Sejak awal Zaman Antariksa, manusia telah mengandalkan roket kimia untuk masuk ke ruang angkasa. Meskipun metode ini sangat efektif, metode ini juga sangat mahal dan membutuhkan sumber daya yang cukup besar. Ketika kita mencari cara yang lebih efisien untuk keluar ke ruang angkasa, kita harus bertanya-tanya apakah spesies yang sama-maju di planet lain (di mana kondisinya akan berbeda) akan bergantung pada metode yang sama.
Profesor Harvard Abraham Loeb dan Michael Hippke, seorang peneliti independen yang berafiliasi dengan Sonneberg Observatory, keduanya menjawab pertanyaan ini dalam dua makalah yang baru-baru ini dirilis. Sementara Prof Loeb melihat tantangan makhluk luar angkasa akan menghadapi peluncuran roket dari Proxima b, Hippke mempertimbangkan apakah alien yang hidup di Bumi Super akan dapat masuk ke ruang angkasa.
Koran-koran, bertuliskan "Pelarian Antarbintang dari Proxima b Tidak Mungkin dengan Roket Kimia" dan "Spaceflight dari Super-Earths sulit" baru-baru ini muncul secara online, dan masing-masing ditulis oleh Prof Loeb dan Hippke. Sedangkan Loeb membahas tantangan roket kimia yang lolos dari Proxima b, Hippke mempertimbangkan apakah roket yang sama akan mampu mencapai kecepatan lepas sama sekali.
Demi penelitiannya, Loeb mempertimbangkan bagaimana kita manusia cukup beruntung untuk hidup di planet yang sangat cocok untuk peluncuran ruang angkasa. Pada dasarnya, jika roket ingin lepas dari permukaan bumi dan mencapai ruang angkasa, roket harus mencapai kecepatan lepas 11,186 km / d (40.270 km / jam; 25.020 mph). Demikian pula, kecepatan lepas yang diperlukan untuk menjauh dari lokasi Bumi di sekitar Matahari adalah sekitar 42 km / s (151.200 km / jam; 93.951 mph).
Seperti yang disampaikan Prof. Loeb kepada Space Magazine melalui email:
“Propulsi kimia membutuhkan massa bahan bakar yang tumbuh secara eksponensial dengan kecepatan terminal. Secara kebetulan, kecepatan melarikan diri dari orbit Bumi di sekitar Matahari berada pada batas kecepatan yang bisa dicapai oleh roket kimia. Tetapi zona layak huni di sekitar bintang redup lebih dekat, membuatnya jauh lebih menantang bagi roket kimia untuk melarikan diri dari lubang gravitasi yang lebih dalam di sana. "
Seperti yang ditunjukkan oleh Loeb dalam esainya, kecepatan lepas berskala sebagai akar kuadrat dari massa bintang pada jarak dari bintang, yang menyiratkan bahwa kecepatan lepas dari zona layak huni berskala terbalik dengan massa bintang dengan kekuatan seperempat. Untuk planet seperti Bumi, yang mengorbit di dalam zona layak huni bintang tipe G (kerdil kuning) seperti Matahari kita, ini cukup berhasil.
Sayangnya, ini tidak bekerja dengan baik untuk planet terestrial yang mengorbit bintang tipe-M (kurcaci merah) bermassa rendah. Bintang-bintang ini adalah jenis yang paling umum di Semesta, terhitung 75% bintang di Galaksi Bima Sakti saja. Selain itu, survei planet ekstrasurya baru-baru ini telah menemukan sejumlah besar planet berbatu yang mengorbit sistem bintang katai merah, dengan beberapa ilmuwan berani bahwa mereka adalah tempat yang paling mungkin untuk menemukan planet berbatu yang berpotensi layak huni.
Menggunakan bintang terdekat dengan bintang kita sebagai contoh (Proxima Centauri), Loeb menjelaskan bagaimana sebuah roket yang menggunakan bahan kimia dapat memiliki waktu yang jauh lebih sulit untuk mencapai kecepatan lepas dari sebuah planet yang terletak di dalam zona layak huni.
