Fragen Sie Ethan: Kann die Atmosphäre ein Raumschiff verlangsamen?

Letztes Jahr haben sich Yuri Milner und Stephen Hawking zusammengetan, um das Breakthrough Starshot- Projekt zu erstellen. Ihr Plan ist es, eine große Anzahl von Lasern zu verwenden, die ein sehr leichtes Lasersegel beschleunigen. Ein Segel mit einem daran befestigten „Schiff auf einem Chip“ beschleunigt auf eine Geschwindigkeit von mehr als 20% der Lichtgeschwindigkeit und fährt zu einem der nächsten Sterne. Bei einer solchen Geschwindigkeit muss er sein Ziel in einem menschlichen Leben erreichen - eine erstaunliche Leistung! Und obwohl dieses Projekt unglaublich viele wirtschaftliche und technische Hindernisse aufweist, stellt Alex Stockton in der Hoffnung auf Erfolg eine Frage zur Ankunft des Schiffes:

Mein Vater und ich diskutierten die Fähigkeiten des von Milner und Hawking angebotenen Raumfahrzeugs. Der Vater glaubt, dass er die Atmosphäre des Planeten verlangsamen kann, wenn er sein Ziel erreicht. Ich glaube, dass es nicht möglich sein wird, signifikant zu verlangsamen, und all dies wird mit einer mächtigen Explosion enden. Wer hat recht?

In der Tat kann das Ziel, ein Raumschiff ein paar Lichtjahre entfernt zum nächsten Planetensystem zu schicken, nicht einfach eine Übertragung von Weltraummüll durch die Galaxie sein.



Wir möchten zu einem System voller anderer Welten gelangen, das sie studieren, Daten erhalten und an die Menschen zurückgeben kann, die noch auf der Erde leben werden. Dank unseres Programms zur Untersuchung von Exoplaneten haben wir bereits unglaublich viele Informationen über außerirdische Sonnensysteme erhalten, aber - wie die Missionen New Horizons, Dawn und Cassini in unserem Sonnensystem gezeigt haben - kann eine genaue Untersuchung der Welten nicht ersetzt werden.



Wenn wir dorthin gelangen können, wird es bereits eine Leistung sein. Wenn wir gut genug zielen und mit geeigneter Genauigkeit und mit den richtigen Werten beschleunigen können, beträgt unsere Geschwindigkeit ungefähr 60.000 km / s relativ zu jedem Planeten oder Sonnensystem, auf dem wir ankommen. Denken Sie darüber nach: 60.000 km / s, 216 Millionen km / h. Wenn eine solche Geschwindigkeit alles überschreitet, was Sie sich vorstellen können, so wie es ist. Es übersteigt die Geschwindigkeit eines uns bekannten makroskopischen Objekts, und dies ist hunderte Male höher als die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um der Anziehungskraft unserer Galaxie zu entkommen. Wenn Sie auf dem Weg in ein kleines Gebiet mit verstreutem Neutralgas fliegen, ist die Heizung unglaublich. Tatsächlich können bei tausendfach langsameren Geschwindigkeiten nur die fortschrittlichsten Hitzeschilde den Eingang in unsere Atmosphäre übertragen.


Astronaut Bob Cripen mit einer Gemini-B-Kapsel und ihrem ramponierten, aber ganzen Hitzeschild

Aber wenn Sie sich tausendmal schneller bewegen, wird die Situation millionenfach schlimmer. Wenn Sie das Fenster im Auto unterwegs geöffnet haben, werden Sie möglicherweise etwas Interessantes bemerken: Wenn Sie doppelt so schnell fahren, ist die Widerstandskraft viermal höher. Die Energie, Reibung und Erwärmung eines Raumfahrzeugs unterliegen demselben Problem. Wenn Sie sich mit doppelter Geschwindigkeit bewegen, wärmen Sie sich viermal schneller auf, und wenn Sie zehnmal sind, dann hundertmal. Um zu verstehen, was Starshot in der Atmosphäre erleben kann, stellen Sie sich die nächste Analogie vor: einen Meteor.



Die meisten Meteore, die während eines Meteoritenschauers auf die Erde krachen, sind in der Masse mit unserem Gerät vergleichbar - von 0,1 bis 10 Gramm. Die Menge an kinetischer Energie eines Meteors ist proportional zu seiner Masse und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit relativ zur Atmosphäre. Diese Meteore fliegen schnell: von 20 bis 110 km / s und brennen normalerweise in Sekundenbruchteilen in der Atmosphäre aus. Während eines schweren und wunderschönen Meteoritenschauers können Sie über Nacht Dutzende oder sogar Hunderte von Ausbrüchen am Himmel sehen.



Jetzt kommen wir zum Raumschiff: Seine Masse ist vergleichbar mit einem Meteor, aber die Geschwindigkeit ist 1000-mal höher. Dies bedeutet, dass seine kinetische Energie, die abgeführt werden muss, 1.000.000-mal höher ist als die eines typischen Meteors. Ein Planet, der mit einem 1-Gramm-Raumschiff kollidiert, das sich mit einer Geschwindigkeit von 60.000 km / s bewegt, erlebt die gleiche Katastrophe wie ein Planet, der mit einem Asteroiden mit einem Gewicht von 1 Tonne kollidiert, der sich mit einer Geschwindigkeit von 60 km / s bewegt Die Erde passiert alle zehn Jahre.


Meteor von 1860, Künstler Frederick Edwin Church

Bei solchen Geschwindigkeiten verwandelt sich die Substanz des Raumfahrzeugs in Plasma, wenn ihre Elektronen von Atomen / Molekülen abgerissen werden. Ein so dünnes und verteiltes Schiff, das sie bauen wollen, wird in Mikrosekunden aufgelöst - was gut ist, da es nur 1.000 Mikrosekunden benötigt, um die Dicke einer mit der Erde vergleichbaren Atmosphäre zu überwinden.



Bei Versuchen, das Raumschiff intakt zu halten, ist es am besten, sich auf dieselbe Laseranordnung am Ankunftspunkt zu verlassen, die das Schiff mit Licht der gleichen Frequenz bestrahlen kann, mit der es beschleunigt. Wir machen es sehr gut mit der Schaffung von Materialien, die etwa 99,999% des einfallenden Lichts einer bestimmten Frequenz reflektieren können - dank dessen hat das Konzept eines solchen Geräts das Recht auf Leben. Wenn Sie jedoch auf etwas anderes als Licht einer solchen Frequenz stoßen - auf eine andere Strahlung oder Materie -, absorbieren Sie eine große Menge an Energie. Und bei diesen Geschwindigkeiten bedeutet dies Zerfall. Ich muss Ihnen und Ihrem Vater Alex leider mitteilen, dass der atmosphärische Widerstand Ihr Raumschiff verlangsamen wird, dies jedoch in Form einer Brandkatastrophe, die alles, was sich auf dem Schiff befindet, bis hin zu einzelnen Atomen zerstören wird.