Οταν ο Αμερικανός πρόεδρος John F. Kennedy, στα 1962, δήλωνε με αυτοπεποίθηση ότι «Το διάστημα είναι εδώ και θα το κατακτήσουμε», εγκαινιάζοντας το πρόγραμμα αποστολής του πρώτου ανθρώπου στην Σελήνη, ο ενθουσιασμός για τα διαστημικά ταξίδια βρισκόταν στο αποκορύφωμά του και όλοι είχαν αρχίσει να οραματίζονται τις πρώτες βάσεις, τα μεγάλα διαστημικά σκάφη και την πρώτη ανθρώπινη παρουσία στον Αρη. Ωστόσο, έχουν περάσει πάνω από 30 χρόνια και τα διαστημικά προγράμματα εξακολουθούν να παραμένουν… προσγειωμένα. Είναι γεγονός πως εκείνος ο ενθουσιασμός έχει ομολογουμένως ατονήσει.
Τα τελευταία χρόνια, παρόλο που έχουν γίνει σημαντικά βήματα τόσο στον τομέα της εξερεύνησης του ηλιακού συστήματος με νέες αποστολές σχεδόν σε όλους τους πλανήτες, με αποκορύφωμα την τελευταία αποστολή του Curiosity στον Αρη, όσο και στην κατασκευή νέων διαστημικών σταθμών και τηλεσκοπίων σε τροχιά, ο τομέας των επανδρωμένων αποστολών φαίνεται να βρίσκεται σε στασιμότητα. Και το ερώτημα που προκύπτει αβίαστα είναι «γιατί;». Ποιοί είναι οι λόγοι που ο άνθρωπος φαίνεται να είναι προσκολλημένος σε αυτόν τον μικρό γαλάζιο πλανήτη σε μια απόμακρη γωνιά του γαλαξία μας; Γιατί είναι τόσο δύσκολο να κατακτήσουμε στην αρχή το ηλιακό μας σύστημα και έπειτα τα άστρα;
Οι λόγοι για αυτή την καθυστέρηση της ανθρώπινης παρουσίας στο διάστημα θα μπορούσαν να αναζητηθούν σε μια σειρά από κοινωνικοπολιτικές συγκυρίες, όπως το τέλος του Ψυχρού Πολέμου και του ανταγωνισμού των τότε υπερδυνάμεων ή και στην στροφή της έρευνας σε άλλους τομείς, τα αποτελέσματά των οποίων θεωρούνται πιο άμεσα και πιο επικερδή. Από την άλλη, όμως, όπως θα δούμε στην συνέχεια, η δυσκολία των διαπλανητικών ταξιδιών εμφανίζεται να είναι εγγενής και να σχετίζεται περισσότερο με τους περιορισμούς που μας θέτει η ίδια η φύση και οι νόμοι της (τουλάχιστον προς το παρόν).
Κολλημένοι στους πυραύλους
Οι τεχνολογίες πραγματοποίησης διαστημικών ταξιδιών σήμερα βασίζονται στην απλή αρχή της διατήρησης της ορμής. Σύμφωνα με αυτήν, το κινούμενο όχημα εκτοξεύει αντίθετα από την κατεύθυνση που θέλει να κινηθεί κάποια μάζα (συνήθως αέρια που παράγονται μετά από καύση), με αποτέλεσμα το ίδιο να φεύγει προς τα εμπρός, με ταχύτητα ανάλογη εκείνης του μέσου που εκτοξεύει. Αυτός ο τρόπος προώθησης, παρόλο που έχει αποδειχθεί για μας πολύ αποτελεσματικός μέχρι σήμερα, παρουσιάζει μια σειρά από περιορισμούς.
Το πιο σημαντικό πρόβλημα είναι ότι η ταχύτητα και η μάζα των αερίων καύσης που εκτοξεύονται με την χρήση των συμβατικών προωθητικών δεν επιτρέπουν στο όχημα να αποκτήσει ταχύτητες συγκρίσιμες με εκείνες της ταχύτητας του φωτός, κάτι που είναι απαραίτητο αν θέλουμε να πραγματοποιήσουμε διαστρικά ταξίδια σε χρόνους λογικούς για τον άνθρωπο. Επίσης, αυτός είναι ένας τρόπος προώθησης εν πολλοίς οικονομικά ασύμφορος, καθώς οι ποσότητες των προωθητικών μέσων που θα απαιτούνταν για ένα ταξίδια μετ’ επιστροφής θα ήταν τεράστιες – αυτός είναι και ο λόγος που οι διαστημοσυσκευές που εκτοξεύουμε δεν προβλέπεται να επιστρέψουν πίσω, αλλά εγκαταλείπονται μετά την ολοκλήρωση της αποστολής τους.
