10 Föreslagna lösningar på problemen med interstellär resor

Just nu är interstellär resor och kolonisering ganska osannolikt. Grundläggande fysikaliska lagar tyder på att det bara inte kan göras, och för många människor betyder det att det aldrig kommer att bli gjort. Dessa människor är inte roliga. Andra är mer idealistiska, letar efter sätt att bryta fysikens lagar (eller åtminstone hitta ett smutthål) som gör att vi kan resa till avlägsna stjärnor och utforska helt nya världar.

10 Alcubierre Warp Drive

Allt som kallas en "warp drive" kan låta som om det är mer hemma på Star Trek än i NASA. Trots det är Alcubierre Warp Drive en idé att de sparkar runt som en möjlig lösning (eller åtminstone början på en lösning) för att övervinna universets restriktioner när det gäller att flytta snabbare än ljus.

Grunderna i idén är ganska enkla, och NASA använder exemplet på en rörlig gångväg för att förklara den. Medan en person bara kan gå så fort på en rörlig gångväg, betyder den kombinerade hastigheten hos personen och gångväg att de kommer till slutet snabbare än de skulle på egen hand. Walkwayen är varpdrevet, som rör sig längs rymdtid inom en slags expansionskubbel. Framför varpdrevet är rymdtid kontrakterad. Bakom det är det expanderat. Detta borde i teorin tillåta körningen att flytta allt som är i det snabbare än ljusets hastighet. En av de viktigaste principerna, det som expanderar rymdtid, har redan undersökts som det som gjorde att universum kunde expandera så snabbt i stunderna efter Big Bang. Därför bör det i teorin vara möjligt att göra det.

Mer komplicerat skapar själva varpdrevet, vilket NASA säger skulle kräva en massiv ficka av negativ energi runt hantverket. De är inte säkra om det inte är möjligt. (Deras slutliga svar på ämnet var en rungande, "Jag vet inte ... kanske?") Dessutom manipulerar rymdtid dig till ännu svårare frågor om tidsresor, driva den negativa energibellen och hur man sätter på den och av.

Tanken var fysikern Miguel Alcubierre, som också förklarade varpdrevets förmågor, något som att hoppa över vågor i rymdtid snarare än att ta den långa vägen. Tekniskt sett skulle det inte bryta lagarna för snabbare än lätt resa, och han har även gjort matematiken för att stödja teorin.

9 Interstellära Internet

Det är dåligt nog när du är vilse på jorden och kan inte få Google Maps att ladda på din smartphone. Interstellära resor skulle vara värre och presentera alla slags andra kommunikationsfrågor. Att komma dit är bara det första steget, och forskare tittar på vad som kommer att hända när våra bemannade och obemannade sonder behöver ett sätt att få ett meddelande tillbaka till jorden.

Under 2008 genomförde NASA de första framgångsrika testerna på en interstellär version av Internet. Projektet startade 1998 som ett partnerskap mellan NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) och Google. Tio år senare hade de något som heter DTN-systemet (Disruption-Tolerant Networking), vilket gjorde det möjligt för dem att skicka bilder till ett rymdfarkoster 20 miljoner miles därifrån.

Tekniken behövde kunna hantera långa fördröjningar och störningar i överföringar, så att den kan fortsätta transitt även när signalen bryts i upp till 20 minuter. Det kan komma igenom, runt, eller förbi allt från solstrålar och solstormar till pesky planeter som kommer i vägen för överföring utan att förlora någon av de uppgifter som den skickar.

Enligt Vint Cerf, en av grundarna till vårt jordbundna Internet och pionjär i en interstellär, övervinner DTN-systemet alla de problem som det traditionella TCIP / IP-protokollet har när det handlar om avstånden i interplanetär resor. Med TCIP / IP skulle det vara så lång tid att göra en Google-sökning på Mars så att resultaten skulle ha förändrats när de kom tillbaka, och de skulle troligtvis bara vara en förvrängd massa brutna informationspaket. Med DTN har de lagt till någonting ganska vilda - förmågan att tilldela olika domännamn till olika planeter och att välja vilken planet du vill rutta på Internetsökningar och trafik till.

