Annons

Målet: Att färdas snabbare än ljuset

Idéerna om hur framtidens rymdskepp ska framdrivas spänner över allt från känd teknik till fantasifulla projekt som ännu inte lämnat ritbordet.

För att citera den ryske raketforskaren Konstantin Tsiolkovskij: "Jorden är mänsklighetens vagga, men människan kan inte leva i vaggan för alltid." Det var Tsiolkovskij (1857-1935) som med hjälp av Keplers och Newtons grundläggande rörelselagar utvecklade teorin om raketframdrivning redan år 1903. Ovetande om varandras teorier kom ett par decennier senare också amerikanen Robert H. Goddard och tysken Hermann Oberth att utveckla principerna för raketframdrivning.

Tung last att lyfta i dag

Drömmen om att resa ut i rymden är inte något modernt påfund. Den franske författaren Jules Verne hade avancerade funderingar om rymdfart, vilket framgår av hans bok Från jorden till månen som utkom redan 1865. Själva raketkonceptet är troligen mycket gammalt och kan sägas ha sitt ursprung i kinesernas uppfinning av krutet. Men man kan föreställa sig att idén har testats långt tidigare i historien.

Rymdfart kräver effektiv och kraftfull framdrivning av raketmotorer i någon form. De två viktigaste egenskaperna hos framdrivningen är hastighet och bränsleförbrukning. Dessa återspeglas i de två egenskaperna stötkraft och specifik impuls, vilka anger prestanda hos en raketmotor. Stötkraften är den kraft som bildas när drivmedlet slungas ut genom raketens munstycke och därmed driver farkosten framåt enligt Newtons tredje lag om verkan och motverkan. Specifik impuls mäts i sekunder och återger motorns förmåga att alstra rörelseenergi, med andra ord motorns bränsleförbrukning (motsvarande liter bensin per mil för en bil).

När man utformar system för framdrivning ska man helst åstadkomma både hög stötkraft och hög specifik impuls. Bränsleförbrukningen bör minimeras för att inte öka rymdfarkostens massa i onödan.

Dagens konventionella raketer, till exempel den internationella rymdfärjans raketmotor, använder sig i huvudsak av kemiska framdrivningssystem. I dessa reagerar kemiska bränslen och bildar heta gaser som accelereras och skjuts ut med hög hastighet genom ett munstycke. Med denna typ av framdrivning åstadkommer man hög stötkraft och därmed rejäl acceleration, dock på bekostnad av hög bränsleanvändning och med låg specifik impuls.

För långsamt med bara elektricitet

Ett alternativ som redan har testats i rymden är elektrisk framdrivning. Det innebär att drivmedelsgaserna accelereras på elektrisk och magnetisk väg. Till skillnad från traditionell framdrivning, som begränsas av den lagrade kemiska energin i själva drivmedlet, kan en elektrisk raketmotor uppnå en mycket högre specifik impuls. Med rymdfärjans kemiska raketmotorer uppnår man som högst en specifik impuls på 450 sekunder. Det är mycket lågt i jämförelse med de 17 000 sekunder som har uppnåtts med elektriska raketmotorer i laboratorium.

Med en så hög specifik impuls kan ett rymdskepp med elektrisk framdrivning tillryggalägga stora avstånd med rimlig bränsleförbrukning. Men den elektriska framdrivningen ger bara svag stötkraft, eftersom massan som skjuts ut är relativt liten. Accelerationen blir alltså för låg, och därför kan denna teknik inte användas för att skjuta upp en farkost från jorden till rymden.

Ytterligare en skillnad gentemot kemisk framdrivning är att den elektriska kräver en yttre energikälla som alstrar den nödvändiga elektriciteten. Hittills har man använt solceller för att driva raketmotorer som bygger på elektricitet. Men solstrålarna räcker inte till för expeditioner långt ut i planetsystemet, och då krävs en alternativ energikälla.

