Tähtedevaheline reisimine: mõiste, tehnoloogiad ja väljakutsed

Tähtedevaheline kosmosereisimine tähendab mehitatud või mehitamata reisimist tähtede vahel. See kujutab endast palju suuremaid inseneri- ja füüsikalisi väljakutseid kui reisimine Päikesesüsteemis, kuigi tähelaevade reisid on olnud ulmekirjanduse ja -filmi peamine teema. Praegu puudub tavapärane tehnoloogia, mis lubaks inimeste või suuri sondide konnaid kiirelt ja otstarbekalt tähtedevahelisele teekonnale saata. Üks aktiivselt uuritud idee on kombineerida ioon- või plasmamootoreid ja energiat, mida edastatakse maa- või orbiidil paiknevast laserbaasjaamast ehk beamed propulsion kontseptsioonidest.

Mõisted ja missioonitüübid

Tähtedevahelisi missioone saab liigitada mitmel moel:

Mehitamata kiired sondid: väiksed, kergekaalulised sondid (nt grammi- või kilogrammiskaalas), mis kasutavad laevasid või valguslippasid ning püüavad jõuda lähedal asuvate tähtede lähedusse aastakümnete kuni sajandite jooksul. Breakthrough Starshot on üks tänapäevaseid algatusi, mis sihib selliseid valgussiiuleid.
Megastruktuurid ja magamislaevad (sleeper ships): suuremad laevad, kus reisijad pannakse kriogeneesi või muusse uneseisundisse, et vähendada eluks vajalikke ressursse pika teekonna ajal.
Põlvkonnalaevad (generation ships): suured kolooniad, kus mitmed põlvkonnad elavad ja surevad enne sihtkohani jõudmist — see nõuab isemajandavat süsteemi ja pikaajalist sotsiaalset stabiilsust.
Eksperimentaalsed või teoreetilised lähenemised: Bussard'i ramjet, magnetilised ja plasmajalad, antimaterjali- või tuumapõhised ajamid ning hüplemise ja „warp”-laadsete (ruumi painutava) lahenduste kontseptsioonid.

Tehnoloogiad

Peamised uuritavad ja arendatavad tehnoloogiad on:

Beamed propulsion (laserpõhine kiirendus): energia edastamine maa- või orbiidialusest baasist tugeva laser- või mikrolainekiirguse abil, mis kiirendab kergeid valgussiiuleid või kilelaevu suure murdosa valguse kiirusest. See vähendab sõiduki enda kütusevajadust, kuid nõuab uskumatult suurt ja täpset infrastruktuuri (suured laserid, täppishoid, jahutus jt).
Ioon- ja plasmaajamid: tõhusad püsikiirenduse meetodid, mis sobivad kauakestvaks kiirenduseks, kuid nõuavad kütust ja suurt energiahulka, et saavutada tähtedevaheliseks reisimiseks vajalikud kiirused.
Tuumajam ja fuusioon: fusableasuretratised (nt termotuuma) annavad suure energiatiheduse, kuid ei ole veel praktikas meistritud reaalsete sõidukite tasemel. Kui tulevikus lahendatakse kütuse ja reaktori ohutus, võiks see olla elujõuline variant.
Antimaterjal: maksimaalselt energiaintensiivne kütus (annihilatsioonienergia), kuid antimaterjali tootmine, säilitamine ja ohutu käitlemine on tänapäeval äärmiselt kallid ja tehniliselt keerukad.
Passiivsed ja aktiivsed kaitsesüsteemid: mikrometeoriitide ja interstellaarkosmilise tolmu vastu on vaja paksu kilpi, magnetkaitset või ees asuvaid "debrišiilmeid", sest kokkupõrked veeafektiga kõrge suhtelise kiirusega võivad laeva hävitada.
Rool- ja pidurisüsteemid: sauva- või magnetilised purjed, jugaülekanne ja magnetilised peeglid interstellaarse ainega pidurdamiseks ning sihtkoha orbiidi saavutamiseks.
Autonoomne robotika ja tehisintellekt: pikad viivitused kommunikatsioonis tähendavad, et sondid ja laevad peavad olema väga iseseisvad, suutma iseseisvalt rikkeid parandada ja teaduslikke otsuseid teha.
Kriogenees ja elutehnoloogiad: kestva inimkannatlikkuse tagamiseks uuritakse võimalusi pikaajalise säilituse (magamine) ja täieliku isemajandava ökosüsteemi loomiseks generation ship’i kontekstis.