Så hur går det utöver planeterna som vi redan är bekanta med? Vetenskaplig amerikan föreslår att det kan finnas ett sätt, om än ett enormt dyrt och tidskrävande sätt att skapa ett internet som når helt till Alpha Centauri. Genom att starta en serie av självreplikerande von Neumann-prober (mer om det senare) kan en lång rad relästationer skapas, som kan skicka information längs det som i huvudsak skulle vara en interstellär kedjebrev. Signalen perfektionerade i vårt eget system skulle studsa mellan sonderna och slutligen tillbaka till jorden eller, beroende på riktningen, till Alpha Centauri. Beviljas, det kommer att ta många prober, varje kostar miljarder att bygga och lansera. Med tanke på att de mest avlägsnade proberna inte skulle nå sitt mål i tusentals år skulle vi naturligtvis få tid att spara pengar och förmodligen förbättra tekniken och sänka priset.

8 Embryo Space Colonization

Ett av de stora problemen med interstellära resor och slutligen kolonisering är den stora tid som det kommer att ta oss för att komma någonstans, även med smutsiga leksaker som föreslagna varpdrifter. Bara hur man får en grupp bosättare till deras destination presenterar en helt ny uppsättning problem, och en av de föreslagna planerna för att skapa en kompetent grupp bosättare är att skicka ut inte fullt bemannade skepp, utan snarare fröfartyg som bär embryon. När fartyget når ett lämpligt avstånd från destinationen börjar de frusna embryonerna odlas. Så småningom blir de barn som är upptagna på skeppet, och när de äntligen når sin destination, kan de bosätta sig i en ny civilisation.

Detta har givetvis en hel annan uppsättning frågor som är knutna till den, som vem eller vad som ska göra höjningen. Roboter kan användas för att höja barnen, vilket ställer några fascinerande frågor om vilka människor som helt uppstår av robotar skulle vara. Kunde robotar förstå vad ett barn behöver växa och trivas? Kunde de förstå straff, belöningar och mänskliga känslor? Dessutom antar hela idén att vi räknar ut hur man bevarar oskadade frysta embryon i hundratals år och hur man odlar dem i en konstgjord miljö. Vi har dock lyckats med hajar, så vi kanske inte är för långt bakom i den stora planeringen av saker.

En föreslagen lösning som skulle kringgå det så kallade robotnannyproblemet är att skapa en kombination av ett fröskepp och ett sovarskepp, där vuxna hålls i en slags suspenderad animering, vaknat när de behövs för att hjälpa barnen att höja barnen född från fröskeppet. En serie barnupphoppningsår som skiljer sig åt med en återgång till viloläget kan i teorin resultera i en stabil befolkning. Ett noggrant etablerat parti embryon skulle säkerställa tillräcklig genetisk mångfald för att hålla befolkningen på ett mer eller mindre normalt sätt efter att en ny koloni har upprättats. En ytterligare sats embryon skulle också ingå i fröskeppet, vilket i sin tur skulle användas för att impregnera koloninens första generation av kvinnor och ytterligare diversifiera genpoolen.

7 självreplikerande rymdfarkoster

Allt som vi bygger och skickar ut i rymden kommer självklart att få sina problem och att göra saker som måste vara i miljontals mil utan att brinna ut eller bryta ner verkar som ett ganska omöjligt hinder, men svaret kan ha störts under årtionden sedan. På 1940-talet föreslog fysiker John von Neumann en mekanisk teknik som kunde replikera sig, och medan han inte tillämpade tanken på interstellär resor, började de efter honom att se på det sättet. De resulterande von Neumann-proberna kan i teorin användas för att utforska stora interstellära områden. Enligt vissa forskare är tanken att vi är de första som tänker på denna idé inte bara ganska pompös av oss, men det är också ganska osannolikt.