Den amerikanska rymdstyrelsen Nasa driver därför projektet Prometheus som syftar till att utveckla kärnreaktorer för rymdfärder. Dessa ska producera elektriciteten både för elektriska raketmotorer och för drift av utrustningen ombord.

Elektrisk framdrivning utvecklades och började användas redan på 1960-talet. Metoden har utnyttjats flitigt av både USA och det forna Sovjetunionen för att alstra energi på satelliter och rymdsonder. Men för huvudsaklig framdrivning har metoden hittills begränsats till experimentella farkoster som amerikanska Deep Space 1, som besökte kometen Borrelly år 2001, och europeiska SMART-1, en svenskbyggd minisond som tog drygt ett år på sig för att navigera till månen. Av politiska skäl har kärnkraftsdrivna energikällor ännu inte slagit igenom som primär framdrivning.

Kärnkraft en möjlighet ändå

Kärnreaktorer kan också alstra värmeenergi för att hetta upp ett drivmedel, exempelvis vätgas. Då drivs raketen framåt enligt samma princip som för kemisk framdrivning, dock utan kemisk reaktion.

Vilken roll kommer elektrisk framdrivning att spela i framtidens rymdfart?

- Jag tror inte att vi kommer att driva bemannade rymdfärder med elektricitet förrän om 30-40 år, säger Thomas Markusic. Han är raketforskare som efter att ha arbetat på Nasas Advanced Space Propulsion Program nu är chef för tekniska tester på det privata rymdföretaget SpaceX i Texas.

- Först kommer nog människan att ta sig till Mars, troligen med hjälp av en blandning av kärnkraft och värmeenergi, eftersom det är den mest tillförlitliga metoden.

Kärnkraft ska också kunna användas direkt för framdrivning. Men då tänker man sig att utnyttja fusion, reaktionen där två lättare atomkärnor slås samman till en tyngre samtidigt som en stor mängd energi frigörs, enligt Albert Einsteins berömda ekvation E=mc2. Den specifika impuls som kan uppnås överstiger 100 000 sekunder och ger dessutom relativt hög stötkraft.

Denna typ av framdrivning skulle kunna erbjuda ett realistiskt alternativ för människan att utforska solsystemet. Haken är att få själva fusionsreaktionen att ske under rimliga förhållanden. Det krävs nämligen enorma mängder energi för att få två positivt laddade atomkärnor - som egentligen stöter bort varandra - att smälta samman. Hittills har man inte lyckats åstadkomma fusion med nettoöverskott av energi, utan det har tvärt om gått åt mer energi än det skapas vid reaktionen. Dock är detta fysikaliskt möjligt: solen, en naturlig fusionsreaktor, är det bästa beviset på det.

Med antimateria mot stjärnorna

Ett populärt drivmedel för rymdfart i science fiction-filmer och -böcker är antimateria. Antimateria är motsatsen till materia - en negativt laddad elektron i materia motsvaras av en positivt laddad positron i antimateria.

Trots att antimateria är långt ifrån att tillämpas i rymdfarten, produceras den redan i dag i partikellaboratorier som europeiska Cern i Genève och amerikanska Fermilaboratoriet utanför Chicago. Dock är produktionen begränsad till ett ynka tiotal nanogram (miljarddels gram) per år. För att antimateria ska vinna insteg på allvar inom rymdfart krävs alltså effektivare och billigare metoder för framställning av lämpliga mängder.

En raketmotor med antimateria som bränsle bygger på Newtons grundläggande lagar, precis som konventionella raketer. Skillnaden är den specifika impuls som kan åstadkommas - upp till 1 miljon sekunder jämfört med dagens 450 hos rymdfärjans raketmotorer.