"Bintang terdekat dengan Matahari, Proxima Centauri, adalah contoh untuk bintang redup dengan hanya 12% dari massa Matahari," katanya. “Beberapa tahun yang lalu, ditemukan bahwa bintang ini memiliki planet seukuran Bumi, Proxima b, di zona layak huni, yang 20 kali lebih dekat daripada pemisahan Bumi dari Matahari. Di lokasi itu, kecepatan lepasnya 50% lebih besar daripada dari orbit Bumi di sekitar Matahari. Sebuah peradaban di Proxima b akan merasa sulit untuk melarikan diri dari lokasi mereka ke ruang antarbintang dengan roket kimia. "
Kertas Hippke, di sisi lain, dimulai dengan mempertimbangkan bahwa Bumi mungkin sebenarnya bukan jenis planet yang paling layak huni di Alam Semesta kita. Sebagai contoh, planet-planet yang lebih masif dari Bumi akan memiliki gravitasi permukaan yang lebih tinggi, yang berarti mereka akan mampu menahan atmosfer yang lebih tebal, yang akan memberikan perisai yang lebih besar terhadap sinar kosmik berbahaya dan radiasi matahari.
Selain itu, sebuah planet dengan gravitasi yang lebih tinggi akan memiliki topografi yang lebih datar, menghasilkan kepulauan alih-alih benua dan lautan yang lebih dangkal - situasi ideal di mana keanekaragaman hayati diperhatikan. Namun, ketika datang ke peluncuran roket, peningkatan gravitasi permukaan juga berarti kecepatan pelarian yang lebih tinggi. Seperti yang ditunjukkan Hippke dalam studinya:
"Roket menderita persamaan Tsiolkovsky (1903): jika roket membawa bahan bakarnya sendiri, rasio massa total roket terhadap kecepatan akhir adalah fungsi eksponensial, membuat kecepatan tinggi (atau muatan berat) semakin mahal."
Sebagai perbandingan, Hippke menggunakan Kepler-20 b, Super-Earth yang berjarak 950 tahun cahaya yang berjarak 1,6 kali radius Bumi dan 9,7 kali massa. Sedangkan kecepatan lepas dari Bumi kira-kira 11 km / s, sebuah roket yang berusaha meninggalkan Super-Bumi mirip dengan Kepler-20 b akan perlu mencapai kecepatan lepas ~ 27,1 km / s. Akibatnya, roket satu tahap di Kepler-20b harus membakar bahan bakar 104 kali lebih banyak dari roket di Bumi untuk masuk ke orbit.
Untuk memasukkannya ke dalam perspektif, Hippke mempertimbangkan muatan spesifik yang diluncurkan dari Bumi. "Untuk mengangkat muatan yang lebih berguna dari 6,2 t seperti yang diperlukan untuk James Webb Space Telescope di Kepler-20 b, massa bahan bakar akan meningkat menjadi 55.000 t, tentang massa kapal perang laut terbesar," tulisnya. "Untuk misi bulan Apollo klasik (45 t), roket harus jauh lebih besar, ~ 400.000 t."
Sementara analisis Hippke menyimpulkan bahwa roket kimia masih akan memungkinkan kecepatan lepas pada Super-Earth hingga 10 massa Bumi, jumlah propelan yang dibutuhkan membuat metode ini tidak praktis. Seperti yang ditunjukkan Hippke, ini bisa berdampak serius pada perkembangan peradaban alien.
"Saya terkejut melihat seberapa dekat kita sebagai manusia untuk berakhir di sebuah planet yang masih cukup ringan untuk melakukan penerbangan luar angkasa," katanya. “Peradaban lain, jika ada, mungkin tidak seberuntung itu. Di planet yang lebih masif, penerbangan ruang angkasa akan secara eksponensial lebih mahal. Peradaban seperti itu tidak akan memiliki TV satelit, misi bulan, atau Teleskop Luar Angkasa Hubble. Ini harus mengubah cara pengembangan mereka dengan cara tertentu yang sekarang dapat kita analisis secara lebih rinci. ”
Kedua makalah ini menyajikan beberapa implikasi yang jelas ketika datang untuk mencari kecerdasan ekstra-terestrial (SETI). Sebagai permulaan, itu berarti bahwa peradaban di planet-planet yang mengorbit bintang katai merah atau Bumi-Super lebih kecil kemungkinannya untuk melakukan perjalanan luar angkasa, yang akan membuat pendeteksian mereka lebih sulit. Ini juga menunjukkan bahwa ketika sampai pada jenis-jenis daya dorong yang dikenal manusia, kita mungkin berada dalam minoritas.
"Ini hasil di atas menyiratkan bahwa propulsi kimia memiliki utilitas terbatas, sehingga masuk akal untuk mencari sinyal yang terkait dengan lightsails atau mesin nuklir, terutama di dekat bintang katai," kata Loeb. "Tapi ada juga implikasi yang menarik untuk masa depan peradaban kita sendiri."
