Cat de repede ar putea oamenii sa calatoreasca in siguranta prin spatiu?

Cat de repede ar putea oamenii sa calatoreasca in siguranta prin spatiu?

Recordul actual de viteza este de 46 de ani. Cand va fi batut, il intreaba Adam Hadhazy.

W

Noi, oamenii, suntem obsedati de viteza. Ultimele luni, de exemplu, au adus stiri ca studentii din Germania au doborat recordul pentru cea mai rapida masina electrica accelerata si ca Fortele Aeriene ale SUA intentioneaza sa dezvolte avioane hipersonice care sa circule cu mai mult de cinci ori viteza sunetului – asta este viteza in exces de 3.790 mph (6.100 km / h).

Acele avioane nu ar avea echipaj – dar nu pentru ca oamenii nu pot calatori cu viteze atat de mari. De fapt, oamenii au calatorit deja de multe ori mai repede decat Mach 5. Exista, totusi, o anumita limita, dincolo de care corpurile afectate nu mai pot suporta tensiunea vitezei?

Recordul actual al vitezei umane este impartit in mod egal de trio-ul de astronauti care a zburat misiunea Apollo 10 a NASA. La intoarcerea de la o tura in jurul Lunii in 1969, capsula astronautilor a atins un varf de 24.790 mph (39.897 km / h) fata de planeta Pamant. „Cred ca acum o suta de ani, probabil ca nu ne-am fi imaginat ca un om ar putea calatori in spatiu cu aproape 40.000 de kilometri pe ora”, spune Jim Bray de la firma aerospatiala Lockheed Martin.

Chiar si masinile cu energie verde primesc rapid un circuit de curse; dar omenirea va trebui sa devina mult mai rapida pentru a explora Universul (Credit: Stuttgart Green Team)

Dar am putea bate acel record relativ curand. Bray este directorul proiectului modulului echipajului Orion pentru agentia spatiala americana, NASA. Sonda spatiala Orion este destinata transportarii astronautilor pe o orbita scazuta a Pamantului si este un bun pariu pentru vehiculul care va bate recordul de 46 de ani, cel mai rapid pe care l-am calatorit vreodata.

Sistemul de lansare spatiala, o noua racheta care va transporta nava spatiala Orion in sus, ar trebui sa aiba prima misiune cu echipaj in 2021 – un flyby al unui asteroid capturat pe orbita lunara – cu o misiune de cateva luni pe Marte, apoi in offing. In prezent, proiectantii prevad viteza maxima tipica a lui Orion in apropiere de 19.

Array

900 mph (32.000 km / h). Insa recordul de viteza Apollo 10 ar putea fi depasit, chiar si doar cu configuratia de baza a lui Orion. „Orion este conceput pentru multe destinatii diferite de-a lungul vietii sale”, spune Bray. „Viteza sa ar putea merge mult mai mare decat ne-am propus acum.”

Chiar si Orion nu va reprezenta varful potentialului nostru de viteza, totusi. „Nu exista o limita practica reala a vitezei cu care putem calatori, in afara de viteza luminii”, spune Bray. Inchideti fermoarele la aproximativ un miliard de kilometri pe ora. Putem spera sa eliminam in siguranta decalajul de la 40.000 km / h la acele viteze?

In mod surprinzator, viteza – definita ca o rata de miscare – in sine nu este deloc o problema pentru noi fizic, atata timp cat este relativ constanta si intr-o singura directie. Prin urmare, oamenii ar trebui – teoretic – sa fie capabili sa calatoreasca la viteze cu putin peste „limita de viteza a Universului”: viteza luminii.

Dar, presupunand ca putem depasi obstacolele tehnologice considerabile in construirea de nave spatiale mai rapide, corpurile noastre fragile, in mare parte, de apa, vor trebui sa se confrunte cu noi pericole semnificative care vin cu o astfel de deplasare de mare viteza. Pericole speculative ar putea aparea, de asemenea, daca oamenii realizeaza o calatorie mai rapida decat lumina, fie prin exploatarea lacunelor din fizica cunoscuta, fie prin descoperiri distrugatoare de paradigme.

Rezistand fortelor G

Cu toate acestea, atingem viteze de peste 40.000 km / h, va trebui sa urcam (si sa coboram de la) cu rabdare. Accelerarea si decelerarea rapida pot fi letale pentru organismul uman: asistati la trauma corporala in accidentele de masina in timp ce trecem de la un simplu clip de zeci de kilometri pe ora la zero in intervalul de secunde. Motivul? O proprietate a Universului cunoscuta sub numele de inertie, prin care orice obiect cu masa rezista schimbarii la starea sa de miscare. Conceptul este exprimat faimos in prima lege a miscarii lui Newton ca „un obiect in repaus ramane in repaus si un obiect in miscare ramane in miscare cu aceeasi viteza si in aceeasi directie daca nu este actionat de o forta exterioara”.

