להגיע אל הכוכבים – מאת ד"ר ויקטור צ'רנוב

bt2lfS326_aד"ר ויקטור צ'רנוב, חוקר ומרצה בפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל בטכניון, מסביר על כמה שהחלל גדול, מהן השיטות הנפוצות לנוע בו במדע הבדיוני, וכיצד נעים – וינועו – בו בהווה ובעתיד הנראה לעין.

"להגיע אל הכוכבים", כאן לפניכם.

 

"החלל גדול, באמת גדול. פשוט לא תאמין עד כמה ענק, עצום ומהמם הוא. כלומר, אולי תחשוב שדרך ארוכה היא ממורד הרחוב עד לבית המרקחת, אבל אין זה ולא כלום לעומת החלל".

מדריך הטרמפיסט לגלקסיה, דאגלאס אדאמס

ובכן, החלל הוא גדול. אנחנו חושבים שהירח הוא רחוק? אין זה ולא כלום לעומת החלל. אז כמה גדול הוא החלל?

תחילה עלינו להבין שגודל הוא עניין יחסי. האם תל-אביב רחוקה מחיפה? התשובה לשאלה זו היא לא חד משמעית. אם אני רוצה לבקר חברים בתל-אביב, ואני נוסע עם רכב, אז המרחק הוא סביר. לעומת זאת, אם אני צריך ללכת לתל-אביב ברגל, המרחק שאני צריך לעבור נראה בלתי סביר. בכל המקרים הללו המרחק הפיזי הוא אותו מרחק פיזי. מה שמשתנה זה הזמן.
הזמן נקבע על ידי המהירות. ככל שמהירות הנסיעה היא גבוהה יותר, כך הזמן בדרכים הוא קצר יותר. אך למהירות יש חסם עליון. החסם העליון הזה הוא מהירות האור. מהירות האור שווה בערך ל-300 אלף ק"מ בשניה, שזה המון במושגים של המהירויות אליהן הגיעה האנושות, אך זאת מהירות סופית, וכפי שנראה בהמשך – קטנה יחסית.

אז באילו מרחקים מדובר כשאנחנו מדברים על היקום שלנו?
המקום הכי רחוק מכדור הארץ שאדם אי פעם הגיע אליו, הירח, נמצא במרחק 384 אלף קילומטר. השמש שלנו, הכוכב שאנחנו סובבים סביבו, נמצאת במרחק הרבה יותר גדול – 150 מיליון קילומטר. המרחק הזה גם נקרא Astronomic Unit-AU. יחידה אחרת שמשתמשים בה היא שנת אור – זהו המרחק שאור עובר בשנה, והיחידה הזאת שווה ל-9.461 מיליארד קילומטר. הכוכב הקרוב ביותר אלינו נמצא במרחק של 4.3 שנות אור, המרחק למרכז הגלקסיה שלנו הוא בערך 26 אלף שנות אור.
המצב הזה הוא קצת מדכא. נכון להיום, גם אם נגיע ליכולת לפתח מהירויות מאוד גבוהות, לא נוכל להתרחק יותר מדי ממערכת השמש, וגם הזמנים שיידרשו להגעה לכוכבים קרובים יהיו מאוד ארוכים. יוצרי מדע בדיוני לא אהבו את המצב (תתארו לעצמכם שפיקארד מוסר לרייקר את הגשר, ואז כעבור ארבעים אלף שנה הם מגיעים ליעד). מצד שני, אי אפשר להתעלם מחוקי הפיזיקה הקיימים, ויש ליישב את הרצון להגיע מהר ממקום למקום בגלקסיה במסגרת המגבלות שאנחנו מכירים היום.

המד"ב מציע היום שלוש שיטות עיקריות לתזוזה מהירה בחלל. שלושתן מתבססות על הרעיון שזמן הוא פונקציה לא רק של המהירות, אלא גם של המרחק. בדרך כלל אנחנו מתייחסים למרחק כקבוע – חיפה תמיד תהיה רחוקה מתל-אביב 100 ק"מ, ו-100 ק"מ תמיד יהיו 100 ק"מ. אבל אם יש לנו שיטה לקצר מרחקים, אז נוכל לעבור מרחקים ארוכים בפחות זמן.

השיטה הראשונה היא מנוע הכיווץ (Warp drive), שקיבל את הפופולריות שלו מ"מסע בין כוכבים". הרעיון מאחורי המנוע הוא שבעזרת אנרגיה (המון אנרגיה. ממש המון אנרגיה) אפשר לכווץ את החלל סביב החללית. כשהחלל מכווץ, אפשר לנוע בו בפחות זמן, ואם בועת הכיווץ נעה איתנו, אנחנו נוכל לעבור מרחקים גדולים במהירות.
השיטה השניה היא שיטת העל-חלל, כפי שרואים למשל, ב"בבילון 5". השיטה הזאת מניחה שהחלל שלנו הוא לא "שטוח". בשביל להבין זאת, אפשר לחשוב על דף נייר בצורה של גל. אם אנחנו יכולים לנוע רק על פני המשטח של הנייר, אז בשביל לעבור מקצה אחד של הנייר לקצה השני, אנחנו צריכים לעבור לאורכו של כל הדף. אבל אם אנחנו יכולים לצאת מהמישור של הדף, אז אפשר לעבור בקו ישר בין שתי הנקודות, ובכך לקצר את הדרך.