"Salah satu konsekuensi dari makalah ini adalah untuk kolonisasi ruang dan SETI," tambah Hippke. “Musang dari Bumi-Super jauh lebih kecil kemungkinannya untuk menjelajahi bintang-bintang. Sebaliknya, mereka akan (sampai batas tertentu) "ditangkap" di planet asal mereka, dan mis. lebih memanfaatkan laser atau teleskop radio untuk komunikasi antarbintang alih-alih mengirim probe atau pesawat ruang angkasa. "
Namun, baik Loeb maupun Hippke juga mencatat bahwa peradaban ekstra-terestrial dapat mengatasi tantangan ini dengan mengadopsi metode propulsi lain. Pada akhirnya, propulsi kimia mungkin sesuatu yang akan diadopsi oleh beberapa spesies yang maju secara teknologi karena tidak praktis bagi mereka. Seperti yang dijelaskan Loeb:
“Peradaban extraterrestrial maju dapat menggunakan metode propulsi lain, seperti mesin nuklir atau lightsail yang tidak dibatasi oleh keterbatasan yang sama seperti propulsi kimia dan dapat mencapai kecepatan setinggi sepersepuluh dari kecepatan cahaya. Peradaban kami saat ini sedang mengembangkan teknologi penggerak alternatif ini tetapi upaya ini masih dalam tahap awal. ”
Salah satu contohnya adalah Breakthrough Starshot, yang saat ini sedang dikembangkan oleh Yayasan Hadiah Terobosan (yang Loeb adalah ketua Komite Penasihat). Inisiatif ini bertujuan untuk menggunakan lightsail yang digerakkan laser untuk mempercepat nanocraft hingga kecepatan 20% kecepatan cahaya, yang akan memungkinkannya untuk melakukan perjalanan ke Proxima Centauri hanya dalam waktu 20 tahun.
Hippke juga menganggap roket nuklir sebagai kemungkinan, karena peningkatan gravitasi permukaan juga berarti bahwa elevator ruang angkasa tidak praktis. Loeb juga menunjukkan bahwa batasan yang diberlakukan oleh planet-planet di sekitar bintang bermassa rendah dapat berakibat ketika manusia mencoba menjajah Alam Semesta yang diketahui:
“Ketika matahari akan cukup panas untuk merebus semua air dari muka bumi, kita bisa pindah ke rumah baru saat itu. Beberapa tujuan yang paling diinginkan adalah sistem beberapa planet di sekitar bintang bermassa rendah, seperti bintang kerdil terdekat TRAPPIST-1 yang memiliki berat 9% dari massa matahari dan menampung tujuh planet seukuran Bumi. Namun, begitu kita sampai di zona layak huni dari TRAPPIST-1, tidak akan ada terburu-buru untuk melarikan diri. Bintang-bintang seperti itu membakar hidrogen dengan sangat lambat sehingga mereka bisa membuat kita tetap hangat selama sepuluh triliun tahun, sekitar seribu kali lebih lama dari umur matahari. ”
Tetapi sementara itu, kita bisa tenang dalam pengetahuan bahwa kita hidup di planet yang dapat dihuni di sekitar bintang katai kuning, yang memberi kita tidak hanya kehidupan, tetapi kemampuan untuk keluar ke ruang angkasa dan menjelajah. Seperti biasa, ketika datang untuk mencari tanda-tanda kehidupan ekstra-terestrial di Semesta kita, kita manusia dipaksa untuk mengambil "pendekatan buah tergantung rendah".
Pada dasarnya, satu-satunya planet yang kita kenal yang mendukung kehidupan adalah Bumi, dan satu-satunya cara eksplorasi ruang angkasa yang kita tahu cara mencarinya adalah yang kita coba dan uji sendiri. Akibatnya, kita agak terbatas ketika mencari biosignatures (mis. Planet dengan air cair, oksigen dan atmosfer nitrogen, dll.) Atau technosignatures (mis. Transmisi radio, roket kimia, dll.).
Seiring pemahaman kita tentang kondisi apa yang dapat muncul dalam kehidupan yang semakin meningkat, dan teknologi kita sendiri maju, kita harus lebih waspada. Dan semoga, terlepas dari tantangan tambahan yang mungkin dihadapinya, kehidupan ekstra-terestrial akan mencari kita!
Esai Profesor Loeb juga baru-baru ini diterbitkan dalam Scientific American.