University of Edinburgh forskare publicerade fynd i International Journal of Astrobiology, utforska inte hur vi kan använda denna blomstrande teknik för vår egen utforskning, utan snarare sannolikheten för att någon annan redan har gjort just det. På grundval av tidigare beräkningar som uppskattade hur långt farkoster kunde få använda olika typer av resor såg forskarna på hur ekvationen skulle förändras om den applicerades på självreplikerande farkoster och sonder.

De baserade sina beräkningar kring självreplikerande sonder som kunde använda skräp och annat material i rymden för att bygga vad de kallade barnprober. Dessa föräldra- och barnprober skulle föröka sig till ett tillräckligt stort antal att de skulle kunna täcka hela vår galax inom cirka 10 miljoner år - och det är om de bara reser omkring 10 procent ljusets hastighet. Det betyder i sin tur att det är otroligt troligt att vi någon gång skulle ha besökts av någon typ av självreplikerande sonder. Eftersom vi inte tror att vi har, säger de att det bara finns två förklaringar: Vi är inte tekniskt avancerade nog att veta vad vi tittar på, eller vi är ensamma i galaxen.

6 Black Hole Slingshots

Tanken att använda en planet eller månens gravitation till en slags slanghot runt den har använts mer än en gång inom vårt eget solsystem, framför allt av Voyager 2, som fick ett extra tryck från första Saturnus och sedan Uranus på väg ut ur systemet. Tanken är att manövrera ett hantverk för att få en ökning (eller minskning) i hastighet när den navigerar genom planetens gravitation. Grundidén har också varit en favorit i science fiction-verk.

Författaren Kip Thorne framförde tanken att att göra något liknande kan hjälpa hantverk att skära ner på en av de stora utmaningarna när det gäller interstellär resande-bränsleförbrukning. Han föreslog något lite mer riskabelt, nämligen manövrering runt en uppsättning binära svarta hål. Bara en minut bränsle skulle faktiskt behövas för att köra den kritiska omloppet från ett svart hål till det andra. När det aktuella fartyget har gjort flera kretsar mellan de två svarta hålen, skulle dess hastighet närma sig ljusets hastighet med minimal bränsleförbrukning. Då skulle det bara vara fråga om att sikta rätt och skjuta en raketstöd vid det rätta ögonblicket för att sätta sig på en kurs över stjärnorna.

Är denna idé osannolik? Absolut. Är det typiskt häftigt? Säkert. Thorne betonar att det finns många problem med hans idé, som de exakta beräkningarna och timing som skulle behövas för att se till att du inte slutade flyga rakt genom en annan stjärna, planet eller annan obekvämt placerad interstellär kropp. Det finns också bekymmer som att sakta ner, stanna och komma hem igen, men vi är ganska säkra på att om du är villig att göra det i första hand, kanske du inte är för bekymrad över att komma hem igen.

Ett prejudikat för tanken har redan fastställts. År 2000 tittade astronomerna på 13 supernova-fartar längs genom galaxen med en koll på 5 miljoner miles i timmen. University of Illinois vid Urbana-Champaigns forskare visade sig att de väglösa stjärnorna slängdes ut ur galaxen av ett par svarta hål fastnade i en omlopp runt varandra efter förstörelsen och sammanslagningen av två separata galaxer.

5 Starseed Launcher

När det gäller att starta även självreplikerande sonder, är det fortfarande problemet med bränsleförbrukning.Det har inte hindrat människor från att försöka komma med nya idéer om hur man startar probes över interstellära avstånd, en process som skulle kräva megatons energi med den teknik vi har idag.

Forrest biskop vid Institute of Atomic Scale Engineering hävdar att han har skapat en metod för att starta interstellära sonder som endast kräver en mängd energi som ungefär motsvarar vad som finns i ett bilbatteri. Den teoretiska Starseed Launcher skulle vara ca 1 000 kilometer lång och består huvudsakligen av tråd. Trots dess längd skulle hela saken passa in på en shuttle när den lagras och kan laddas av ett 10 volts batteri.