Peamised väljakutsed

Tähtedevaheline reisimine seisab silmitsi mitmesuguste tõsiste takistustega:

Energianõudlus: kiire liikumine suures ruumimahus nõuab tohutut energiahulka. Isegi valguse murdosa saavutamine nõuab suurtes kogustes energiat; kütuse või energia tootmise, varustamise ja edastamise logistika on keerukas.
Kaitse interstellaarse materjali eest: väga väikeste osakeste ja tolmu kokkupõrked suurte suhteliste kiiruste korral võivad tekitada massiivset kahju. Tõhusaks kaitseks on vaja kaalukaid kilpe või uuenduslikke lahendusi.
Aeg ja psühholoogia: reisi pikkus (aastakümned kuni sajandid) tekitab raskeid sotsiaalseid, psühholoogilisi ja majanduslikke probleeme, eriti mehitatud missioonide puhul.
Kommunikatsioon ja viivitus: signaalid liiguvad samal kiirusel kui valgust — seega võib suhtlus-maapealse kontrolliga tähendada aastaid või kümneid aastaid viivitusi, mis raskendab kohest juhtimist või hädaolukordade lahendamist.
Resursside varumine ja töökindlus: süsteemid peavad töötama veatult aastakümneid; varusüsteemid, remondivõimalused ja isetervendavad tehnoloogiad on kriitilised.
Majanduslik ja tehniline reaalisus: arenduse ja kaupallistamise kulud on tohutud. Suurte projektide rahastamine, riskide hindamine ja rahvusvaheline koostöö on väljakutse.
Õiguslikud ja eetilised küsimused: põlvkonnalaevade sotsiaalne korraldus, vastutus tulevaste põlvkondade ees, sihtplaneedi koloniseerimise eetika jms tekitavad keerulisi küsimusi.

Praegused uuringud ja tulevikuväljavaated

NASA, ESA ja eraalgatused nagu Breakthrough Initiatives on uurinud detaile — alates materjaliteadusest ja laseritehnoloogiast kuni autonoomsete robotite ja süsteemide usaldusväärsuse hindamiseni. Praegu on kõige tõenäolisem esimeseks sammuks saatmine väikseid, mehitamata sonde, mis suudavad saavutada suure murdosa valguse kiirusest beamed propulsion abil; sellised missioonid võiksid jõuda lähimasse tähelähikusse aastakümnete kuni sajanditega, sõltuvalt valitud tehnoloogiast.

Mehitatud tähtedevahelised reisid jäävad tõenäoliselt kaugesse tulevikku, kuni lahendatakse energiatootmise, ohutuse ning pikaajalise elusolendite hoolduse põhiküsimused. Samas võib järgmise 50–100 aasta jooksul toimuv tehnoloogiline areng (edusammud fusiinis, antimaterjali tootmises, valgussiiulite arendamises ja tehisintellektis) muuta teatud tüüpi mehitamata missioonid teostatavamaks. Siiski peab arvestama, et isegi kui mõned tehnoloogiad muutuvad võimalikuks, on tähtedevahelise reisimise elluviimine mitme distsipliini – füüsika, inseneri-, bioteaduste, eetika ja poliitika – pikaajaline ja ühiselt lahendatav ülesanne.

Kokkuvõte: tähtedevaheline reisimine on töö- ja ressursimahukas ning nõuab uusi, seni osaliselt teoreetilisi tehnoloogiaid. Praegu on realistlikum tee väikeste, autonoomsete sondivõrkude ja beamed propulsion eksperimendini; mehitatud koloniseerimine jääb siiski suureks väljakutseks, mis tõenäoliselt saab reaalsemat kuju alles palju kauges tulevikus.

Tähtedevahelise reisimise raskused

Peamine väljakutse tähtedevahelise reisimise ees on suured vahemaad, mis tuleb läbida. See tähendab, et vaja on väga suurt kiirust ja/või väga pikka reisiaega. Kõige realistlikumate liikumismeetoditega kulub reisimiseks aastakümnetest kuni aastatuhandeteni.

Seega oleks tähtedevaheline laev palju rohkem avatud planeetidevahelise reisimise ohtudele, sealhulgas vaakumile, kiirgusele, kaalutaolekule ja mikrometeoroididele. Suurel kiirusel läbiksid sõidukit paljud mikroskoopilised aineosakesed, kui see ei ole tugevalt kaitstud. Kilbi kandmine suurendaks oluliselt tõukejõuprobleeme.