Επειτα, καθώς προσπαθούμε να διατηρήσουμε χαμηλά το κόστος και το μέγεθος της αποστολής, σχεδιάζουμε διάφορους άλλους τρόπους που θα βοηθήσουν την προώθηση των σκαφών κατά το ταξίδι τους. Οπότε, τα διαστημόπλοια είναι υποχρεωμένα να ακολουθήσουν πολυετείς πλάγιες τροχιές, περνώντας κοντά από διάφορους πλανήτες, με σκοπό να αυξήσουν την ταχύτητά τους εκμεταλλευόμενα τις βαρυτικές έλξεις. Για παράδειγμα, ενώ η μέση απόσταση Γης-Αρη είναι περίπου 140 εκατομμύρια μίλια (με την μεγαλύτερη μεταξύ τους απόσταση να είναι 249 εκατομμύρια μίλια), το Curiosity χρειάστηκε να ταξιδέψει 354 εκατομμύρια μίλια, για διάστημα οχτώ μηνών, μέχρι τον Κόκκινο Πλανήτη.
Με βάση την σύγχρονη τεχνολογία, λοιπόν, η αποστολή διαστημοπλοίων σε άλλα ηλιακά συστήματα μακριά από το δικό μας προβλέπεται ότι θα χρειαστεί πολλούς αιώνες ακόμη. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν σταματούν να σχεδιάζουν νέα προωθητικά συστήματα, τα οποία μπορεί κάποτε να διευρύνουν την παρουσία του ανθρώπου πέρα από τα όρια του πλανήτη μας. Κάποια από αυτά τα σχέδια θα γνωρίσουμε και στην συνέχεια αυτού του άρθρου.
Ταξίδι με την φαντασία
Στους μαγευτικούς κόσμους των διαστρικών ταξιδιών πάντως, η διάνοιά μας έχει φροντίσει να ταξιδέψει από πολύ νωρίς, χρησιμοποιώντας ως σκάφος τις ιστορίες επιστημονικής φαντασίας. Πριν δούμε μερικούς σύγχρονους τρόπους με τους οποίους σκεφτόμαστε ότι θα επιτύχουμε στην πράξη ένα τέτοιο ταξίδι, ας δούμε μερικά χαρακτηριστικά και ενδεχομένως χρήσιμα παραδείγματα που εμφανίστηκαν σε αυτό το πεδίο – μάλιστα, πριν την μεγάλη έκρηξη του 20ο αιώνα.
Η πρώτη διήγηση που αναφέρεται σε ταξίδι έξω από την γήινη ατμόσφαιρα αποδίδεται στον σατιρικό συγγραφέα Λουκιανό. Στα 160 π.Χ. ο Λουκιανός περιγράφει στο έργο του «Αληθινή ιστορία» το πρώτο ταξίδι των ανθρώπων στην Σελήνη. Στην ευφάνταστη ιστορία του, ο Λουκιανός αναφέρεται σε μία περίπτωση που «δημιουργήθηκε τυφώνας που περιέστρεψε το πλοίο και το σήκωσε στον αέρα τριακόσια στάδια, χωρίς αυτό να ξαναπέσει στο πέλαγος, αλλά έμεινε εκεί μετέωρο». Μετά από ταξίδι εφτά ημερών, οι ναυτικοί θα φτάσουν στην Σελήνη και θα συναντήσουν τους αλογογύπες. Αυτοί θα τους μεταφέρουν στον βασιλιά τους και η διαστημική τους περιπέτεια μόλις ξεκινά.
Κατά τον 16ο και 17ο αιώνα, καθώς τα έργα του Κοπέρνικου και του Γαλιλαίου πυροδοτούν μια αστρονομική επανάσταση, το έργο του Λουκιανού επανεκδίδεται. Ο αστρονόμος Κέπλερ θα τυπώσει μια λατινική μετάφραση της «Αληθινής ιστορίας», ενώ θα γράψει και ο ίδιος ένα έργο με τον τίτλο «Somnium» (Ονειρο), όπου περιγράφει ένα ανάλογο ταξίδι στην Σελήνη. Λίγο αργότερα, ο Αγγλος επίσκοπος Francis Godwin εκδίδει το βιβλίο του «Man in Moon» (1638), το οποίο θα εξελιχθεί σε best seller της εποχής. Σε αυτό ένας Ισπανός τυχοδιώκτης ταξιδεύει αναπάντεχα στην Σελήνη με όχημα ένα σκάφος απίθανης ομορφιάς που το σέρνουν ένα σμήνος εκπαιδευμένων κύκνων.
