Du hành giữa các vì sao có thật không?

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Tác giả của bài báo kể chi tiết về bốn công nghệ hứa hẹn mang đến cho con người cơ hội đến bất kỳ vị trí nào trong Vũ trụ trong suốt cuộc đời một con người. Để so sánh: sử dụng công nghệ hiện đại, con đường dẫn đến một hệ thống sao khác sẽ mất khoảng 100 nghìn năm.

Kể từ lần đầu tiên con người nhìn vào bầu trời đêm, chúng ta đã mơ ước được đến thăm các thế giới khác và nhìn thấy Vũ trụ. Và mặc dù tên lửa chạy bằng nhiên liệu hóa học của chúng ta đã đến được nhiều hành tinh, mặt trăng và các thiên thể khác trong hệ mặt trời, nhưng tàu vũ trụ xa Trái đất nhất, Voyager 1, chỉ bao phủ 22,3 tỷ km. Đây chỉ là 0,056% khoảng cách đến hệ sao gần nhất đã biết. Sử dụng công nghệ hiện đại, con đường dẫn đến một hệ thống sao khác sẽ mất khoảng 100 nghìn năm.

Tuy nhiên, không cần thiết phải hành động như chúng ta đã luôn làm. Hiệu quả của việc gửi các phương tiện có trọng tải lớn, ngay cả khi có con người trên tàu, qua những khoảng cách chưa từng có trong vũ trụ có thể được cải thiện rất nhiều nếu sử dụng đúng công nghệ. Cụ thể hơn, có bốn công nghệ đầy hứa hẹn có thể đưa chúng ta lên các vì sao trong thời gian ngắn hơn nhiều. Họ đây rồi.

một). Công nghệ hạt nhân. Cho đến nay trong lịch sử loài người, tất cả các tàu vũ trụ được phóng lên vũ trụ đều có một điểm chung: động cơ chạy bằng nhiên liệu hóa học. Đúng vậy, nhiên liệu tên lửa là một hỗn hợp đặc biệt của các hóa chất được thiết kế để cung cấp lực đẩy tối đa. Cụm từ "hóa chất" là quan trọng ở đây. Các phản ứng cung cấp năng lượng cho động cơ dựa trên sự phân bố lại các liên kết giữa các nguyên tử.

Điều này về cơ bản giới hạn hành động của chúng tôi! Phần lớn khối lượng của một nguyên tử rơi vào hạt nhân của nó - 99, 95%. Khi một phản ứng hóa học bắt đầu, các electron quay xung quanh các nguyên tử được phân bố lại và thường giải phóng dưới dạng năng lượng khoảng 0, 0001% tổng khối lượng của các nguyên tử tham gia phản ứng, theo phương trình nổi tiếng của Einstein: E = mc2. Điều này có nghĩa là với mỗi kg nhiên liệu được nạp vào tên lửa, trong quá trình phản ứng, bạn nhận được năng lượng tương đương với khoảng 1 miligam.

Tuy nhiên, nếu tên lửa chạy bằng nhiên liệu hạt nhân được sử dụng, tình hình sẽ khác đi đáng kể. Thay vì dựa vào những thay đổi trong cấu hình của các electron và cách các nguyên tử liên kết với nhau, bạn có thể giải phóng một lượng năng lượng tương đối lớn bằng cách tác động vào cách hạt nhân của các nguyên tử liên kết với nhau. Khi bạn phân hạch một nguyên tử uranium bằng cách bắn phá nó bằng neutron, nó sẽ phát ra năng lượng lớn hơn nhiều so với bất kỳ phản ứng hóa học nào. 1 kg uranium-235 có thể giải phóng một lượng năng lượng tương đương với khối lượng 911 miligam, hiệu quả hơn gần một nghìn lần so với nhiên liệu hóa học.

Chúng ta có thể làm cho động cơ hiệu quả hơn nữa nếu chúng ta làm chủ được phản ứng tổng hợp hạt nhân. Ví dụ, một hệ thống phản ứng tổng hợp nhiệt hạch được điều khiển quán tính, với sự trợ giúp của nó có thể tổng hợp hydro thành heli, một phản ứng dây chuyền như vậy xảy ra trên Mặt trời. Quá trình tổng hợp 1 kg nhiên liệu hydro thành heli sẽ chuyển đổi khối lượng 7,5 kg thành năng lượng tinh khiết, hiệu quả hơn gần 10 nghìn lần so với nhiên liệu hóa học.