Kosmilised kiired

Kosmiline kiirgus pakub suurt huvi, sest väljaspool atmosfääri ja magnetvälja puudub kaitse. On täheldatud, et kõige energilisemate ülikõrgeenergiliste kosmiliste kiirguste (UHECR) energia läheneb 3 × 10 ²⁰eV-le, mis on umbes 40 miljonit korda suurem kui suure hadronite põrguti poolt kiirendatud osakeste energia. Kõige kõrgema energiaga ülikõrge energiaga kosmilise kiirguse energia on 50 J juures võrreldav 90 kilomeetri tunnis liikuva pesapalli kineetilise energiaga. Nende avastuste tulemusena on tekkinud huvi veelgi suurema energiaga kosmiliste kiirte uurimise vastu. Enamikul kosmilistest kiirtest ei ole siiski nii äärmuslikud energiad. Kosmilise kiirguse energiajaotus saavutab tipptaseme 0,3 gigaelektronvoldi (4,8×10⁻¹¹ J) juures.

Vajalik energia

Oluline tegur on mõistliku sõiduaja saavutamiseks vajalik energia. Vajaliku energia alampiiriks on kineetiline energia K = ½ mv², kus m on lõppmass. Kui soovitakse laeva saabumisel aeglustada ja seda ei ole võimalik saavutada muul viisil kui laeva mootoritega, siis on vajalik energia vähemalt kahekordne, sest laeva peatamiseks vajalik energia on võrdne energiaga, mis on vajalik laeva kiirendamiseks reisikiirusele.

Mõne aastakümne pikkuse mehitatud tiirutuse kiirus isegi lähimale tähele on tuhandeid kordi suurem kui praeguste kosmosesõidukite kiirus. See tähendab, et kineetilise energia valemi v² termini tõttu on vaja miljoneid kordi rohkem energiat. Ühe tonni kiirendamine kümnendiku valguskiirusele nõuab vähemalt 450 PJ ehk 4,5 ×10¹⁷ J ehk 125 miljardit kWh, arvestamata kadusid.

Energiaallikas tuleb transportida, sest päikesepaneelid ei tööta kaugel Päikesest ja teistest tähtedest. Selle energia suurus võib muuta tähtedevahelise reisimise võimatuks. Üks insener väitis: "Reisiks (Alfa-Kentaurile) oleks vaja vähemalt 100 korda rohkem energiat kui kogu maailma energiatoodang [ühe aasta jooksul]".

Tähtedevaheline keskkond

tähtedevaheline tolm ja gaas võivad tekitada laevale märkimisväärset kahju suure suhtelise kiiruse ja suure kineetilise energia tõttu. Suuremad objektid (näiteks suuremad tolmuterad) on palju harvemini esinevad, kuid oleksid palju hävitavamad. .

Reisiaeg

Pikad sõiduaegad muudavad mehitatud missioonide kavandamise keeruliseks. Ruumi-aja fundamentaalsed piirid kujutavad endast veel üht väljakutset. Samuti oleks tähtedevahelisi reise majanduslikel põhjustel raske õigustada.

Võib väita, et tähtedevahelist missiooni, mida ei ole võimalik 50 aasta jooksul lõpule viia, ei tohiks üldse alustada. Selle asemel tuleks ressursid investeerida parema tõukejõusüsteemi väljatöötamisse. Seda seetõttu, et aeglasest kosmoseaparaadist mööduks tõenäoliselt mõni teine, hiljem saadetud missioon, millel on arenenum tõukejõud.

Teisest küljest võib seega kaaluda missiooni viivitamatult alustamist, sest muud kui tõukejõuprobleemid võivad osutuda keerulisemaks kui tõukejõutehnilised probleemid.

Galaktikavaheline reisimine hõlmab umbes miljon korda suuremaid vahemaid kui tähtedevahelised vahemaad, mis teeb selle radikaalselt keerulisemaks isegi tähtedevahelisest reisimisest.

Kennedy arvutus

Andrew Kennedy on näidanud, et enne minimaalset ooteaega tehtud reisid mööduvad neist, kes lahkuvad minimaalsel ajal, samas kui need, kes lahkuvad pärast minimaalset aega, ei edasta kunagi neid, kes lahkusid minimaalsel ajal.