Förklaringen till denna enorma skillnad ligger i den förintelsereaktion som sker när materia och antimateria kommer i kontakt med varandra. Denna reaktion frigör den största mängd energi per massenhet som vi känner till. Samtidigt som man kan uppnå höga hastigheter finns också fördelen att rymdfarkosten får en avsevärt lägre massa och blir därmed lättare att driva fram. Jämfört med flera ton kemiskt bränsle som krävs i dag skulle det räcka med några milligram antimateria för samma rymdexpedition.

Denna typ av framdrivning ställer höga krav på utformningen av bränsletankarna som ska lagra antimaterien så att den inte förintas i kontakt med vanlig materia. Därför fokuseras forskningen på att utveckla lämpliga förvaringssystem. En sådan antiprotonfälla testas för närvarande av Nasa. Den bygger på elektromagnetisk inneslutning och ska kunna förvara en biljon (1012) partiklar i upp till 18 dagar.

Tomrummets energi

Ett annat designkoncept som nu studeras är den så kallade Mars Reference Mission. I den utnyttjas energin från förintelsereaktionen mellan positroner och elektroner till att hetta upp drivmedlet. Precis som med kärnkraften ombord leder detta till något som liknar kemisk framdrivning.

I tv-serier som Star Trek kan man resa kors och tvärs i universum under behagliga förhållanden. Att besöka avlägsna galaxer inom en människas livstid ställer givetvis stora, om inte omöjliga, krav på framdrivningssystemet. För det första måste det ha förmågan att uppnå hastigheter som överskrider ljusets, för det andra måste det drivas utan bränsle. Trots att denna typ av rymdfart ännu bara existerar i fantasin pågår både teoretisk och experimentell forskning inom det område som Nasa kallar Breakthrough Propulsion Physics.

Ett intressant fenomen som studeras är nollpunktsenergi. Det är den lägsta möjliga energi som finns i ett kvantmekaniskt system, så kallat kvantvakuum, och motsvarar den energi som är kvar efter det att man har tagit bort all energi i form av värme, strålning och materia från ett visst utrymme.

Det främsta beviset för att sådan energi faktiskt existerar är den så kallade Casimireffekten. Den utgörs av en attraherande kraft mellan två elektriskt neutrala metallplattor när de placeras i vakuum tillräckligt nära varandra. Denna svaga kraft, som uppstår till följd av nollpunktsenergins inverkan på det elektromagnetiska fältet, har blivit föremål för spekulationer om den teoretiska möjligheten att färdas snabbare än ljuset.

Idén "fri energi ur vakuum" har även lett till en uppsjö av pseudovetenskapliga teorier och ogrundade påståenden om evighetsmaskiner och lösningar på världens energiproblem. Än så länge är dock framdrivning med nollpunktsenergi bara en spekulativ tanke.

AI nödvändigt för långa färder

- Men för att kunna utforska nya möjligheter får vi inte begränsa oss till vad vi redan vet och kan. Vi måste helt enkelt utvidga vår föreställningsförmåga, säger Michael George, professor vid University of Alabama, Huntsville i USA. Han gör försök att mäta repulsiva Casimirkrafter och deltar i Nasas program för utveckling av framtida drivmedel.

- Alltså bör vi ställa oss den paradoxala frågan: Hur ska vi uppnå hastigheter som överskrider ljusets?

De senaste åren har han också varit involverad i att framställa sensorer med hög känslighet för tillämpningar i rymden.

- Målet är att använda sensorer för att vidareutveckla artificiell intelligens (AI), vilket också kommer att spela en betydande roll i framtidens rymdfarkoster.

Trots att nya idéer och tekniker äntrar scenen betyder inte det att kemisk framdrivning kommer att förpassas till kulisserna.

- Men utvecklingen av mer effektiva kemiska framdrivningssystem begränsas av de nuvarande mätinstrumenten för raketer, anser Valentin Korman, forskare på Nasa som utvecklar sensorer för att mäta massflödet av kemiskt drivmedel. Kemisk framdrivning har påtagliga fördelar - den medför relativt små risker och det är en metod som redan är etablerad.

