Vigyázat! Cookikat tolunk! Adatvédelem.

Mennyi üzemanyag kell a csillagközi utazáshoz?

Elindultunk egy képzeletbeli útra az Alfa Centauri, közelebbről a második Földnek is nevezett Proxima b bolygó felé. Annak érdekében, hogy néhány év alatt odaérjünk, és a földi viszonyoknak megfelelő terhelést kapjon szervezetünk, 1 g gyorsulással indulunk, majd beiktatunk egy súlytalansági szakaszt az üzemanyag spórolás érdekében, majd a végén a lassulás szintén 1 g-vel történne.

Itt jutunk el a kritikus kérdéshez: mégis mennyi üzemanyagra van szükség az utazáshoz? Ehhez meg kell becsülnünk a gyorsítási munkát! A problémát az jelenti, hogy a magunkkal vitt üzemanyagot is fel kell gyorsítani. Legyen ennek tömege M0 a kilövéskor, ehhez adódik hozzá az űrhajó m hasznos tömege. A gyorsítási és lassítási szakaszban az M + m tömeg számára kell az 1 g gyorsítást biztosítani, ahol az üzemanyag mennyisége a kezdeti M0-ról fokozatosan nulláig csökken.

Határozzuk meg, hogy mennyi üzemanyagra van szükség a gyorsítási és a lassítási szakaszban együtt! A két szakasz együttes hossza – amit számításunkban az űrhajó rendszerében kell figyelembe venni – a relativisztikus kontrakció miatt kisebb lesz, mégpedig 1,204 fényévre, azaz a c2/g egységben 1,244 hosszúságúra csökken le. Állandó gyorsulás, illetve lassulás esetén is fokozatosan csökkenni fog a hosszegységnyi úton felhasznált üzemanyag mennyisége, mert az üzemanyag fogyása miatt egyre könnyebb lesz az űrhajó.


Mint látni fogjuk, az indulási üzemanyag mennyisége jóval meghaladja a hasznos terhet, ezért első közelítésben elegendő, ha csak ezt vesszük figyelembe. Ekkor az egységnyi út megtétele során elfogyasztott üzemanyag arányos lesz annak tömegével, amit egy karányossági tényezővel írhatunk le. Ennek az a következménye, hogy az üzemanyag mennyisége az út során exponenciálisan csökken az említett k arányossági tényezővel: azaz M(s) = M0·e-k.s. A tényleges fogyás ennél gyorsabb, mert valójában az M + m teljes tömeget kell gyorsítani, ezért becslésünk alsó határt ad meg a szükséges üzemanyag mennyiségére. A lassítási szakasz végére elfogy az üzemanyag, és az űrhajó tömege egyenlő lesz az mhasznos tömeggel. A közelítés keretei között bevezethetjük m = M0·e-k.s egyenlőséget, amelyből becslést kapunk az üzemanyag minimális arányára a hasznos tömeghez viszonyítva:

Ismételjük: az üzemanyag mennyisége ennél csak nagyobb lehet! Ez vezet el a már korábban említett, a megtett út függvényében exponenciálisan növekvő üzemanyag-szükséglethez.


De mi határozza meg a k exponenciális állandó értékét? Itt jutunk el a relativitáselmélet legfontosabb összefüggéséhez, amely kapcsolatot teremt a tömeg és az energia között, ugyanis az Mtömegű üzemanyagból nyerhető maximális energia nem haladhatja meg a nyugalmi energiát: M·c2. A ténylegesen kinyert energia ennél csak kisebb lehet, amit az η hatásfoktényezővel adhatunk meg: ηM·c2. Az egységnyi úthossz megtétele során felhasznált kηM·c2energia hozza létre az M·g gyorsítási munkát, amiért k = g/ηc2. Ily módon kapunk alsó becslést az üzemanyag arányára a hasznos tömeghez képest:

Az üzemanyag-hatékonyság szerepe az űrutazásban

Ha bármilyen kémiai üzemanyagot használunk, a hatásfok kisebb, mint egymilliárdod, nukleáris bomláskor felszabaduló energiát használva sem érhetünk el egy tízezrednél nagyobb hatásfokot (ez a felbomló radioaktív atom tömegdeficitjéből következik), még fúziós reakciókat felhasználva sem remélhetünk többet 1 százaléknál (ez a fuzionáló kis tömegű atomok tömegdeficitjéből következik). Esetünkben a relatív egységben megadott út s·g/c2 = 1,244, és ezt kell osztani az alacsony η hatásfok-tényezővel. Emiatt lesz rendkívül nagy az exponenciális kitevő, és még fúziós reaktor esetén is beláthatatlanul nagy mennyiségű üzemanyagra lenne szükség, akkorára, amelyhez a Tejút összes csillagának anyaga sem lenne elegendő.

