torsdag 13. februar 2020

Slik kan vi reise til stjernene


Hvis alt går bra, kommer vi til å kolonisere hele universet.

Et langt liv har riktignok lært meg at det er ikke brått alt som går bra. Så la meg modifisere utsagnet: Hvis en del ting går noenlunde bra, kommer vi til å reise ut og kolonisere universet. Den viktigste tingen som må gå bra er at vi ikke blir utryddet. Da må vi unngå sånne menneskeskapte katastrofer som atomkrig, biologisk sammenbrudd, mikroben fra helvete (dvs krigslaboratoriet), AI-systemer som går amok - - ju neim itt, som kulturjournalistene sier. Dessuten må vi ha flaks nok til å unngå de naturlige katastrofene som kan inntreffe i morgen eller om tusen år: Supervulkaner, skikkelig store asteroider, gammaglimt fra dødskampen til en hypernova.

Ingen av de naturlige katastrofene kan forutsies med særlig grad av nøyaktighet; og om de kunne forutsies, er det fint lite vi kan gjøre for å unngå dem. Universet er et utrygt sted, og før eller seinere smeller det: «If the 'squitoes don't get him, then the 'gaters will,» sang Kingston Trio.

Men anta at vi har griseflaks et par hundre år til. Da kommer vi til å kolonisere alle beboelige flekker i solsystemet, og en god del ubeboelige. Så reiser vi videre – se «Hvor lang tid har vi igjen?» (27. november 2017 på http://kvernvold.blogspot.com/2017/ ). Der kan du lese at under de nevnte forutsetningene vil vi spre oss videre og kolonisere de 250.000.000.000 solsystemene i resten av galaksen (antallet blir stadig oppgradert), og dessuten en god del av rommet i og mellom solsystemene. Deretter kommer turen til de 100.000.000.000 andre galaksene.

Hvordan kommer vi dit? Vår nærmeste nabo, Proxima Centauri, er 4,2 lysår borte. Den har interessante omgivelser og minst én jordliknende planet, så den kan fort bli et attraktivt reisemål. 4,2 lysår utgjør 39.735.000.000.000 km, og alle andre stjerner er lengre borte. Med farten til et passasjerfly ville turen ta fire og en halv million år. Men vi kan jo bygge romskip som tar oss dit raskere: Hvis vi reiser med en hastighet lik unnslippingshastighet fra Jorda – 11,2 km i sekundet - , tar turen bare 112.500 år.

Noen forfattere meiner at hvis vi tar tida til hjelp, så kommer vi fram til slutt. Vi kan for eksempel bygge et generasjonsromskip. Da er det våre barnebarns barnebarns ... barnebarn som omsider setter beina på en planet under ei fremmed sol. Eller vi kan fryse ned kolonistene og tine dem opp igjen hundre tusen år seinere, når reisemålet nærmer seg.

Med den farten bruker vi to-tre milliarder år på å nå ut i hele galaksen. Vi har det mer travelt enn som så. Tradisjonelle romskip egner seg til innaskjærs trafikk i vårt eget solsystem. Men skal vi fylle opp universet, må vi opp i hastigheter som kan sammenliknes med lyshastigheten. Vi trenger en Bussard-jet, eller noe som gjør samme nytta.

Denne farkosten ble funnet opp av Robert Bussard i 1960. Hans romskip drives av en fusjonsreaktor. Reaktoren mates med hydrogenkjerner, protoner, som den slurper i seg fra rommet ved hjelp av kraftige magnetfelt. Så blåser den heliumkjerner bakover, og det driver romskipet framover som i en vanlig rakett. Det tomme rom er nemlig ikke fullt så tomt som mange vil ha det til: Atomer og enkeltpartikler flyter rundt, og med kraftig nok magnetfelt kan vi sanke alle partikler som har en ladning.

Kritikere fant dessverre ut at Bussards oppfinnelse hadde flere svakheter. De påpekte blant annet at hydrogenkjernene som magnetfeltet sanker inn må bringes opp i samme hastighet som romskipet. Når hastighetene blir utlignet, blir skipet bremset. Bare å holde farten oppe krever altså energi. Så må atomkjernene presses sammen til tettheten i en fusjonsreaktor, og det krever mer energi.

Beregningene viste at disse to trinnene krever mer energi enn reaktoren produserer. I en nyere versjon benytter reaktoren en mer fullstendig og følgelig mer effektiv kjedereaksjon, der sluttproduktet er oksygen, ikke helium. Det forutsetter temperatur og trykk omtrent som der hvor oksygenet blir laget, nemlig i midten av Sola, så det trengs noen teknologiske gjennombrudd. Men det er fortsatt uklart – i hvert fall for meg – om denne løsningen vil gi overskuddsenergi til å drive skipet, etter at vi har trukket fra det som trengs for å fóre og drive reaktoren.