„Pentru corpul uman, constanta este buna”, explica Bray.

„Este o accelerare de care trebuie sa ne facem griji”.

Pilotii sunt testati in astfel de centrifuge pentru a vedea cate G-uri pot suporta corpul lor (Credit: Science Photo Library)

Cu aproximativ un secol in urma, inventia aeronavelor robuste care ar putea manevra cu viteza a condus la pilotii care raportau simptome ciudate legate de viteza si schimbari directionale. Acestea includ pierderea temporara a vederii si senzatia de plumb sau lipsa de greutate. Cauza este fortele G, altfel numite forte gravitationale, sau chiar pur si simplu Gs. Acestea sunt unitati de forta accelerativa asupra unei mase, cum ar fi un corp uman. Un G este egal cu atractia gravitatiei Pamantului spre centrul planetei la 9,8 metri pe secunda patrat (la nivelul marii).

Fortele G experimentate vertical, de la cap pana la picioare sau invers, sunt cele care pot fi cu adevarat vesti proaste pentru piloti si pasageri. Strangerea de sange in capul celor supusi G negativ, de la picioare pana la cap, provocand o senzatie de inrautatire ca atunci cand facem o mana de mana. „Rosu” se instaleaza pe masura ce pleoapele inferioare translucide umflate cu sange se ridica pentru a acoperi pupilele. In schimb, atunci cand acceleratia este pozitiva, de la cap in jos pana la picioare, ochii si creierul devin foame de oxigen pe masura ce sangele se colecteaza in extremitatile inferioare. Apare initial viziunea estompata numita „gri”, urmata de pierderea totala a vederii sau „blackout”. Aceste G inalte pot progresa catre lesinuri, numite pierderea constientei induse de G (GLOC). Multe decese din aviatie rezulta din cauza pieri si prabusirii pilotilor.

O persoana obisnuita poate rezista la o forta sustinuta de aproximativ cinci G din cap pana in picioare inainte de a aluneca in inconstienta. Pilotii care poarta costume speciale high-G si antrenati sa-si flecteze muschii trunchiului pentru a impiedica sangele sa iasa din cap, isi pot opera aeronavele la aproximativ noua Gs. „Pentru perioade scurte, corpul uman poate dura mult mai mult de noua Gs”, spune Jeff Sventek, directorul executiv al Asociatiei Medicale Aerospatiale, cu sediul in Alexandria, Virginia. „Dar pentru a sustine acest lucru pentru o perioada lunga de timp, nu prea multi oameni o pot face.”

Daca doar pentru simple momente, noi, oamenii, putem tolera Gs mai puternici fara rani grave. Recordul pentru G de moment este detinut de Eli Beeding Jr, un capitan al Fortelor Aeriene Americane. El a calatorit cu o sanie cu racheta in spate in 1958 si a inregistrat o lovitura de 82,6G pe accelerometrul pieptului, in timp ce sania a accelerat la aproximativ 34 mph (55 km / h) intr-o zecime de secunda. Beeding s-a stins, dar a suferit putin mai mult decat vanatai la spate, intr-o demonstratie remarcabila a rezistentei corpului.

Afara in spatiu

Astronautii, in functie de vehiculul lor, au experimentat, de asemenea, G-uri destul de mari – intre trei si opt la decolari si, respectiv, reintrari atmosferice. Aceste forte G sunt in mare parte benigne G-uri fata-in-spate, datorita practicii inteligente de a lega spargatorii in scaune orientate spre directia lor de deplasare. Odata ajuns la o viteza de croaziera constanta de aproximativ 16.150 mph (26.000 km / h) pe orbita, astronautii nu isi simt viteza mai mult decat pasagerii de pe un avion comercial.

Nava spatiala Orion trebuie sa aiba ecranarea unui picior gros in anumite locuri din cauza pericolului de minimeteoride (Credit: NASA)

Daca fortele G nu sunt o problema pentru misiunile de durata mai lunga ale lui Orion, s-ar putea sa existe roci spatiale mici – „micrometeoroizi”. Acesti biti de marimea cerealelor pot atinge viteze impresionante de aproape 186.000 mph (300.000 km / h). Pentru a proteja nava si echipajul acesteia, Orion are un strat exterior de protectie care variaza in locuri cu grosimea de 18 pana la 30 cm, plus alte dispozitive de protectie si plasare inteligenta. „Deci nu pierdem un sistem critic de zbor, pentru intreaga nava spatiala trebuie sa ne uitam din ce unghi poate proveni un micrometeoroid”, spune Bray.  