Ο δρόμος έχει πλέον ανοίξει και η επιτυχία του βιβλίου του Godwin ώθησε έναν άλλο επίσκοπο, τον John Wilkins, να γράψει το «The Discover of the Word in the Moon» (1638), στο οποίο για πρώτη φορά γίνεται αναφορά στις πιθανές συνθήκες και δυνατότητες ζωής στην Σελήνη. Το αξιοσημείωτο του βιβλίου είναι ότι στην τρίτη έκδοση ο Wilkins πρόσθεσε ένα ακόμη κεφάλαιο όπου σημειώνει πως «στο μέλλον θα είναι δυνατή η κατασκευή ενός ιπτάμενου σκάφους με το οποίο οι κάτοικοι του πλανήτη μας θα επισκεφτούν τον κόσμο της Σελήνης».
Στα 1647, παρόλο που ο Johannes Hevelious αποδεικνύει την ανυπαρξία ατμόσφαιρας στην Σελήνη, ο Cyrano de Bergerac δεν φαίνεται να επηρεάζεται και στο βιβλίο του «Histoire Comique des Etats et Empires de la Lune et du Soleil» (1649) περιγράφει με χαρακτηριστική άνεση τους τρόπους προώθησης των αναγκαίων πυραύλων και τον αποικισμό της Σελήνης και του Ηλιου.
Στα επόμενα χρόνια αρχίζουν να κάνουν την εμφάνισή τους και οι πρώτοι εκπρόσωποι των άλλων κόσμων. Ο Βολτέρος στο έργο του «Les Micromegas» (1725) περιγράφει έναν τεράστιο γίγαντα από τον αστερισμό του Σείριου που επισκέπτεται την Γη έχοντας για συντροφιά του έναν κάτοικο του Κρόνου που συνάντησε στο ταξίδι του. Λίγο αργότερα, ο Guillaume de la Folie στο έργο του «Le Philosophe sans Pretention» (1775) προτείνει ως μέσο προώθησης των σκαφών που θα ταξιδέψουν στους πλανήτες τον ηλεκτρικό κινητήρα, χρεώνοντας μάλιστα αυτή την εφεύρεση όχι σε γήινους αλλά σε κατοίκους του Ερμή οι οποίοι «ναυαγούν» στον πλανήτη μας.
Ο 19ος αιώνας είναι η εποχή που χαρακτηρίζει την «προφητική λογοτεχνία» όσον αφορά τους τρόπους με τους οποίους θα ταξιδέψουμε στα άστρα. Ο Ιούλιος Βερν στο «De la Terre a la Lune» (1865) χρησιμοποιεί ένα είδος κανονιού, ο Achille Eyraud στο «Voyage dans Venus» (1879) αναφέρεται στην υδραυλική αντίδραση, ενώ περίπου την ίδια εποχή ο Camille Flammarion στο βιβλίο του «Les Mondes Imaginaires et les Mondes Reels» (1880) περιγράφει για πρώτη φορά την πραγματική κατάσταση των επιστημών της εποχής του και την διαφορά τους με τις ονειρικές και φανταστικές περιπέτειες στα λαϊκά διηγήματα.
Με το βλέμμα στο μέλλον
Οπως αναφέραμε παραπάνω, τα μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμενα συμβατικά συστήματα προώθησης, που βασίζονται στην αρχή διατήρησης της ορμής, χρησιμοποιούν υλικά προώθησης που απορρίπτονται από το σκάφος με ταχύτητες σημαντικά μικρότερες από αυτή του φωτός. Για να μπορέσουμε να πραγματοποιήσουμε το όνειρο των διαστρικών ταξιδιών, σε σχετικά σύντομους χρόνους, το όχημά μας θα πρέπει να κινείται με μία ταχύτητα κοντά σε αυτό το υπέρτατο όριο. Ετσι, γεννάται το ερώτημα του τί θα μπορούσαμε να εκτοξεύσουμε από ένα διαστημόπλοιο ως προωθητικό μέσο ώστε αυτό να ταξιδεύει τόσο γρήγορα όσο το φως – ή τουλάχιστον να αγγίζει κάποιο ικανοποιητικό ποσοστό αυτής της ταχύτητας.