En del av planen involverade lansering av prober som är lite mer än mikrogram i massa, innehållande endast den mest grundläggande informationen som behövs för att bygga ytterligare prober i rymden. Grupper av upp till miljarder av dessa sonder kan lanseras av en serie av launchers. Biskopen sa att hans plan är lättare eftersom de självreplikerande sonderna kan gå med varandra efter lanseringen. Medan han hade planer för att startaren själv skulle drivas av superledande magnetiska levitationsspolar, skapade en motsättande kraft som ger kraften, sade han att det fortfarande finns några saker som måste utarbetas innan det kan byggas praktiskt, som hur prober skulle väcka faror som interstellar strålning och skräp.

4 Engineering Plants att leva i rymden

När vi väl når vi ska (eller när vi kommer på väg) måste det finnas någon form av metod för att odla mat och regenerera syre. Fysiker Freeman Dyson har några ganska spännande idéer om exakt hur vi kan göra det.

1972 gav Dyson sin ganska ökända föreläsning vid Londons Birkbeck College. Där föreslog han att man med någon genetisk manipulering skulle kunna utveckla träd som skulle kunna växa, utan att trivas på ytor som oskadliga som komet. Reprogrammera trädet för att återspegla ultraviolett ljus och vara mer effektivt vid behållande av vatten, och inte bara skulle träd rota och växa, men de skulle växa till storlekar som inte kan förutses på jorden. I en intervju föreslog han att det skulle kunna finnas svarta träd i framtiden, både i rymden och på jorden. Kiselbaserade träd och löv skulle vara mycket effektivare, och effektivitet är nyckeln till fortsatt överlevnad. Dyson betonade att detta verkligen inte skulle vara en övernattningsprocess och skulle antagligen gå bra in i de närmaste två århundradena innan vi har tekniken och kunskapen att manipulera växter på ett sådant sätt.

Hans idé kanske inte är för långtgående. NASA: s Institute for Advanced Concepts är en hel division som är avsedd för att lösa framtida problem, och en av de saker som de arbetar på är att växa växter som är lämpliga för Mars landskap. Även växter odlade i ett växthus eller liknande byggnad på Mars skulle utsättas för extremiteter, och forskare arbetar med idén att kombinera växter med extremofiler, små mikroskopiska organismer som överlever i de hårdaste ställena på jorden. Från tomater med hög höjd som har ett inbyggt motstånd mot ultraviolett ljus mot bakterier som överlever i de kallaste, hetaste och djupaste delarna av världen, kanske vi redan har byggstenarna för att skapa mardiska trädgårdar. Vi behöver bara räkna ut hur man sätter dem alla tillsammans.

3 In-Situ Resource Utnyttjande

Att bo utanför landet kan vara den hippa och trendiga nya saken på jorden, men när det gäller månadslösa uppdrag i rymden kommer det att bli en nödvändighet. NASA utforskar för närvarande vad de kallar In-Situ Resource Utilization, eller ISRU. Det finns ju bara så mycket utrymme på ett skepp och att system för att använda material som finns i rymden och på andra planeter kommer att vara en nödvändighet för eventuella långsiktiga koloniseringsplaner eller resor, speciellt när dessa resor innebär att gå till platser där Resupply-uppdrag är helt enkelt oavsett frågan. Tidiga försök att visa hur resursanvändningen skulle fungera ägde rum på sluttningarna av Hawaias vulkaner och i simuleringar av polära uppdrag till månen, där man försökte ta bort saker som bränslekomponenter från aska och annan naturligt förekommande terräng.

I augusti 2014 gjorde NASA ett massivt tillkännagivande när de avslöjade vilka nya leksaker som skulle utrustas med nästa Mars Rover, slated till lansering 2020. Innehållet i den nya roverens arsenal är MOXIE, Mars Oxygen In-Situ Resources Utilization Experiment. MOXIE kommer, som sitt namn föreslår, att kunna ta den skadliga Mars-atmosfären (som är ca 96 procent koldioxid) och separera den i syre och kolmonoxid. Det kommer att kunna producera cirka 22 gram syre varje timme att den körs. NASA hoppas också att MOXIE kommer att visa någonting annat kontinuerligt utan att produktiviteten eller effektiviteten minskar. De föreslår att MOXIE inte bara är ett viktigt steg mot långsiktiga utomjordiska uppdrag, men också att det är den första av många potentiella omvandlare som kan fungera på ett sätt som isolerar olika gaser och andra resurser.