Cu siguranta, micrometeoroizii nu sunt singurul obstacol in calea viitoarelor misiuni spatiale in care probabil ar intra in joc viteze mai mari de deplasare umane. Intr-o misiune pe Marte, vor trebui abordate si alte probleme practice, inclusiv aprovizionarea cu alimente a echipajului si riscurile crescute de cancer pe durata vietii, cauzate de expunerea la radiatii cosmice. Reducerea timpilor de calatorie, totusi, ar atenua aceste probleme, facand o abordare mai rapida de dorit. 

Calatorii spatiale, generatia urmatoare

Aceasta nevoie de viteza va pune noi obstacole. Noile nave NASA care ar putea ameninta recordul de viteza al lui Apollo 10 se vor baza in continuare pe sisteme de propulsie chimica cu rachete incercate si adevarate, utilizate inca din primele misiuni spatiale. Dar astfel de sisteme au limitari severe de viteza din cauza cantitatilor reduse de energie pe care le elibereaza pe unitate de combustibil.

Deci, pentru a atinge viteze de deplasare semnificativ mai mari pentru oamenii indreptati spre Marte si nu numai, oamenii de stiinta recunosc ca vor fi necesare noi abordari. „Sistemele pe care le avem astazi vor fi suficient de bune pentru a ne duce acolo”, spune Bray, „dar ati dori sa vedeti o revolutie in propulsie”.

Eric Davis, fizician principal de cercetare la Institutul pentru Studii Avansate din Austin si contribuitor la Programul de fizica propulsie al descoperirii Nasa, un proiect de cercetare de sase ani care s-a incheiat in 2002, prezinta trei dintre cele mai promitatoare mijloace – presupunand fizica conventionala – pentru ridicand omenirea la viteze de deplasare interplanetare rezonabile. Pe scurt, acestea sunt fenomenele de eliberare a energiei de fisiune, fuziune si anihilare a antimateriei.

Prima metoda este divizarea atomilor, asa cum se face in reactoarele nucleare comerciale. Cel de-al doilea, fuziunea, combina atomii in atomi mai grei – reactia care alimenteaza Soarele si o tehnologie care ramane tentant de la indemana; „Mereu la 50 de ani distanta”, asa cum se spune intr-un vechi motto al industriei.

„Aceste tehnologii sunt avansate”, spune Davis, „dar sunt fizica conventionala si au fost bine stabilite de la inceputul erei atomice”. In mod optimist, diferite sisteme de propulsie bazate pe conceptele de fisiune si fuziune ar putea accelera teoretic o nava pana la 10% din viteza luminii – o racire de 62.000.000 mph (100.000.000 km / h).

Zborul la Mach 5 nu este o problema – dar 60 de milioane pe ora prezinta diferite probleme (Credit: US Air Force)

Cel mai bun caz de departe si de departe pentru alimentarea navelor spatiale rapide este antimateria, doppelgangerul materiei obisnuite. Cand cele doua chestiuni intra in contact, ele se anuleaza reciproc ca energie pura. Exista astazi tehnologii pentru a genera si stoca (desigur minuscul) cantitati de antimaterie. Cu toate acestea, productia de antimaterie in cantitati utile ar avea nevoie de facilitati dedicate, de generatia urmatoare, iar provocarile ingineresti ar putea sa apara pentru nava spatiala intentionata. Dar Davis spune ca o multime de idei bune sunt pe tabla de desen.

Cu motoarele alimentate cu antimaterie, navele spatiale ar putea accelera in perioade de luni sau ani pana la procente foarte mari ale vitezei luminii, mentinand Gs la un nivel tolerabil pentru ocupanti. Cu toate acestea, aceste noi viteze fantastice ar introduce noi pericole pentru corpul uman.

O grindina energica

La cateva sute de milioane de kilometri pe ora, fiecare mot din spatiu, de la atomi de hidrogen gazos rataciti pana la micrometeoroizi, devine efectiv un glont de mare putere care ara in carena unei nave. „Cand mergi la viteze mari, este echivalent cu o particula care se misca la tine la viteze mari”, spune Arthur Edelstein. A lucrat cu regretatul sau tata, William Edelstein, profesor de radiologie la Scoala de Medicina a Universitatii Johns Hopkins, la o lucrare din 2012 care exploreaza efectele atomilor de hidrogen cosmici asupra zborurilor spatiale ultrarapide.