Hvis problemet bare er av praktisk art, kan det løses med god nok teknologi. Det er verre med fundamentale problemer, også kjent som «naturlover»: Loven om energibevarelse er et irriterende og fundamentalt problem. Det samme er lyshastigheten: Den fysikken vi kjenner, gir ingen oppskrift på hvordan vi skal bryte lysmuren: Den sier tvert imot at det er umulig.

En science fiction-forfatter med eksamen i teoretisk fysikk gir riktignok ikke opp helt uten lasersverdslag. Jeg har lest mange fortellinger hvor romskipene stuper gjennom hyperrommet på tvers av tid og rom og kommer ut igjen noen millioner lysår borte. I Star Wars-filmene har jeg sett at Han Solo girer over i hyperdriv og gir gass; lysregnet blir tettere, og plutselig er skipet i hyperrommet. Derfor har jeg flere ganger kastet meg over Einsteins likninger i håp om å finne ut hva som faktisk kreves for å bevege seg raskere enn lyset. Da trenger jeg først uendelig mye energi. Så må jeg innføre imaginær tid, negativ masse og diverse andre merkverdigheter. Hver eneste gang har jeg endt opp med å gå meg bort i et villniss av matematiske sjølmotsigelser. Så nå har jeg resignert: Einstein ruler, og vi får bare respektere fartsgrensa hans.

Flinkere folk enn jeg har prøvd å finne avvik mellom Einstein og virkeligheten. De har utviklet snedige, alternative teorier og pønsket ut eksperimenter for å verifisere eller avkrefte. Hver gang har Einstein vunnet med arma på ryggen. Han får stadig mer rett, og det blir stadig vanskeligere å lage alternative teorier som stemmer med alt vi har observert.

Så la oss heller utnytte de mulighetene som Einsteins ligninger gir oss – for eksempel tidsforskyvningen: Jo fortere vi reiser, jo saktere går tida. Vi merker det riktignok ikke mens vi reiser. Men når vi bremser opp og lander etter noen år på romskipet, kan det ha gått tusen år på Jorda. Reiser du ut, kan du aldri vende tilbake til barndommens grønne dal.

Det finns 35 stjerner innafor en avstand på 12 lysår fra Sola. Noen av dem befinner seg i dobbelt- eller trippelstjernesystemer, sånn som Proxima Centauri og Alfa Centauri A og B. Tau Ceti, ei stjerne som er svært lik vår egen sol, ligger akkurat innafor en avstand på 12 lysår.

Ta et romskip og akselerer det med en jevn akselerasjon på 1 G, det vil si samme tyngdekraft som den du tynges av her på Jorda. Etter to og et halvt år er romskipet oppe i 99 % av lyshastigheten. Da har du tilbakelagt 6 lysår! Men i et «stasjonært» koordinatsystem – for eksempel slik vennene dine på Jorda måler tida – har det gått 6,8 år. Nå begynner du å bremse, også med 1 G. Etter ytterligere 2,5 år (på romskipet) har du tilbakelagt tilsammen 12 lysår. Da lander du på en av planetene til Tau Ceti og tar fatt på ditt nye liv, fem år eldre enn da du reiste. «Samtidig» har det gått 13,6 år slik vennene dine her hjemme måler tida.

(Skjønt «samtidig»? Der ute, 12 lysår borte, aner du jo ikke hva klokka mi viser nå. Det kan du først vite om 12 år, når bildet av klokka mi har nådd deg. Men da har det jo gått – )

Altså: Hvis du har et romskip som kan akselereres med 1 G så lenge du vil, kan du nå alle de 35 nærmeste stjernene på 5 år eller mindre.

Er det én ting du veit om Einstein, så er det at E = mC2 ! Jeg skal spare deg for store, stygge ligninger. Men i Einstein-verdenen øker massen med hastigheten. Hvilemassen – den massen romskipet har før det begynner å bevege seg – kaller vi m0, og massen ved 99 % av lyshastigheten kaller vi m99 . Vi regner fort ut at m99 = 7,09 ganger m0 .

Vi kan også regne ut at m999 = 22,37 ganger m0, og at m9999 = 70,71 ganger m0 . For eksempel.

For å oppnå en hastighet på 99 % av lyshastigheten, må romskipet tilføres en energi lik m99C2 - m0C2. Altså m0C2 * (7,09 – 1). Hold ikke pusten mens jeg regner – men hvis romskipets hvilemasse er 100.000 tonn, har det fått tilført en energiøkning på 15,2*1018 kWt.