- Vi har helt enkelt stor kunskap om kemiska raketmotorer, säger Valentin Korman, som också påminner om att nya metoder för mätning av olika fenomen i historien ofta har gått hand i hand med omvälvande uppfinningar.

Rymden öppnas för alla

Några andra faktorer som kan ändra kartan för framtidens rymdfart är politik, privatisering av rymdindustrin och rymdturism. Precis som det kalla kriget sporrade människan att sätta sin fot på månen, kommer den globala konkurrensen från nykomlingar som Kina och Indien att sätta sin prägel på framtidens rymdfart.

Tillgången till rymden har hittills varit begränsad till nationella rymd- och militärorganisationer. Men nu öppnas marknaden för privata företag som det amerikanska SpaceX i Texas, vars mål är att skapa världens första kommersiella bemannade rymdprogram. Så rymdturism tillhör inte framtidens rymdfart - den är redan verklighet. Jakten på den ultimata upplevelsen att se jorden genom fönstret lagom till morgonkaffet utgör en stark drivkraft för utvecklingen av effektivare och billigare framdrivningstekniker. En ny rymdkapplöpning har sett dagens ljus.

Precis som vi i dag har flygplatser med internationella resmål kanske varje land i framtiden kommer att ha sin egen rymdflygplats med rymdfärjor som tar passagerarna till interplanetära destinationer. Frågan är bara vart vi ska åka.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

13

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Kommentarer

Jag undrar hur man kan spekulera i att färdas fortare än ljuset då detta enligt relativitetsteorin är omöjlig?Någon förklaring i texten om hur man skulle kunna kringgå denna teori finner inte jag.

Man kan färdas snabbare än ljusets hastighet utan att bryta mot fysikens lagar genom att böja rymden på samma sätt som gravitationen från himlakroppar gör.

Håller med författaren till "Gäller inte relativitetsteorin" man kan ju lägga till att någon drivning med antimateria förefaller ganska avlägset med tanke på att antimateria just nu endast uppträder i super acceleratorer i form av enstaka elementar partiklar. Sannolikheten för att människan försvinnner ur univerum som ras innan vi har någonsomhelst förutsättning till rymdfärder till andra solsystem är enligt min mening oändligt mycket större.Artikeln förefaller mig mycket oseriös.

Det finns nu en återkoppling publicerad, med anledning av överljushastigheten som nämns i rubriken: I strid med relativitetsteorin.//Webbredaktören

Relativitetsteorin säger väl att man bara kan färdas under ljushastigheten _i rummet_. Det jag tror att de syftade på i artikeln var teorier om att påverka _rummet i sig_ att färdas snabbare, och på så vis inte skapa paradoxer som uppkommer vid acceleration i det ("Warp drive"). Detta bryter _inte_ mot relativitetsteorin. Läs mer på nätet.

Varför ska vi färdas fortare än ljuset?
- Hatten blåser ju av

Woody Allen

ja, men solsegel som drivs på solvindar har jag hört kan uppå en hastighet på 60 000 - 200 000 km/s om man lyckas få upp sådana enorma segel i rymden. eller en partikel kallad tachyon eller hur det nu stavas.. färdas snabbare än ljuset. jag tror att inom 50-100 år kommer vi att klara över ljus fart.

mvh Anton

Angående att inget går fortare än ljuset.

Hur snabbt kan man accelerera particklar i partickelacceleratorer? Går det att komma över halva ljushastigheten?

Hobie: I det största acceleratorerna kan man få upp partiklar i väldigt nära ljushastigheten, kanske 99,9%

Vill minnas att ett par tyska forskare vid Koblenz Universitet vid tester av mikrovågor har fått fotoner att färdas snabbare än ljuset.