bt2lfS326_aהתמונה נלקחה מכאן

השיטה השלישית היא השיטה הקסומה ביותר, ובה החללית פשוט קופצת מיידית ממקום אחד למקום אחר בחלל. את הגישה הזאת אפשר למצוא בספרים של אייזיק אסימוב, ובסדרה "בטלסטאר גלקטיקה".

אילו משלוש השיטות הן הסבירות ביותר?
ככל הנראה השיטה האחרונה, הקפיצה, היא הפחות מציאותית מכולן, אך גם שתי הראשונות רחוקות מאוד מהמציאות. כנראה אין הוכחה שהן בלתי אפשרויות (אם כי מדענים צרפתיים טוענים שיש להם הוכחה כזאת בקשר למנוע הכיווץ), אך אין גם הוכחות שהעניין אפשרי. כמו כן, יש לציין שבתוך NASA יש פרוייקט לפיתוח מנוע שעובד בסגנון מנוע הכיווץ. אך בזמן שכולנו מקווים שהוא יצליח, יש לזכור שב-NASA עובדים על המון דברים משונים שלא תמיד מניבים תוצאות מעשיות.

ומה קורה היום, בעולם האמיתי? כמה רחוק הגענו, וכמה מהר אנחנו יודעים לטוס בחלל?
התשובות אינן מעודדות. הנקודה הרחוקה ביותר שהאדם הגיע אליה היא הירח. העצם המלאכותי אשר הגיע למרחק הרב ביותר מכדור הארץ הוא Voyager 1, שיצא ממערכת השמש (כנראה). הטיול לקצה מערכת השמש לקח 25 שנה, וגם זה קרה רק הודות לסידור נוח של כוכבי לכת, שאיפשרו לו לצבור מהירות יחסית גבוהה (ישנו סוג מסויים של מעבר ליד כוכב לכת אשר מאפשר לצבור מהירות). ברור שהמצב טעון שיפור.
הסיבה העיקרית למצב עגום זה היא שיטת ההנעה שעומדת לרשותנו. נכון להיום, ישנה דרך אחת עיקרית לנוע בחלל ואליו והיא בעזרת מנוע רקטי. מנוע רקטי הוא מנוע פשוט. למעשה, כולנו מכירים אותו. מה יקרה אם ננפח בלון ואז נשחרר אותו? הוא יתעופף בחדר עד שיגמר לו האוויר. בלון הוא המנוע הרקטי הפשוט ביותר שקיים. כשאנחנו מנפחים את הבלון אנחנו למעשה מעלים את האנרגיה של הגז שנמצא בתוכו (במקרה שלנו – העלאת לחץ). האנרגיה הזאת מומרת לאנרגיה קינטית, והודות לשימור התנע, גז שיוצא מהפתח בכיוון אחד, דוחף את הבלון לכיוון השני. לגז במקרה כזה אנחנו קוראים "הודף".

illo_06bהתמונה נלקחה מכאן

הבעיה היא שבשביל שנוכל להשתמש בהודף, צריך כמובן לקחת אותו איתנו. אם אנחנו רוצים להגדיל את הטווח של הטיל צריך יותר הודף; אבל יותר הודף מעלה את המסה של הטיל, ולכן נדרש מנוע חזק יותר; אבל מנוע חזק יותר דורש יותר הודף וכן הלאה. המסה המועילה שלנו, של המטען שאנו מעוניינים לשלוח לחלל, היא מאוד קטנה יחסית למסה ההתחלתית של הטיל. והיא הולכת ונהיית קטנה יותר ככל שטסים יותר רחוק.

את הבעיה הזאת ניסח מדען רוסי בשם ציוקלובסקי בסוף המאה ה-19 בצורה מתמטית. הוא הגיע למה שנקרא "נוסחת הטיל האידיאלי" שנראית כך: 2, כאשר m זה המסה הכללית של הטיל, 3 זה מסת המטען המועיל שלנו, 4 זה מהירות היציאה של ההודף מהמנוע, ו-ΔV – שינוי המהירות של הטיל. ΔV הוא פרמטר מאוד חשוב כשמדובר בטיסות בחלל – כך נמדד "תקציב" האנרגיה שיש לחללית לתמרונים. הערך הזה יכול להיות מאוד גדול – בשביל להמריא למסלול נמוך מסביב לכדור הארץ, ה-ΔV שנדרש הוא יותר מתשעה קילומטר לשניה (כן, לשניה).