Så må romskipet tilføres like mye futt når det skal bremses ned igjen. For å nå et solsystem som befinner seg 12 lysår borte så fort som vi ønsker, må altså et romskip på 100.000 tonn tilføres i alt 30,4*1018 kWt. Det utgjør omtrent 200.000 ganger menneskehetens årlige energiforbruk nå for tida. På den andre sida: Sola leverer hvert år mer enn 100 millioner ganger så mye energi som disse 30,4*1018 kWt. Det har den gjort år ut og år inn i 5 milliarder år, og den kommer til å fortsette med det i noen milliarder år til. Om du synes at interstellare ekspedisjoner krever mye eller lite energi, kommer altså an på perspektivet du ser det i.

Og når vi har en teknologi som gjør at vi kan tenke på å forlate solsystemet, er vi ganske sikkert i stand til å utnytte solenergi i stor skala også. Og ute i den store verden finns det flere soler.

I praksis trengs det mange ganger 30,4*1018 kWt for å gjennomføre ekspedisjonen. Se for deg at skipet drives av en hundre kilometer lang partikkelakselerator. Akseleratoren skyter heliumkjerner eller oksygenkjerner bakover i hastigheter så nær lyshastigheten som vi klarer å få dem. Dette er reaksjonsmassen som driver romskipet framover, akkurat som i en vanlig rakett.

I en Newton-verden finns det en rakettligning som ble utviklet av en av disse geniale, men glømte russerne, Konstantin Tsjolkovskij. Den kan ikke brukes ved relativistiske hastigheter. Hvis jeg sitter og svetter over gamle fysikkforelesninger og integreringsformler dag og natt, kan jeg muligens klare å utlede en relativistisk rakettligning til bruk i en avansert Bussardjet. Men det er minst like sannsynlig at jeg ville kjøre meg bom fast. Livet er kort, og jeg er gammel, så jeg nøyer meg med et enkelt resonnement: Jeg antar at reaksjonsmassen må tilføres like mye energi som romskipet tilføres. I tillegg kommer den energien vi bruker for å fange atomkjernene. Det utgjør minst like mye som energien til framdrift. Vi er fort oppe i en firegang, og det er nok fortsatt optimistisk. Jeg tenker vi runder av til 1*1020 kWt for en tur på 12 lysår, jeg.

1 g hydrogen i en fusjonsreaktor gir 90.000 kWt. Ett hydrogenatom (som består av et proton og et elektron) har en masse på 1,67*10-24 g, så for å få et gram trenger vi 6 * 1023 protoner. Og vi skal ikke ha bare 90.000 kWt; vi skal ha 1*1020 kWt. Vi ganger opp og finner at det totale protonbehovet er 6,7*1038. Et respektabelt antall, men ikke uoverkommelig.

For husk at vi har 12 lysår til rådighet. Og det interstellare rom er jo ikke tomt: Det kryr av atomkjerner der, kanskje så mye som 1 proton pr. cm3. Og omtrent like mange elektroner. Noen kilder oppgir så lite som 0,1 pr. cm3, så la oss være konservative og bruke dette tallet. Da finns det 1014 protoner (og elektroner) pr. km3 tomt rom. Disse partiklene skal vi fange og bruke i reaktoren: Protoner til høgre; elektroner til venstre. Hvor lange elektromagnetiske fangarmer trenger vi for å sanke det nødvendige drivstoffet ute i rommet?

Ett lysår er 9,46*1012 km. En kubikkcentimeter inneholder som sagt (minst) 1014 hydrogenatomer pr. kubikkilometer. Vi trenger 6,7*1038 slike partikler, så det volumet vi trenger å tømme for protoner og elektroner på vår ferd til Tau Ceti utgjør 6,7*1024 km3. Tverrsnittet som romskipets magnetiske fangarmer må sope reint for protoner og elektroner blir dermed: 6,7*1024 km3 /(12 * 9,46*1012 km), det vil si 5,9*1010 km2.

Hvis romskipet omgir seg med et sirkelformet magnetfelt som suger til seg ladete partikler innafor en radius på 137.000 kilometer, så har vi alt vi trenger. Og 137.000 kilometer er et museskritt i rommet mellom stjernene – det er ikke halvvegs herfra til Månen en gang. Klarer vi å bygge en sånn reaktor som jeg snakket om, så klarer vi helt sikkert å generere et sånt magnetfelt.

Det er ikke sånn at magnetfeltet slutter plutselig akkurat 137.000 km utafor romskipet. Virkningen av feltet er svakere jo lengre ut du kommer, men det strekker seg langt utafor den beregnete radien. Det vil si at feltet har et virkningstverrsnitt tilsvarende en radius på 137.000 kilometer.

(Du har lagt merke til at jeg har snakket om protoner, hydrogenkjerner og elektroner om hverandre. Ute i interstellart rom forekommer atomene like gjerne som lausrevne atomkjerner og elektroner. I reaktoren klaskes de sammen og rekker kanskje såvidt å bli normale atomer, før de fusjonerer og gir fra seg den energien vi trenger.)