Τί θα γινόταν αν εκτοξεύαμε προς τα πίσω φως ή μια ισχυρή ακτίνα laser; Πειραματικά έχει δοκιμαστεί αυτή η μέθοδος και θεωρητικά θα μπορούσε να αποδώσει, αλλά σε πραγματική κλίμακα, ο απαιτούμενος χρόνος και το μέγεθος του σκάφος καθιστούν αυτή την ιδέα ουτοπική. Νέες προσεγγίσεις που εξετάζονται περιλαμβάνουν την ιδέα μιας μηχανής ιόντος, η οποία έχει ήδη χρησιμοποιηθεί από την Nasa στο σκάφος Deep Space 1 για την προσέγγιση κομητών. Σε αυτό το σύστημα χρησιμοποιούνται ηλιακοί συσσωρευτές για την παραγωγή ηλεκτρικών πεδίων που επιταχύνουν ιόντα (ως προωθητικό χρησιμοποιείται το στοιχείο Ξένο). Ετσι, με δωρεάν ενέργεια και πολύ μικρό φορτίο, το σκάφος μπορεί να ταξιδεύει για εβδομάδες φτάνοντας σε υψηλές ταχύτητες. Σύμφωνα με την Νasa, οι μηχανές ιόντος θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν μακρινές εξερευνητικές αποστολές στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα, πολύ γρηγορότερα και φέρνοντας πολύ περισσότερα στοιχεία από τις απλές πτήσεις προσέγγισης πλανητών.
Ομως, για μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας και καλύτερες αποδόσεις, δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούνται απλώς ηλιακοί συσσωρευτές, ενώ και το είδος των φορτισμένων σωματιδίων που θα εκτοξεύονται μπορεί να ποικίλει. Ο πιο αποδοτικός συνδυασμός μικρού και ελαφρού προωθητικού μέσου και μεγάλης παραγόμενης ενέργειας εκτόξευσης, σύμφωνα με τις σημερινές δυνατότητες της τεχνολογίας, μπορεί να επιτευχθεί μέσω ενός θερμοπυρηνικού προωθητήρα. Τέτοιες προωθητικές συσκευές έχουν μελετηθεί ήδη στο Lewis Research Center της Nasa, όπου έχει αναπτυχθεί ένα σύστημα στο οποίο ένας πυρηνικός αντιδραστήρας θερμαίνει υγρό υδρογόνο μέχρι τους 2500 βαθμούς Κελσίου και έπειτα εκτοξεύει τον «ατμό» υδρογόνου που δημιουργείται. Εναλλακτικά, η πυρηνική ενέργεια θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να παράγει τα ηλεκτρικά πεδία που θα επιταχύνουν με την σειρά τους τα άτομα του υδρογόνου, με τον ίδιο τρόπο που συμβαίνει στους επιταχυντές σωματιδίων. Ετσι εκτιμάται ότι μπορούμε να πετύχουμε μέχρι και ταχύτητες 50 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, κατάλληλες για διαστρικά ταξίδια.
Ενας άλλος τρόπος, αν ήθελε κάποιος να πλησιάσει περισσότερο την ταχύτητα του φωτός, θα ήταν η πυρηνική σύντηξη. Πρόκειται για τη διαδικασία κατά την οποία πυρήνες υδρογόνου ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου, απελευθερώνοντας πολύ μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Εχει υπολογιστεί ότι ένα σκάφος χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική προώθησης θα μπορούσε να φτάσει μέχρι και σε ταχύτητες 20% εκείνης του φωτός – αρκεί όμως να μετέφερε φορτίο ίσο με το εκατονταπλάσιο του βάρους του
Εδώ εντοπίζονται δύο βασικά προβλήματα. Καταρχήν η σταθερότητα και η ασφάλεια του χρησιμοποιούμενου πυρηνικού αντιδραστήρα και έπειτα το απαιτούμενο φορτίο καυσίμων που θα πρέπει να μεταφέρει μαζί του το σκάφος. Χρησιμοποιώντας κινητήρα σύντηξης ένα διαστημόπλοιο θα μπορούσε να μεταβεί στο Αλφα του Κενταύρου και να επιστρέψει πίσω σε μόλις 40 χρόνια, αλλά θα έπρεπε να εφοδιαστεί αρχικά με καύσιμα 100.000 φορές βαρύτερα από την δική του μάζα! Ωστόσο, γι’ αυτό προτείνεται ως καλύτερη λύση η χρήση ατόμων υδρογόνου, καθώς αποτελούν το περισσότερο σε αφθονία υλικό του σύμπαντος και το σκάφος θα μπορούσε να συλλέγει υδρογόνο κατά το ταξίδι του στο διάστημα.