2 2suit

https://www.youtube.com/watch?v=dSUEOXEdHIw
Reproduktion i rymden är ett problem på ett antal olika nivåer, speciellt i miljöer utan artificiell gravitation. Under 2009 visade japanska experiment på musembryon att även om nollgravitetsmiljöer inte hindrar befruktning, utvecklas inte embryon som utvecklar sig utanför jordens naturliga gravitationstryck (eller något likvärdigt) normalt. När cellerna måste dela och specialisera, finns det problem. Detta är inte att säga att det inte kan göras, emedan några av de rymdvuxna embryon i slutändan implanterades framgångsrikt i kvinnliga möss och föddes normalt.

Detta ger också en annan fråga: Hur fungerar det faktiska barnarbetet i en noll-gravitation miljö? Lagarna i fysiken, särskilt det faktum att varje handling har en lik och motsatt reaktion, gör mekaniken mer än lite sketchy. Skribent, skådespelerska och uppfinnare Vanna Bonta har dock lagt en seriös tanke på det.

Resultatet är 2suiten, och det är precis vad du tycker är det - en rymdfärg som är utformad för att ha två personer zippade inuti den för att underlätta skapandet av rymdbebisar. Det har också testats. År 2008 användes den på den lämpliga (men unromantically) namngiven Vomit Comet. Medan Bonta föreslår att smekmånad i rymden kan bli en verklig sak tack vare hennes uppfinning, säger hon också att det har andra praktiska tillämpningar, som att bevara kroppsvärmen under en nödsituation.

1 Projekt Longshot

Projekt Longshot var en kanske cyniskt namngiven plan som utarbetats av ett team från US Naval Academy och NASA som en del av ett gemensamt projekt i slutet av 1980-talet. Planen hade det ultimata målet att lansera någon gång runt det 21: a århundradet, och det hade varit en obemannad sond som var avsedd för Alpha Centauri. Det hade gått ungefär 100 år att nå sitt mål. Innan det ens kunde lanseras, fanns det några vackra nyckelkomponenter som behövde utvecklas innan det någonsin skulle hamna ur marken.

Mellan kommunikationslasrar, en långvarig fissionsreaktor och en fusionsmikroplosionsdrivare var det mycket som behövdes för att komma ihop. Sonden skulle utformas för att tänka och fungera självständigt, eftersom det var nästan omöjligt att skicka kommunikation över interstellära avstånd tillräckligt snabbt för att informationen fortfarande skulle vara relevant när den mottogs. Allt måste vara oerhört hållbart, eftersom det skulle bli 100 år innan det ens nått sin destination.

Longshot skulle resa till Alpha Centauri med flera olika mål. Huvudvis kommer det att samla astronomiska data som skulle ha tillåtit för exakt beräkning av avstånden till miljarder, om inte trillioner, av andra stjärnor. Kör av kärnkraftverket tills reaktionen, och därför uppdraget, slutade, Longshot var en ganska ambitiös plan som aldrig slog av marken.

Det betyder inte att tanken är helt borta. År 2013 blev Project Longshot II figurativt på väg i form av ett studentprojekt från Icarus Interstellar. De decennier av tekniska framsteg som har hänt sedan det ursprungliga Longshot-programmet kan tillämpas på den nya versionen, och programmet kommer att bli en fullständig översyn. Bland de framsteg som gjorts till programmet kommer att sänka den projicerade flygtiden i hälften, beräkna bränslekostnaderna och titta på att omkonstruera Longshot från topp till botten.

Det slutliga projektet kommer att bli en intressant titt på hur ett oöverstigligt problem förändras med tillägg av ny teknik och ny information. Lagarna i fysiken förblir desamma, men 25 år senare har Longshot potential att se ganska annorlunda ut, och det är en spännande idé för framtiden för interstellär resor.