Kennedy arvutused sõltuvad r-st, maailma energiatootmise keskmisest aastasest kasvust. Igast ajahetkest kuni antud sihtkohani kulub minimaalselt aega, mis kulub sihtkohani. Reisijad jõuaksid tõenäoliselt kohale, ilma et hilisemad reisijad neid edestaksid, kui nad ootaksid aega t enne lahkumist. Seos sihtkohta jõudmiseks kuluva aja (praegu, T_now, või pärast ootamist, T_t, ja reisikiiruse kasvu vahel on järgmine

T n o w T t = ( +1 r ) t {\displaystyle2 {\frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}} ${\frac {T_{now}}{T_{t}}}={(1+r)}^{\tfrac {t}{2}}$

Võttes näitena kuue valgusaasta kaugusel asuva Barnardi tähe, näitab Kennedy, et kui maailma keskmine aastane majanduskasv on 1,4% ja reisikiirus kasvab vastavalt, jõuab inimtsivilisatsioon selleni kõige kiiremini 1110 aasta jooksul alates 2007. aastast.

Tähtedevahelised kaugused

Astronoomilisi vahemaid mõõdetakse sageli ajas, mis kulub valgusvihule kahe punkti vaheliseks teekonnaks (vt valgusaasta). Valguse kiirus vaakumis on umbes 300 000 kilomeetrit sekundis ehk 186 000 miili sekundis.

Maa ja Kuu vaheline kaugus on 1,3 valgussekundit. Praeguste kosmoseaparaatide liikumapanevate tehnoloogiate abil suudab kosmoselaev Maa ja Kuu vahelise vahemaa läbida umbes kaheksa tunniga (New Horizons). See tähendab, et valgus liigub umbes kolmkümmend tuhat korda kiiremini kui praegused kosmoseaparaatide liikumapanevad tehnoloogiad. Kaugus Maast teiste Päikesesüsteemi planeetideni ulatub kolmest valguse minutist kuni umbes nelja valguse tunnini. Sõltuvalt planeedist ja selle asendist Maaga võtavad need reisid mehitamata kosmoselaevade puhul aega mõnest kuust kuni veidi üle kümne aasta. Teiste tähtede kaugus on palju suurem. Kui Maa ja Päikese vaheline kaugus on ühe meetri suurune, oleks kaugus Alfa Centauri A-st 271 kilomeetrit ehk umbes 169 miili.

Päikesele lähim teadaolev täht on Proxima Centauri, mis on 4,23 valgusaasta kaugusel. Kiireim seni saadetud kosmoselaev Voyager 1 on 30 aasta jooksul läbinud 1/600 valgusaastat ja liigub praegu 1/18 000 valguse kiirusega. Sellise kiiruse juures võtaks teekond Proxima Centaurile aega 72 000 aastat. Loomulikult ei olnud see missioon spetsiaalselt mõeldud kiireks reisimiseks tähtedeni ja praegune tehnoloogia suudaks palju paremini. Päikesepurjede abil saaks reisi kestust vähendada mõne aastatuhandeni või tuumapulsside abil sajandini või vähem.

Erirelatiivsusteooria pakub võimaluse reisi aega lühendada: kui piisavalt arenenud mootoritega tähelaev suudaks saavutada valguse kiiruse lähedast kiirust, teeks relativistlik ajadilatatsioon reisijate jaoks reisi palju lühemaks. Maale jäänud inimeste arvates kuluks siiski veel mitu aastat. Maale naastes avastaksid reisijad, et Maal on möödunud palju rohkem aega kui nende jaoks (kaksikparadoks).

Paljud probleemid oleksid lahendatud, kui ussiaugud oleksid olemas. Üldine relatiivsusteooria ei välista neid, kuid niipalju kui me praegu teame, neid ei eksisteeri.

Kommunikatsioon

Edasisõidu viivitusaeg on minimaalne aeg, mis kulub sondisignaali Maale jõudmise ja Maalt juhiste saamise vahel. Arvestades, et teave ei saa liikuda kiiremini kui valguse kiirus, on see Voyager 1 puhul umbes 32 tundi, Proxima Centauri lähedal oleks see 8 aastat. Kiiremad reaktsioonid tuleks programmeerida automaatselt. Muidugi, mehitatud lennu puhul saab meeskond oma tähelepanekutele kohe reageerida. Kuid edasi-tagasi lendamise aeg muudab nad mitte ainult äärmiselt kaugeks, vaid ka kommunikatsiooni seisukohalt Maast äärmiselt isoleerituks. Teine tegur on energia, mida tähtedevahelise side usaldusväärseks edastamiseks on vaja. On selge, et gaas ja osakesed halvendavad signaale (tähtedevaheline väljasuremine) ning signaali saatmiseks kasutatav energia on piiratud.