Desi este prezent doar la o densitate de aproximativ un atom intr-un centimetru cub, hidrogenul ambiental al cosmosului s-ar traduce printr-un bombardament de radiatii intense. Hidrogenul se va sparge in particule subatomice care ar trece in nava, iradand atat echipajul, cat si echipamentul. La viteze de aproximativ 95% din lumina, expunerea ar fi aproape instantaneu mortala. Nava stea s-ar incalzi, de asemenea, la temperaturi de topire pentru orice material conceput, in timp ce apa din corpurile echipajului ar fierbe prompt. „Acestea sunt toate probleme urate”, spune Edelstein.

El si tatal sau au estimat aproximativ ca, cu exceptia unui fel de ecranare magnetica conjecturala pentru a devia ploaia letala de hidrogen, navele stea nu ar putea merge mai repede decat aproximativ jumatate din viteza luminii fara a-si ucide ocupantii umani.

Marc Millis, un fizician de propulsie si fostul sef al Programului de Fizica al Propulsiei Breakthrough al NASA, avertizeaza ca aceasta potentiala limita de viteza a calatoriei umane ramane o ingrijorare indepartata. „Pe baza fizicii care s-a acumulat deja, viteze de peste 10% viteza luminii va fi foarte greu de atins”, spune Millis. „Nu suntem inca in pericol. Pentru a folosi o analogie, nu trebuie sa ne facem griji cu privire la inec daca nici macar nu putem ajunge pana la apa ”.

Mai rapid decat lumina?

Presupunand ca invatam sa inotam, ca sa spunem asa, am putea invata intr-o zi cum sa navigam in spatiu-timp, sa extindem analogia si sa calatorim cu viteze mai mari decat lumina (superluminale)?

Astronautii Apollo 10 sunt probabil cei mai rapizi oameni din istorie – dar pentru cat timp? (NASA)

Supravietuirea inerenta a taramului superluminal, desi este speculativa, nu este lipsita de cateva fotografii educate in intuneric. Un scenariu interesant, mai rapid decat lumina, functioneaza ca „warp drive” din Star Trek. Numit un drive Alcubierre, implica comprimarea spatiului-timp normal descris de fizica einsteiniana in fata unei nave stea, in timp ce o extinde in spate. In esenta, nava se afla intr-o bucata de spatiu-timp – o „bula de urzeala” – care se misca mai repede decat viteza luminii. Cu toate acestea, nava ramane in repaus in buzunarul sau de spatiu-timp normal, evitand orice incalcare a limitei universale de viteza a luminii. „In loc sa inoate prin apa” in spatiu-timp normal, spune Davis, unitatea Alcubierre „te va purta ca un surfer calarind pe creasta valului pe o placa de surf”.

Captura: conceptul necesita o forma exotica de materie care poseda o masa negativa pentru a contracta si a extinde spatiul-timp. „Fizica nu interzice masa negativa”, spune Davis, „dar nu exista exemple si nu am vazut-o niciodata in natura”. Cealalta captura: o lucrare din 2012 a cercetatorilor de la Universitatea din Sydney sugereaza ca bula de urzeala ar strange particule cosmice de mare energie, intrucat interactioneaza inevitabil cu continutul Universului. Unele particule s-ar scurge in bula insasi, aruncand nava cu radiatii.

Blocat la sub-lumina?

Suntem pentru totdeauna blocati la viteze sub-luminoase din cauza biologiei noastre fragile? Raspunsul conteaza nu doar pentru stabilirea unui nou record uman de viteza (galactic?), Ci si pentru perspectiva ca specia noastra sa devina vreodata o societate interstelara. La limita de viteza pe jumatate de lumina pe care cercetarea lui Edelstein o pune pe corpurile noastre, o calatorie catre cea mai apropiata stea este mai mult decat o calatorie dus-intors de 16 ani. (Efectele de dilatare a timpului, in care ar trece mai putin timp pentru echipajul navei stelelor dureroase cu cadrul de referinta decat pentru oamenii care se intorc acasa pe Pamant intr-un cadru de referinta diferit, nu ar fi un efect dramatic la viteza de jumatate a luminii.)

Millis intinde speranta. Vazand ca omenirea a inventat costume de inalta G si ecranare micrometeoroida pentru a permite calatoria in siguranta la viteze grozave in marele albastru de acolo si intunecimea spatiala impanzita de stele, el crede ca vom concepe modalitati de a supravietui oricaror frontiere de viteza cu care ne confruntam in continuare.

„Tipul de tehnologii care ar putea permite noi viteze de tranzit imprevizibile, daca viitoarea fizica va afla ca o astfel de tehnologie este posibila”, spune Millis, „ne-ar oferi si noi posibilitati neprevazute pentru protejarea echipajelor.”

Urmariti-ne pe  Facebook , Twitter , Google+ si LinkedIn .