Blog Doktora No

Witam, dziś kolejny odcinek naszych naukowo-technicznych rozważań na kanwie filmu "Avatar" Jamesa Camerona.

W poprzednim odcinku zgłębiliśmy podróże międzygwiezdne, podwójny układ gwiezdny Alfa Centauri, promy kosmiczne i antymaterię.

 Dziś postaram się zgłębić najciekawsze tematy: awatary, latające góry, i rozwikłać zagadkę Unobtanium.

Co do poprzedniego odcinka otrzymałem kilka komentarzy, że lekceważę możliwość obalenia tezy o nieprzekraczalności prędkości światła. Otóż wcale nie uważam, że fizyka odkryła już wszystko, wręcz przeciwnie. Znane i udowodnione prawa fizyki mają często pewien zakres stosowalności. Jeżeli kiedykolwiek przekroczymy prędkość światła, to prędzej w dziedzinie przekazywania informacji, niż transportu materii. Nie zmienia to faktu, że zanim przywitamy się z Einsteinem i Stephenem Hawkingiem, to musimy najpierw przeprosić się z sir Newtonem.

A teraz, zapraszam do ciągu dalszego:

Klonowanie

Tytułowe awatary to będące dziełem inżynierii genetycznej, dorastające w sztucznej macicy hybrydy DNA mieszkańców Pandory i ludzi. Ich twarze są bardzo podobne do twarzy człowieka-dawcy DNA, i mają pięć palców u rąk i nóg, a nie cztery jak u Na’vich. Ludzie, poprzez specjalne łącza, mogą nimi sterować zdalnie, z drugiej strony otrzymując informacje z ich zmysłów. Każdy awatar może być sterowany przez osobę, która ma DNA identyczne, lub bardzo podobne do swojego operatora (dlatego Jake Sully mógł sterować awatarem przeznaczonym dla swojego zmarłego brata-bliźniaka). Same awatary nie posiadają ani krztyny świadomości i są po prostu czymś w stylu żywych marionetek.

Samo tworzenie awatarów jest logiczne: dla kosmitów (nawet humanoidalnych) to ludzie są obcymi z innego świata, którzy mogą wydawać się odrażający lub po prostu odmienni na tyle, że próba porozumienia się byłaby z góry skazana na porażkę. Stąd pomysł awatarów, których to naukowcy pod kierunkiem dr Grace wchodzą w kontakty z Na’vi i prowadzą badania poza bazą.

Tworzenie hybryd jest jak najbardziej realne, już teraz tworzy się organizmy transgeniczne, zawierające obce geny, swego czasu naukowcy w Wielkiej Brytanii zaszokowali świat, tworząc hybrydowe zygoty z komórek krowich zawierające ludzkie DNA. Tak więc absolutnie nie jest wykluczone że w przyszłości będzie można było tworzyć organizmy o dowolnie dobranym składzie genetycznym. Klonowanie już zostało przeprowadzone, mam tu na myśli słynną owieczkę Dolly. Poza tym są już nawet firmy oferujące klonowanie psów, kotów i innych domowych zwierzaków.

Wiążą się z tym duże problemy natury etycznej. Czy taka hybryda będzie jeszcze istotą ludzką, czy już nie? Nie mam zamiaru w tym miejscu się nad tym rozwodzić, gdyż jest to temat na odrębną dyskusje, trzeba być jednak świadomym tego problemu.

W Pandorapedi jest wzmianka o tym, że pierwsze udane próby z awatarami zostały poczynione przez naukowca o bardzo wątpliwym etycznie zachowaniu. Czyżbyśmy mieli potencjalnego czarnego charaktera do sequela? Zobaczymy…

Sztuczna macica, w postaci zbiornika, w którym dorasta awatar, jest powoli w opracowywaniu, i leży w granicy możliwości techniki. Np. zespół australijskich naukowców pracuje nad sztucznym łonem, w celu odnowy populacji jednego z gatunków rekina, a pani Hung-Ching Liu prowadzi badania nad sztucznymi macicami u myszy.

Psychotronika

Na filmie operatorzy awatarów łączą się z nimi poprzez skomplikowane urządzenia, z wyglądu przypominające tomografy komputerowe, które to z jednej strony odczytują z mózgu operatora komendy dotyczące ruchu, a w drugą stronę przekazują operatorowi wrażenia zmysłowe z awatara.

Sterowanie maszynami przy pomocy umysłu jest niezwykle frapującą ideę, która od kilkudziesięciu lat jest tematem poważnych badań, których efektem może być np. pomoc osobom niepełnosprawnym, sparaaliżowanym itp. poprzez stworzenie nowych protez czy metod komunikacji z komputerem.

Nasz układ nerwowy działa na zasadzie przekazywania impulsów elektrycznych, które łatwo można odczytać, jeżeli wepniemy się bezpośrednio do nerwów. Mniej inwazyjnym sposobem może być odczytywanie fal mózgowych, które są wypadkową aktywności naszego mózgu. Niedawno udało się nawet przekazać bioprądy na odległość:

Ludzki mózg emituje fale elektromagnetyczne o bardzo niskiej częstości. W zależności od długości fal zostały one nazwane kolejnymi literami alfabetu greckiego: alfa, beta, gamma theta i delta. Fale mózgowe zarejestrowano i poddawano badaniom już w latach 30tych zeszłego wieku.

