bili na granici detekcije), sa rastojanja Alfe Kentaura, koja je oko 6875 puta dalja, bila bi potrebna snaga 47,2 miliona puta veća, tj. oko 2,8 GW. Prosečan nuklearni reaktor daje korisnu snagu od oko1 GW, a najjača emisija do sada ostvarena radarom  je oko 32 MW, što znači da bi i komunikacija na rastojanju najbliže zvezde predstavljala problem jer bi kosmički brod deo snage iz reaktora (fisionog ili fuzionog) morao da odvaja i za komunikaciju; u slučaju daljih ciljeva, potrebna snaga raste sa kvadratom udaljenosti.
Korisna masa međuzvezdanog kosmičkog broda i raspoloživi unutrašnji prostor bi bili svedeni na najneophodniji minimum (veća masa znači manju brzinu ili veći energetski utrošak) tako da vizije kosmičkih letelica u tzv. SF filmovima  koji su velikih dimenzija i nalik na pomorske brodove - nemaju smisla!
Donošenje odluke da se misija međuzvezdanog leta preduzme zavisi i od nivoa ekonomskog razvoja društva koje treba da podnese trošak koji ne donosi ekonomsku korist! S obzirom da su fizički zakoni univerzalni tj.važe bar za našu galaksiju a tehnika deluje u okviru tih zakona, sa istim problemima bi se suočila i neka vanzemaljska civilizacija ili bilo kakav svesni entitet. Može se zamisliti mogućnost da su vanzemaljci prirodno (ili modifikovanjem genetskim inženjeringom) dugovečnija bića, koja mogu da žive vekovima ili da mogu da podnesu hibernaciju pa mogu da preduzimaju duga putovanja brzinama npr. 1% brzine svetlosti (što bi značilo da tehnički nisu daleko ispred nas), ali je i to u okviru pretpostavki.
Let ka zvezdama predstavlja izazov sa kojim će se ljudi suočiti u budućnosti. Pre nego što čovečanstvo dođe na prag njegovog ostvarenja, treba da stekne iskustvo kosmičkih letova do najudaljenijih tela Sunčevog sistema i njihovog naseljavanja sa potpunim teraformiranjem (ako je moguće) ili delimičnim u ograničenim prostorima, stvaranjem zemaljskih uslova (tzv. parateraformiranje) za šta je potrebna daleko manja energija od one za interstelarno putovanje.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"