Mehitatud missioonid

Mis tahes inimese transportimiseks sobiva laeva mass oleks paratamatult oluliselt suurem kui mehitamata tähtedevahelise sondi jaoks vajalik mass. Märksa pikem reisimisaeg eeldaks elutegevussüsteemi olemasolu. Esimesed tähtedevahelised missioonid ei kanna tõenäoliselt elusolendeid.

Tähtedevahelise reisimise peamised sihtmärgid

Päikesest 20 valgusaasta kaugusel on 59 teadaolevat tähesüsteemi, mis sisaldavad 81 nähtavat tähte. Järgmisi võiks pidada tähtedevaheliste missioonide peamisteks sihtmärkideks: Kiirgusohud välistaksid Siriuse ekspeditsiooni puhul kõik orgaanilised olendid. Igal juhul on raske ette kujutada mehitatud ekspeditsioone, arvestades tõenäolist reisi kestust.

Kõige tõenäolisem aeg tähtedevaheliseks reisimiseks oleks ehk siis, kui täht läbib meie Oorti pilve. Me peaksime saama sellest hea 10 000 aasta pikkuse hoiatuse, nii et saaksime seda sündmust üksikasjalikult planeerida. Vaata Scholz'i tähte, kui üks viimati läbi tuli.

Tähtede süsteem	Kaugus (ly)	Märkused
Alpha Centauri	4.3	Lähim süsteem. Kolm tähte (G2, K1, M5). Komponent A on sarnane Päikesele (G2-täht). Alfa Centauri B-s on üks kinnitatud planeet.
Barnardi täht	6.0	Väike, madala heledusega M5 punane kääbus. Järgmine Päikesesüsteemile lähim.
Sirius	8.7	Suur, väga hele A1-täht koos valge kääbuse kaaslasega.
Epsilon Eridani	10.8	Üksik K2 täht, mis on Päikesest veidi väiksem ja külmem. Sellel on kaks asteroidivööd, võib olla üks hiiglaslik ja üks palju väiksem planeet ning võib omada Päikesesüsteemi tüüpi planeedisüsteemi.
Tau Ceti	11.8	Üks G8 täht, mis sarnaneb Päikesele. Suur tõenäosus omada Päikesesüsteemi tüüpi planeedisüsteemi: praegused andmed näitavad 5 planeeti, millest kaks võivad olla elamiskõlblikus tsoonis.
Gliese 581	20.3	Mitme planeedi süsteem. Kinnitamata eksoplaneet Gliese 581 g ja kinnitatud eksoplaneet Gliese 581 d asuvad tähe elamiskõlblikus tsoonis.
Vega	25.0	Vähemalt üks planeet, mis on sobiva vanusega, et seal oleks arenenud primitiivne elu.

Olemasolev ja lähitulevikus kasutatav astronoomiline tehnoloogia on võimeline leidma nende objektide ümber asuvaid planeedisüsteeme, mis suurendab nende uurimisvõimalusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tähtedevaheline kosmosereisimine?

V: Tähtedevaheline kosmosereisimine on reisimine tähtede vahel, kas mehitatud või mehitamata.

K: Kas tähtedevaheline reisimine on lihtsam kui reisimine Päikesesüsteemis?

V: Ei, tähtedevaheline reisimine on palju raskem kui reisimine Päikesesüsteemis.

K: Kas tähtedevaheliseks reisimiseks on olemas sobiv tehnoloogia?

V: Ei, sobivat tehnoloogiat tähtedevaheliseks reisimiseks praegu ei ole.

K: Kas on uuritud ioonmootoriga sondi ideed tähtedevaheliseks reisimiseks?

V: Jah, ioonimootoriga sondi ideed on uuritud tähtedevaheliseks reisimiseks.

K: Milline on ioonimootoriga sondi energiaallikas tähtedevaheliseks reisimiseks?

V: Ioonimootoriga sondi energia tähtedevaheliseks reisimiseks saadakse laserbaasjaama kaudu.

K: Kas nii mehitamata kui ka magalaevade tähtedevaheline reisimine on võimalik?

V: Jah, nii mehitamata kui ka magalaevade tähtedevaheline reisimine näib olevat võimalik, kui selleks on piisavalt aega ja tehnilist tööd.

K: Kas nii mehitatud kui ka mehitamata tähtedevahelise reisimise puhul on tehnoloogilisi ja majanduslikke probleeme?

V: Jah, nii mehitatud kui ka mehitamata tähtedevaheline reisimine kujutab endast märkimisväärseid tehnoloogilisi ja majanduslikke probleeme, mida tõenäoliselt ei suudeta lähitulevikus lahendada.