Για τα μεγάλα διαστρικά ταξίδια του μέλλοντος, η χρήση ενός αντιδραστήρα σύζευξης ύλης-αντιύλης εξετάζεται επίσης ως πιθανή. Η αντιύλη αποτελείται από σωματίδια που έχουν ακριβώς τις ίδιες ιδιότητες με τα κανονικά σωματίδια και διαφέρουν μόνο στο ηλεκτρικό φορτίο (που είναι αντίθετο) και σε άλλα δευτερεύοντα χαρακτηριστικά. Οταν ένα αντισωμάτιο έρθει σε επαφή με το αντίστοιχο σωμάτιο παράγεται τόση ενέργεια ώστε τα προϊόντα της αντίδρασης αυτής εκτοξεύονται με ταχύτητα σχεδόν ίση με αυτή του φωτός. Ετσι, το αποτέλεσμα της συγχώνευσης δύο σωματιδίων ύλης και αντιύλης αντιστοιχεί στην απευθείας εκτόξευση κάθε σωματιδίου χωριστά με ταχύτητα ίση με αυτή του φωτός. Και αυτό μοιάζει με το ζητούμενο της απόλυτης προωθητικής μηχανής.
Ομως, η χρήση ενός αντιδραστήρα ύλης-αντιύλης επίσης δεν είναι χωρίς προβλήματα. Καταρχήν, η αντιύλη είναι πολύ σπάνια στο σύμπαν. Παρόλο που μπορεί να κατασκευαστεί στο εργαστήριο, οι ποσότητες είναι μικρές και το κόστος μεγάλο. Ενα άλλο πρόβλημα είναι αυτό της αποθήκευσής της. Ακριβώς λόγω της φύσης της και του τρόπου παρασκευής της, η αντιύλη εμφανίζεται για μερικά κλάσματα δευτερολέπτου και μετά εξαφανίζεται. Επομένως, για να μπορούμε να μιλήσουμε για επιτυχημένη χρήση αυτού του τρόπου προώθησης θα πρέπει πρώτα να εξασφαλισθεί η εύκολη, φθηνή και σταθερή παραγωγή της απαιτούμενης ποσότητας αντιύλης, κάτι που δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα.
Τελικά, ακόμη πιο πέρα, όταν προσπαθούμε να φανταστούμε ποιό θα είναι το μέλλον των διαστημικών ταξιδιών και ποιά θα είναι η επαναστατική τεχνική που θα μας επιτρέψει να ταξιδέψουμε στα άστρα γρήγορα και φθηνά, θα πρέπει να εξετάσουμε όλους τους πιθανούς τρόπους ταξιδιού. Ακόμη και αυτούς που φαντάζουν ως οι πιο εξωτικοί, πλησιάζοντας περισσότερο προς την επιστημονική φαντασία παρά προς στην σημερινή επιστήμη, χωρίς όμως να έρχονται σε αντίθεση με τους νόμους της φύσης όπως τους κατανοούμε σήμερα. Οι σκουληκότρυπες και η καμπύλωση του χωροχρονικού συνεχούς, ώστε να ταξιδέψουμε μεταξύ δύο σημείων χωρίς να χρειάζεται να διανύσουμε την μεταξύ τους απόσταση, δεν αποκλείονται από την σύγχρονη φυσική και οι θεωρητικοί ήδη τα εξετάζουν, αλλά αποτελούν μάλλον πολύ μακρινούς στόχους, μιας άλλης τεχνολογίας.
πηγη
http://www.nasa.gov
http://www.scientificamerican.com
Sarah Angliss, «Διαστημικά Ταξίδια», εκδ. Σίρρις.
Τέλης Λιβανίδης, «Ταξίδια σε άλλους κόσμους», Μillenium-Διάστημα.