I kärnkraftverk bildas Cerenkov strålning, den bildas när något rör sig fortare än ljuset, men i detta fall i vatten (tror jag). Det går inte i mot Einstein relativitetsteori då den är beräknad i vacuum.
ljuset fart
Om jag kommer på ett sätt att åka med ljuset fart.
så åker jag till en planet 10 ljusår bort, vi säger att tiden saktar ner med tio procent.
jag förflyttar mig tio ljus år men efter som tiden ändrar sig för mig i farten så har jag bara rest nio år fast utifrån blir det tio år, ljuset och jag kommer ditt samtidigt men jag har bara rest i nio år

att vi kommer resa med ljusets fart är omöjlig i den dimission vi befinner oss i nu.
Men teoretiskt skulle vi kunna få bränsle till att förflytta oss mycket långt ut i rymden på kort tid, finns flera olika alternativ. om än inte värkliga
Om nu tiden går fortare för mig när jag kommer upp i ljusets fart, så borde det gå att få tiden att sakta ner. Jag blir naturligt vis äldre då på kortare tid, det vill jag inte. Men i dator världen skulle det Kunnas utnyttjas,för att få ett arbete som skulle ta 10 månade för en dator att göra med den tid vi har här, det skulle då bli klart efter nio månader, om tids skillnad nu skulle vara 10%. Med andra ord skulle datorn haft mer tid på sig att lösa uppgiften.

Jag skulle bli mycket förvånad om någon kommer att hitta en början på universum start. Vist finns det regler och system, ja nästan så man blir förvånad, allt värkar passa tillsammans in i minsta detalj. Från minsta byggsten till hur skogar växer, hur rymd och tid fungerar. Allt fungerar exakt enligt ett regelverk.
För mig är det bara något som är intelligent som kan skapa detta. Vist en gud. Men det tror jag inte på, inte den bilden vi har av gud. Men om jag tittar på hur jag förstår saker och hur saker fungerar, inte bara fungerar genast utan hittar sin väg till slut annars försvinner det om det inte passar in i förutsättningarna som redan finns.

Jag tror att på något vis har vår världs dimission startat med mycket begränsade förutsättningar med kanske bara ett eller några enstaka partiklar. Gaser eller vad det nu kan vara kanske utan något
Jag tror att det på något vis har startat med att något har hänt som givet en aktion och denna aktion har på något vis börjat tänka och till slut börjat tänka ut saker och skapa saker under en oändligt lång tid,
Jag vet att man kan skapa en interaktiv värld i datorn, Man behöver i stort bara 1-0
Inte så avancerat, men det byggs hela tiden ut och blir mer avancerat.
Big bang kan fortfarande vara början till något som på sikt blivet ganska intelligent och lyckats bygga upp ett universum, men Big bang kan vara skapat av något för att ta fram byggstenar
Jag är nästan helt säker på att rymden har byggt upp allt ifrån någon händelse där det i stort sätt inte fanns något, skapat regler och grund lagar inom konstruktionen universum, det är alla regler som passar ihop som inte kan vara en tillfällighet.
Att skapa ett system är svårt men mycket lättare om man först byggt ett från grunden, att förmedla kunskap är svårt men samtidigt är det mycket lätt med bara två olika saker i datorns värd 1-0.
Aningen är vi en interaktive värld eller så är vi skapade från en som är upp byggd långt innan big-bang teorin. Eller vilken av de tre teorierna det nu kan vara man utgår ifrån. Så måste det finnas en interaktive värld, kanske en utan materia och någon form av grunda förutsättningar för materia tid eller rum, utan denna interaktiva värld har skapats och blivet intelligent nog för att skapa förutsättningarna för att skapa en materiel värld
Skall vi färdas i ljusets hastig het så måste vi hitta in i grunden för universum innan universum skapades och kanske ändra på regler eller skapa nya

Det är absolut inte människan som skapat alla dessa regler som finns i universum.
Det som har skapat universum behöver till än början inte vara något väldig intelligent, men det måste ha växt och blivet intelligentare.
Vi människor anser oss vara intelligenta, och vi har skapat ett dator språk som på några 30 år har givet oss kunskap som är ganska stor, detta med bara 1 och 0, nu är det ju inte riktigt så enkelt utan man måste ju först bygga ett system som klara av att hantera nollor och ettor.

