Sub-lichte snelheid in Star Trek Can It Done?

Trekkies hebben geholpen het science fiction-universum te definiëren, samen met de technologie die de Star Trek series, boeken en films beloven. Een van de meest gewilde technologieën uit die shows is de warp-drive. Dat voortstuwingssysteem wordt gebruikt op de ruimteschepen van vele soorten in het Trekiverse om in verbazingwekkend korte tijden (maanden of jaren in vergelijking met de eeuwen die het zou nemen met "slechts" de snelheid van het licht) de melkweg over te komen. Er is echter niet altijd een reden om warp-aandrijving te gebruiken, en daarom gebruiken de schepen in Star Trek soms impulskracht om met sub-light speed te gaan.

Wat is Impulse Drive?

Tegenwoordig gebruiken verkenningsmissies chemische raketten om door de ruimte te reizen. Die raketten hebben echter verschillende nadelen. Ze vereisen enorme hoeveelheden drijfgas (brandstof) en zijn over het algemeen erg groot en zwaar. Impulsmotoren, zoals die afgebeeld op het ruimteschip Onderneming, neem een ​​iets andere benadering om een ​​ruimtevaartuig te versnellen. In plaats van chemische reacties te gebruiken om door de ruimte te bewegen, gebruiken ze een kernreactor (of iets dergelijks) om elektriciteit aan de motoren te leveren.

Die elektriciteit zou grote elektromagneten aandrijven die de in de velden opgeslagen energie gebruiken om het schip voort te stuwen of, waarschijnlijker, plasma oververhitten dat vervolgens wordt gecollimeerd door sterke magnetische velden en de achterkant van het vaartuig uitspuwen om het vooruit te versnellen. Het klinkt allemaal heel complex, en dat is het ook. Het is eigenlijk wel mogelijk, maar niet met de huidige technologie.

Impulsmotoren vertegenwoordigen in feite een stap vooruit ten opzichte van huidige chemisch aangedreven raketten. Ze gaan niet sneller dan de snelheid van het licht, maar ze zijn sneller dan alles wat we vandaag hebben. Het is waarschijnlijk slechts een kwestie van tijd voordat iemand erachter komt hoe ze te bouwen en te implementeren. 

Kunnen we ooit impulsmotoren hebben?

Het goede nieuws over "ooit" is dat het uitgangspunt van een impulsaandrijving is is wetenschappelijk verantwoord. Er zijn echter enkele aandachtspunten. In de films kunnen de ruimteschepen hun impulsmotoren gebruiken om te versnellen tot een aanzienlijk deel van de snelheid van het licht. Om die snelheden te bereiken, moet het vermogen van de impulsmotoren aanzienlijk zijn. Dat is een enorme hindernis. Momenteel lijkt het, zelfs met kernenergie, onwaarschijnlijk dat we voldoende stroom kunnen produceren om dergelijke aandrijvingen te voeden, vooral voor dergelijke grote schepen. Dus dat is een probleem om te overwinnen.

Ook tonen de shows vaak de impulsmotoren die worden gebruikt in planetaire atmosferen en in nevels, wolken van gas en stof. Elk ontwerp van impulsachtige aandrijvingen is echter afhankelijk van hun werking in een vacuüm. Zodra het ruimteschip een gebied met een hoge deeltjesdichtheid binnenkomt (zoals een atmosfeer of een wolk van gas en stof), zouden de motoren onbruikbaar worden. Dus tenzij er iets verandert (en u kunt de wetten van de natuurkunde niet veranderen, kapitein!), Blijven impulsen in het rijk van science fiction.

Technische uitdagingen van impulsaandrijvingen

Impulsaandrijvingen klinken best goed, toch? Nou, er zijn een paar problemen met het gebruik ervan zoals beschreven in science fiction. Een is tijdsuitzetting: Telkens wanneer een vaartuig met relativistische snelheden reist, ontstaan ​​er zorgen over tijdsuitzetting. Hoe blijft de tijdlijn namelijk consistent wanneer het vaartuig met bijna lichte snelheden reist? Helaas is er geen manier om dit te omzeilen. Daarom zijn impulsmotoren vaak beperkt in science fiction tot ongeveer 25% van de snelheid van het licht waar relativistische effecten minimaal zouden zijn. 

De andere uitdaging voor dergelijke motoren is waar ze werken. Ze zijn het meest effectief in een vacuüm, maar we zien ze vaak in Trek als ze atmosferen binnendringen of door wolken van gas en stof zwaaien die nevels worden genoemd. De motoren zoals momenteel gedacht, zouden niet goed doen in dergelijke omgevingen, dus dat is een ander probleem dat zou moeten worden opgelost. 

Ionenaandrijvingen

Niet alles is echter verloren. Ionenaandrijvingen, die zeer vergelijkbare concepten gebruiken als impulsaandrijftechnologie, worden al jaren aan boord van ruimtevaartuigen gebruikt. Vanwege hun hoge energieverbruik zijn ze echter niet efficiënt om vaartuigen zeer efficiënt te versnellen. In feite worden deze motoren alleen gebruikt als primaire aandrijfsystemen op een interplanetair vaartuig. Dat betekent dat alleen sondes die naar andere planeten reizen ionenmotoren zouden vervoeren. Er is bijvoorbeeld een ionenaandrijving op het Dawn-ruimtevaartuig dat gericht was op de dwergplaneet Ceres. 

Aangezien ionenaandrijvingen slechts een kleine hoeveelheid drijfgas nodig hebben om te werken, werken hun motoren continu. Dus hoewel een chemische raket sneller een vaartuig op snelheid kan brengen, raakt de brandstof snel op. Niet zozeer met een ionaandrijving (of toekomstige impulsaandrijvingen). Een ionenaandrijving zal een vaartuig dagen, maanden en jaren versnellen. Hiermee kan het ruimteschip een hogere topsnelheid bereiken, en dat is belangrijk voor trektochten over het zonnestelsel.

Het is nog steeds geen impulsmotor. Ionenaandrijftechnologie is zeker een toepassing van impulsaandrijvingstechnologie, maar deze komt niet overeen met het direct beschikbare versnellingsvermogen van de motoren die worden afgebeeld in Star Trek en andere media.

Plasmamotoren

Toekomstige ruimtereizigers kunnen misschien iets veelbelovends gebruiken: plasma-aandrijftechnologie. Deze motoren gebruiken elektriciteit om plasma te oververhitten en vervolgens via krachtige magnetische velden uit de achterkant van de motor te stoten. Ze vertonen enige gelijkenis met ionenaandrijvingen doordat ze zo weinig drijfgas gebruiken dat ze gedurende lange tijd kunnen werken, vooral in vergelijking met traditionele chemische raketten.

Ze zijn echter veel krachtiger. Ze zouden het vaartuig met zo'n hoge snelheid kunnen voortstuwen dat een plasma-aangedreven raket (met behulp van technologie die vandaag beschikbaar is) een vaartuig in iets meer dan een maand naar Mars zou kunnen krijgen. Vergelijk deze prestatie met de bijna zes maanden die een traditioneel aangedreven vaartuig zou vergen. 

Is het Star Trek niveaus van engineering? Niet helemaal. Maar het is absoluut een stap in de goede richting.

Hoewel we misschien nog geen futuristische aandrijvingen hebben, kunnen ze gebeuren. Met verdere ontwikkeling, wie weet? Misschien zullen impulsschijven zoals die in films worden afgebeeld ooit werkelijkheid worden.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.