Ý tưởng là để có được cùng một gia tốc cho một tên lửa trong một khoảng thời gian dài hơn: lâu hơn hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lần so với hiện tại, điều này sẽ cho phép chúng phát triển nhanh hơn hàng trăm hoặc hàng nghìn lần so với các tên lửa thông thường hiện nay. Một phương pháp như vậy sẽ giảm thời gian bay giữa các vì sao xuống hàng trăm, thậm chí hàng chục năm. Đây là một công nghệ đầy hứa hẹn mà chúng ta sẽ có thể sử dụng vào năm 2100, tùy thuộc vào tốc độ và hướng phát triển của khoa học.

2). Một chùm tia laser vũ trụ. Ý tưởng này là trọng tâm của dự án Breakthrough Starshot, đã trở nên nổi tiếng cách đây vài năm. Trong những năm qua, khái niệm vẫn không mất đi sức hấp dẫn của nó. Trong khi một tên lửa thông thường mang theo nhiên liệu và sử dụng nó để tăng tốc, ý tưởng chính của công nghệ này là một chùm tia laser mạnh sẽ cung cấp cho tàu vũ trụ xung lực cần thiết. Nói cách khác, nguồn gia tốc sẽ được tách ra khỏi chính con tàu.

Khái niệm này vừa thú vị vừa mang tính cách mạng về nhiều mặt. Công nghệ laser đang phát triển thành công và không chỉ trở nên mạnh mẽ hơn mà còn có tính chuẩn trực cao. Vì vậy, nếu chúng ta tạo ra một vật liệu giống như cánh buồm phản chiếu một tỷ lệ phần trăm ánh sáng laser đủ cao, chúng ta có thể sử dụng tia laser để làm cho tàu vũ trụ phát triển tốc độ khổng lồ. "Phi thuyền" nặng ~ 1 gram dự kiến sẽ đạt tốc độ ~ 20% tốc độ ánh sáng, cho phép nó bay đến ngôi sao gần nhất, Proxima Centauri, chỉ trong 22 năm.

Tất nhiên, để làm được điều này, chúng ta sẽ phải tạo ra một chùm tia laser khổng lồ (khoảng 100 km2), và điều này cần được thực hiện trong không gian, mặc dù đây là vấn đề về chi phí hơn là công nghệ hay khoa học. Tuy nhiên, có một số thách thức cần phải vượt qua để có thể thực hiện một dự án như vậy. Trong số đó:

• một cánh buồm không được hỗ trợ sẽ quay, cần phải có một số loại cơ chế ổn định (chưa được phát triển);
• không có khả năng phanh khi đến điểm đích, vì không có nhiên liệu trên tàu;
• Ngay cả khi nó mở rộng quy mô thiết bị để vận chuyển người, một người sẽ không thể sống sót với một gia tốc lớn - một sự khác biệt đáng kể về tốc độ trong một khoảng thời gian ngắn.

Có lẽ một ngày nào đó các công nghệ sẽ có thể đưa chúng ta lên các vì sao, nhưng vẫn chưa có phương pháp thành công để một người có thể đạt tới tốc độ bằng ~ 20% tốc độ ánh sáng.

3). Nhiên liệu phản vật chất. Nếu chúng ta vẫn muốn mang theo nhiên liệu bên mình, chúng ta có thể làm cho nó hiệu quả nhất có thể: nó sẽ dựa trên sự tiêu diệt các hạt và phản hạt. Không giống như nhiên liệu hóa học hoặc hạt nhân, nơi chỉ một phần khối lượng trên tàu được chuyển hóa thành năng lượng, quá trình hủy hạt-phản hạt sử dụng 100% khối lượng của cả hạt và phản hạt. Khả năng chuyển đổi tất cả nhiên liệu thành năng lượng xung là mức hiệu quả nhiên liệu cao nhất.

Khó khăn nảy sinh trong việc áp dụng phương pháp này vào thực tế theo ba hướng chính. Đặc biệt:

• tạo ra phản vật chất trung tính ổn định;
• khả năng cô lập nó khỏi vật chất thông thường và kiểm soát chính xác nó;
• tạo ra phản vật chất với số lượng đủ lớn cho chuyến bay giữa các vì sao.

May mắn thay, hai vấn đề đầu tiên đã được giải quyết.

Tại Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), nơi đặt Máy va chạm Hadron Lớn, có một khu phức hợp khổng lồ được gọi là "nhà máy phản vật chất". Ở đó, sáu nhóm nhà khoa học độc lập đang nghiên cứu các đặc tính của phản vật chất. Chúng lấy phản proton và làm chậm chúng, buộc positron phải liên kết với chúng. Đây là cách mà phản nguyên tử hoặc phản vật chất trung tính được tạo ra.