Att bygga ett universum med liv är inte omöjligt men Vi är kommer att lösa det i det systemet vi har byggt.
Men med hjälp av våra egen intelligens är vi faktiskt på väg att bygga ett liknade system även om det är en interaktiv datorvärld.
Jag är nästan säker på att människan snart kommer att kunna bygga en interaktiv värld som är uppbyggt med de lagar som finns här och nya regler, det kommer att vara en helt ny dimission.
I dators värld kommer den att kunna vara oberoende av oss, när vi kan bygga dessa nya dimissioner så kommer datorerna gå i vilket fall närmare 100g så fort som i dag.
Det kommer att vara begränsningar i systemet. Men att komma ut ur datorn blir svårt med den kunskapen vi har i dag. Det samma kan gälla universum, vi kan lär oss allt om det men att på värka reglerna kommer att bli svårt men det kommer att lyckas, men bara inom systemet och det nätverk som finns runt om systemet, men det kan gå mycket fortare tillsammans med den datorvärld vi har skapat. Två liknade men olika system som arbetar tillsammans och kan kommunicera med varandra ger helt nya förutsättningar.
Vi söker hela tiden efter något tecken på liv, det vi hittar kan vara en helt ny dimission av liv upp byggt på liknade sätt men helt avskilt från det universum vi känner till, upp byggt parallellt med vårt universum kan det vara flera hundra tusen universum, ja kanske oändligt många. Ja det kan till vis del vara samman kopplat till vårat universum,
Finns ju många program i en dator som inte skall arbeta tillsammans eller har med varandra att göra även om det inte behövs så väldig mycket för att få dem att kunna arbeta tillsammans.
I ett program finns det mycket som faktiskt går att förändra, vi har redan börjat med att manipulera det som är uppbyggt för mycket länge sedan och anpassat om det så vi vill att det skall vara, det kommer fortsätta hur mer kunskap vi får.
om man förstår datorns språk som så, då kan man ändra tiden där med, inte över våra begräsningar i vårt universum kanske eller, anta att vi bygger ett universum i den datorvärld vi har. där kan vi bygga ett system som utav sig själv förstår och utvecklas och om vi sätter farten till 1000gånger våran egen tid så skulle inte de program som finns i dän världen märka det, finns än del spel som är upp byggda så att man kan låta tiden gå mycket fortare för annars blir det tråkigt.
Men finns evolutionen inbyggt i det programmet kommer nya värdar att uppstå fort.
Farten är bara begränsad till det system vårt system är uppbyggt på,
Men på något sätt värkar ljuset betydelse fult, det känns som om vi pratar om detta hela tiden i en term av att transportera information, eller vi tror att det kommer att vara det bästa sättet att transportera information, för mig på minner universum mig om hur hjärnan är uppbyggd och ger en vision av hur datorn kommer att se ut i framtiden. Fast vi inte förstått det kan det faktiskt vara så att universum är levande i sig själv och kommunicerar med sig själv genom ljuset, tyngd kraft dragning kraft tids skillnader.
Det kan vara så att vi är något speciellt. Vi kanske inte är ett dator program även om det jag skriver innan kan antyda det, men i vilket fall som helst kan det finnas oändlig många sådan i universum.
Och även om allt jag nu skriver är fantasier så finns det en sak som är intressant med ljuset.
Om vi är byggda av ett intelligent system så skulle ljuset vara en av de viktigaste saker i systemet. Självklart skulle man använda sig av det som går fortast och fungerar bäst att transportera information med, så då är troligen ljuset det bästa som finns men det kan fortfarande vara saker som går fortare men inte ger den funktionen som ljus kan ge

Lägg till kommentar