Hva hvis vi vil lengre ut i verden? Hva hvis vi vil opp i 99,9 % av lyshastigheten før vi bremser ned, slik at vi tilbakelegger 40 lysår? (Da har det gått 7 år og noen måneder på romskipet før vi er framme. Vriåtter kan bli kjedelig i lengden; vi må finne på noen andre aktiviteter på vegen.) Innafor 40 lysår finner vi nærmere 400 stjerner, og det skulle være rart om ingen av dem passer til våre behov. Husk at vi har teknologi til å gjøre de fleste jordlike verdener beboelige.

Eller kanskje vi vil helt opp i 99,99 % av lyshastigheten før vi begynner å bremse ned: Da havner vi et sted som ligger 130 lysår hjemmefra, og på romskipet har det gått 9,6 år. Vi får håpe planeten vi lander på var verdt turen.

Det viser seg at den energien vi trenger er proporsjonal med avstanden vi skal tilbakelegge! Så vi trenger ikke noe større og kraftigere magnetfelt, uansett hvor langt vi vil reise, Vi venter bare litt lenger før vi trår på bremsen. Noe annet blir det hvis romskipet har en hvilemasse på en million tonn, ikke 100.000 tonn. Da trenger vi kraftigere reaktor og lengre elektromagnetiske fangarmer. Linjær skalering, altså, og jeg overlater til min intelligente leser å beregne virkningstverrsnittet for det magnetfeltet vi da vil trenge.

Du kan komme til universets ende i løpet av levetida di på denne måten. HVIS et sånt romskip lar seg bygge. Men hvis det etter grundig granskning viser seg prinsipielt umulig å få et romskip med Bussard-teknologi til å virke – hvis naturen er ordnet slik at energivinninga alltid går opp i energispinninga, og vel så det - , så har vi et ess i ermet. Det esset heter antimaterie.

Antimaterie er, som du veit, akkurat som vanlig materie – bare omvendt. Antihydrogenatomet består av et negativt ladet antiproton og et positivt ladet antielektron – et positron. Når en partikkel og dets antipartikler møtes, utsletter de hverandre med et strålingsglimt. Og hvis en neve antimaterie slippes ut i en verden av vanlig materie, frigjøres det energi som får hydrogenbomben til å likne en kinaputt.

Hvis et romskip skal drives av materie/antimaterie-annihilasjon, må det frakte med seg den antimaterien som trengs. Den er ikke lett å frakte, for den minste kontakt med vanlig materie fører til kjernefysisk eksplosjon. Det trengs svært avansert og driftssikker teknologi for å holde antimaterien fullstendig isolert til vi skal bruke den. Men om hundre år har vi den teknologien, dersom vi trenger den.

Nå kan vi ikke hente den reaksjonsmassen som skal blåses bakover og gi romskipet framdrift ute fra rommet. Den må fraktes. Vi må også frakte drivstoff i form av like mengder materie og antimaterie. Alt i alt betyr dette at vi må mangedoble romskipets masse før avreise. Det betyr at vi mangedobler energibehovet. Under forskjellige forutsetninger kan du regne deg til et energibehov mellom ti og hundre ganger den energien du ville ha trengt hvis Bussardromskipet hadde virket.

Antimaterie finnes ikke fritt tilgjengelig i naturen; den må lages. Det gjør de ved CERN, blant annet for å finne ut om den oppfører seg som vanlig materie. (Hvis ikke, så er det noe galt med ekvivalensprinsippet. Og da er Einstein ute å kjøre!) - Samlet produksjon hittil utgjør visstnok et nanogram, og kostnaden for å produsere mer er blitt beregnet til en trillion dollar pr. gram. Og vi trenger mange ganger 100.000 tonn for å få romskipet vårt til Tau Ceti.

Å lage antimaterie er svært energikrevende. For å øke produksjonen fra et nanogram til en million tonn uten å sprenge budsjettet, trenger vi mye energi. Samt hundre års teknologisk utvikling.

Sola leverer nok energi til i hvert fall en million Tau Ceti-ekspedisjoner i året. Vi plasserer mange millioner kvadratkilometer solcellepaneler, langt mer effektive enn dem du har på hyttetaket, ute i rommet, i trygg avstand fra Jorda. Den solenergien vi fanger kan vi bruke til alle slags avanserte romprosjekter, herunder antimaterieproduksjon.

Vi kan knapt forestille oss teknologien ennå. Men hvis det ikke kommer i strid med fundamentale prinsipper, så kan det gjøres. Det går nok et århundre eller to før alt er på plass. Og først har vi jo et helt solsystem å befolke, som små skritt på vegen til stjernene.

Og aller først har vi noen jordiske problemer som må handteres.

Ingen kommentarer:

Legg inn en kommentar