Họ cô lập các phản nguyên tử này trong một thùng chứa với các điện trường và từ trường khác nhau giữ chúng cố định, tránh xa các bức tường của thùng chứa làm bằng vật chất. Đến nay, giữa năm 2020, họ đã cô lập thành công và ổn định một số phản nguyên tử trong một giờ đồng hồ. Trong vài năm tới, các nhà khoa học sẽ có thể kiểm soát chuyển động của phản vật chất trong trường hấp dẫn.

Công nghệ này sẽ không có sẵn cho chúng ta trong tương lai gần, nhưng nó có thể hóa ra rằng cách nhanh nhất của chúng ta để du hành giữa các vì sao là một tên lửa phản vật chất.

4). Phi thuyền trên vật chất tối. Phương án này chắc chắn dựa trên giả định rằng bất kỳ hạt nào tạo ra vật chất tối đều hoạt động giống như boson và là phản hạt của chính nó. Về lý thuyết, vật chất tối, là phản hạt của chính nó, có một cơ hội nhỏ, nhưng không phải bằng không, để hủy diệt với bất kỳ hạt nào khác của vật chất tối va chạm với nó. Chúng ta có thể sử dụng năng lượng giải phóng do va chạm.

Có thể có bằng chứng cho điều này. Kết quả của các quan sát, người ta đã xác định được rằng Dải Ngân hà và các thiên hà khác có lượng bức xạ gamma dư thừa không thể giải thích được đến từ trung tâm của chúng, nơi tập trung năng lượng tối cao nhất. Luôn luôn có khả năng có một lời giải thích vật lý thiên văn đơn giản cho điều này, ví dụ, sao xung. Tuy nhiên, có thể vật chất tối này vẫn đang tự hủy với chính nó ở trung tâm thiên hà và do đó cho chúng ta một ý tưởng đáng kinh ngạc - một con tàu sao trên vật chất tối.

Ưu điểm của phương pháp này là vật chất tối tồn tại theo đúng nghĩa đen ở khắp mọi nơi trong thiên hà. Điều này có nghĩa là chúng tôi không phải mang theo nhiên liệu trong chuyến đi. Thay vào đó, lò phản ứng năng lượng tối chỉ có thể làm những việc sau:

• lấy bất kỳ vật chất tối nào ở gần đó;
• đẩy nhanh quá trình tiêu diệt của nó hoặc cho phép nó tiêu diệt một cách tự nhiên;
• chuyển hướng năng lượng nhận được để đạt được động lượng theo bất kỳ hướng nào mong muốn.

Con người có thể kiểm soát kích thước và sức mạnh của lò phản ứng để đạt được kết quả mong muốn.

Nếu không cần mang nhiên liệu lên máy bay, nhiều vấn đề về du hành vũ trụ bằng động cơ đẩy sẽ biến mất. Thay vào đó, chúng ta sẽ có thể đạt được ước mơ ấp ủ trong bất kỳ hành trình nào - khả năng tăng tốc liên tục không giới hạn. Điều này sẽ mang lại cho chúng ta khả năng không thể tưởng tượng được - khả năng đến bất kỳ nơi nào trong Vũ trụ trong suốt cuộc đời một con người.

Nếu chúng ta tự giới hạn mình trong các công nghệ tên lửa hiện có, thì chúng ta sẽ cần ít nhất hàng chục nghìn năm để đi từ Trái đất đến hệ sao gần nhất. Tuy nhiên, những tiến bộ quan trọng trong công nghệ động cơ đã gần kề và sẽ giảm thời gian di chuyển xuống một đời người. Nếu chúng ta có thể thành thạo việc sử dụng nhiên liệu hạt nhân, chùm tia laze vũ trụ, phản vật chất hoặc thậm chí là vật chất tối, chúng ta sẽ thực hiện ước mơ của chính mình và trở thành một nền văn minh không gian mà không cần sử dụng các công nghệ đột phá như ổ đĩa sợi dọc.

Có nhiều cách tiềm năng để biến những ý tưởng dựa trên khoa học thành công nghệ động cơ thế hệ tiếp theo khả thi trong thế giới thực. Rất có thể vào cuối thế kỷ này, con tàu vũ trụ vẫn chưa được phát minh sẽ thay thế New Horizons, Pioneer và Voyager là những vật thể nhân tạo xa Trái đất nhất. Khoa học đã sẵn sàng. Chúng tôi vẫn phải nhìn xa hơn công nghệ hiện tại của mình và biến giấc mơ này thành hiện thực.