A leghatékonyabb energiatermelés antirészecske-reaktorral

Tehát az expedíció alapkövetelménye, hogy az egységhez közel legyen az energiafelhasználás hatásfoka. Lehetséges-ez? Ne korlátozzuk magunkat technikai akadályokkal, és tételezzük fel, hogy az anyag-antianyag annihiláció lenne az energiaforrás: mindenekelőtt az antiproton és a protonok annihilációja lehetne az alap. A probléma természetesen az antiprotonok összegyűjtése és tárolása lenne, mert olyan tartályra lenne szükség, ahol az antirészecske nem érintkezhetne a tartály falával. Az antiproton töltött részecske, ezért mágneses térben körpályára kényszeríthető, emellett ha negatív töltésű lenne a tartály, akkor ez eltaszíthatná magától az antiprotonokat. Tehát elvben létrehozható ilyen elektromágneses csapda, de persze ehhez is energia kell, ami a működést biztosítja.

Az antirészecske-reaktor kockázatai

Az antiprotonokat a kozmikus sugárzásból lehetne nyerni, mert annak energiája elég nagy, hogy létrejöjjenek ezek a részecskék - ha viszont nagy tömegben vannak összegyűjtve, akkor a kockázat óriásira nő. Akkora mennyiség kellene belőlük, ami sokszorosan meghaladja a Földön jelenleg tárolt hidrogénbombák nukleáris töltetének teljes tömegét, egy esetleges robbanás hatásfoka pedig ennek több mint százszorosa lenne. Elég egy apró technikai hiba, és ha létrejönne a robbanás, az nemcsak a földi életet pusztítaná el, hanem szétrobbantaná a Föld kérgét is. Még nagyobb veszély fenyegetné az űrhajósokat, mert a fénysebesség közelében már nem lehetne előre látni, ha valamilyen nagyobb űrobjektum kerülne a pálya útjába, és a manőverezés is nehéz ekkora sebességnél. Így aligha lehetne olyan biztonsági rendszert kifejleszteni, amely elegendő mértékben csökkentené az ütközés és a robbanás kockázatát.

Az elmondottak miatt bármilyen magas szintre emelkedjen a technika, a csillagközi expedíciónak rendkívül nagy lenne a kockázata. Járható út lehet azonban az automatikus űreszközök, drónok küldése, amelyeket földről irányított energiaforrások (lézerek) segítségével fel lehet annyira gyorsítani, hogy reális idő alatt elérjék a szomszédos csillagokat, és onnan küldjenek számunkra híradást a Proxima b világáról. A második Földnek elnevezett bolygóra történő utazásra viszont nem látok reális esélyt, ez megmarad mindörökre a fikciók világában – hacsak nem szánunk hosszú évezredeket az útra, és nem szoktatjuk hozzá szervezetünknek a súlytalanság körülményeihez.

4 hozzászólás

  • AcIv55 2018. február 5. 10:20

    1
    nekem így is jó xd
  • Gyuluska 2018. február 5. 12:44

    2
    Aha. Na akkor hány éves a kapitány?
  • KillHates 2018. február 5. 16:31

    3
    Qrva egyszerű a történet:
    -építs egy akkora űrhajót mint egy bolygó, csúfoljuk Földnek
    -teremtsd meg rajta azt a megújuló rendszert ami az "utasok" több generációs életéhez szükséges, legyen a neve bioszféra
    -csapj mellé egy üzemanyag forrást, -persze kellő távolságba- , hogy az ne veszélyeztesse magát a "hajót"; nevezzük Napnak
    -legyen pajzsa, ez lehet akár a légkör is
    Lökd meg az egészet abba az írányba ahová küldeni szeretnéd.... Aztán csinálj elég problémát az utasoknak, hogy magukkal legyenek elfoglalva, ne ilyen hülyeségekkel! :D XD
  • ArkaChopa 2018. február 8. 11:49

    4
    Ez egy nagyszerű cikk, de mindig az a baj , hogy a számítás anyagban gondolkodik. Az anyag mozgatása a térben nagyon nagy energiabevitellel lehetséges csak és azt feltételezi, hogy a hajtómű anyag is kizárólag csak anyagi természetű lehet, ez viszont ahogy a fenti példa leírta komoly probléma.
    Erre vannak sokkal jobb elméletek, mégpedig a tér energiájának kinyerése -
    A Képtelenség hajtómű - keptelenseg.hu
    Ezenkívül még léteznek elméletek olyan hajtóműről amelyek a gravitációs tér fodrainak energiakülönbségére építenének, abban kapaszkodva löknék tovább az űrhajót. Majd lehet ebből lesz egy poszt...
A hozzászóláshoz be kell jelentkezned.
Belépés, vagy ingyenes regisztráció!