למי שקצת זוכר מתמטיקה, אפשר לראות ש-ΔV נמצא במונה של החזקה. זה אומר ששינויים קטנים ב-ΔV יגרמו לשינויים גדולים במסה הכוללת של הטיל, ואם אנחנו רוצים להאיץ למהירויות גבוהות, מהר מאוד המסה של הטיל תגדל מאוד. עוד אנחנו רואים שמהירות יציאת הגזים מהמנוע נמצאת במכנה של החזקה, וככל שנגדיל את המהירות, כך נוכל להקטין את הטיל. וכאן נשאלת השאלה – מה הן מהירויות היציאה מהמנוע במנועים שקיימים היום?

נכון להיום ישנם שני סוגי מנועים רקטיים עיקריים. הסוג הראשון הוא מנוע רקטי כימי. זה המנוע שניתן לראות בכל השיגורים והוא פועל על דרך השריפה. בדרך כלל במשימת חלל מדובר על שני נוזלים, אחד דלק ואחד מחמצן (למשל, מימן נוזלי וחמצן נוזלי), או על נוזל אחד שמכיל גם דלק וגם מחמצן. ההודף (הדלק והמחמצן ביחד הם ההודף במקרה זה) מוזרק אל תא השריפה, שם גם הטמפרטורה וגם הלחץ שלו עולים, ולאחר מכן הוא יוצא מהנחיר (הפתח). מהירות היציאה של ההודף ממנועים כימים היא בין 2000 ל-4000 מטר לשניה.
הסוג השני של המנועים הם מנועים רקטים חשמליים. במנועים כאלה מייננים גז אינרטי כלשהו, ומאיצים אותו בעזרת שדה אלקטרומגנטי. למנועים האלה מהירות יציאה גבוהה הרבה יותר – בין 15 ל-30 אלף מטר לשניה. החסרון של המנועים האלה הוא הדחף המאוד נמוך שלהם (בדרך כלל, כמה עשרות מיליניוטון), לכן הם לא מתאימים להמראה מכוכב לכת, והם מגדילים בצורה משמעותית את זמן המשימה. למשל, המשימה SMART-1 הגיעה לירח תוך 16 חודשים. כשמשתמשים במנוע כימי, הדרך הזאת לוקחת כמה ימים.

אז איזה מנוע יתאים לנו למשימה בין-כוכבית?
כדי שזמן המשימה יהיה סביר, נניח שאנחנו רוצים להאיץ את החללית שלנו לעשירית מהירות האור. באיזה מנוע נשתמש? התשובה היא – באף אחד. נכון להיום, לא ניתן להגיע עם מנועים רקטים שקיימים לרשותנו למהירות כל כך גבוהה. גם בעזרת מנועים עם מהירות יציאה גבוהה פי 10 ממה שקיים היום, עדיין לא נוכל להאיץ לעשירית מהירות האור. לעומת זאת, אם נשפר פי 1000 את המנועים שיש היום, כדי להאיץ קילוגרם אחד של מטען מועיל לאותה מהירות, נצטרך 4.477 קילוגרם הודף.

אז מה עושים אם רוצים להגיע לכוכבים?
דרך אחת היא באמת להמשיך ולשפר את המנועים הרקטים. דרך שניה היא לא להשתמש במנועים רקטים בכלל, אלא בסוג מנוע כלשהו שאינו זקוק להודף. דוגמא אחת למנוע כזה הוא מפרש סולרי. אחת מדרכי הפעולה של מפרש רגיל הוא העברת תנע בין האוויר הזורם (הרוח) למפרש. דבר דומה קורה בחלל, כששם קרינת השמש מתפקדת בתור אוויר. הקרינה מורכבת מפוטונים ולכל פוטון יש תנע. כשקרינה פוגעת במשטח, מופעל על המשטח לחץ. הדבר אפקטיבי יותר אם המשטח הוא מראה – במקרה כזה רווח התנע יהיה כפול.
הלחץ של הפוטונים מהשמש הוא מאוד נמוך, ולכן הדחף שנוצר הוא נמוך; אך הלחץ הזה קיים בחינם ומאפשר מערכת הנעה שלא דורשת הודף. הבעיות במפרשים סולרים הן בעיקר טכניות – הם צריכים להיות גדולים ומאוד קלים על מנת להיות יעילים, מה שגורם לבעיות של שיגור ופריסה; אך כל הבעיות הללו ניתנות לפתרון. בשנת 2010 סוכנות החלל היפנית שגרה חללית הדגמה עם מפרש סולרי קטן והוכיחה בהצלחה שהטכנולוגיה עובדת.

כל הטכנולוגיות האלה לא פותרות את הבעיה המהותית – החלל הוא מאוד גדול ביחס לכל מהירות תיאורטית שאנחנו מסוגלים להגיע אליה. אבל זה לא מה שיעצור אותנו מלנסות, נכון?


ד"ר ויקטור צ'רנוב הוא חוקר ומרצה בפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל, טכניון.
הבלוג של ד"ר צ'רנוב

מודעות פרסומת

מוזמנות ומוזמנים להגיב:

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s