Niestety, bez bezpośredniego odpięcia się do nerwów nie da się jednoznacznie i bezproblemowo odczytać sygnałów elektrycznych biegnących nimi. jest w praktyce niemożliwe, albo w najlepszym razie bardzo utrudnione. Próby odczytania takich impulsów poprzez analizę fal mózgowych (elektro-encefalografia – EEG) przypominają trochę badanie mikroprocesora woltomierzem.

Niedawno udało się naukowcom "wymacać" fale mózgowe odpowiedzialne za funkcje motoryczne naszego ciała. Tak więc mamy istotne podstawy do wysyłania sygnału do awatara, bez potrzeby dokonywania ryzykownych zabiegów chirurgicznych na mózgu.

Mimo licznych eksperymentów nie udało się z całą pewnością potwierdzić istnienia telepatii, nie mówiąc o tym, że ten obszar badań został zawłaszczony przez pseudonaukę.

Jednak stworzenie środków technicznych umożliwiających stworzenie czegoś będącego odpowiednikiem "naturalnej" telepatii jest jak najbardziej możliwe, np. poprzez pobieranie impulsów nerwowych i ich transmisję na odległość.

Można założyć że łączność między operatorem a awatarem odbywa się w sposób odbiegający od znanych metod przekazywania informacji. Być może w grę wchodzi tu tzw. splątanie kwantowe lub teleportacja kwantowa cząstek. Nie wdając się w zawiłości mechaniki kwantowej (kto chce, może sobie poczytać wykład Ryszarda Tanasia z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza na ten temat), cała rzecz polega na tym, że można przekazywać na odległość stany kwantowe atomów (np. spin, czyli kręt cząstki) co ma zastosowanie w raczkującej informatyce kwantowej. Są teorie mówiące o tym, że nasze mózgi są komputerami kwantowymi, ale jest sporo uzasadnionych wątpliwości co do prawdziwości tych teorii.

Unobtanium

Na Pandorze ludzie wydobywają metodą odkrywkową minerał zwany Unobtanium, który kosztuje "20 milionów za kilogram", i który wydaje się być czymś magicznym, lewitując w powietrzu na biurku administratora kolonii.

Sama nazwa to, według przyjętej powszechnie na wpół-żartobliwej definicji, "materiał, minerał pierwiastek itp. będący absolutnie nieosiągalnym, ale jednocześnie bardzo potrzebnym do danego celu".

Ten minerał to nadprzewodnik. Najprostsza definicja nadprzewodnictwa mówi że jest to efekt polegający na zaniku oporności przewodnika oraz na zaniku indukcji magnetycznej wewnątrz przewodnika. Efekt ten jest obserwowany po obniżeniu temperatury do tzw. temperatury krytycznej – charakterystycznej dla danego przewodnika.

Unobtanium jest rewelacyjnym materiałem, który wykazuje nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Znane współcześnie nadprzewodniki wykazują swoje właściwości w temperaturach poniżej stu stopni poniżej zera w skali Celsjusza.

Trzeba pogratulować Cameronowi zdrowego rozsądku i pomysłu; nikogo by nie przekonało inwestowania olbrzymich pieniędzy i energii po to aby wydobywać np. krzem czy tytan w innym układzie gwiezdnym… 

Brak oporności oznacza brak strat w przekazywaniu prądu. W  zamkniętej cewce  z nadprzewodnika prąd może  płynąć bez końca, generując silne pole magnetyczne. Można wyobrazić sobie linie przesyłowe w których nie zachodzi marnowanie energii podczas jej przekazywania na duże odległości. Już teraz stosuje się potężne  elektromagnesy nadprzewodzące do otrzymywania bardzo silnych pól magnetycznych (korzysta się z tego w CERNie do kierowania wiązkami cząstek w akceleratorach). Takie elektromagnesy można wykorzystać np. do konstrukcji kolei magnetycznej (np. niemieckiego pociągu magnetycznego Transrapid) zwanej z angielska "maglevem" (magnetic levitation):

Mechanizm tego zjawiska da się wyjaśnić na podstawie fizyki kwantowej, ale wciąż wiele rzeczy jest niejasnych dla fizyków (por. Tadeusz Domański , "Nadprzewodniki: nowe fakty i teorie", "Postępy Fizyku, nr. 3/2006").

Większość metali wykazuje nadprzewodnictwo w temperaturach bliskich zeru absolutnemu (np. w temperaturze wrzącego helu). Z biegiem czasu zaczęto odkrywać związki chemiczne, których nadprzewodnictwo objawiało się w coraz to wyższych temperaturach. Prawdziwą rewelacją było odkrycie w 1986 roku nadprzewodników wysokotemperaturowych, tj. takich, których temperatura krytyczna jest wyższa niż 100K (skala temperatury Kelwina różni się tym od skali Celsjusza, że punkt zero na jej skali jest zerem absolutnym, ok. -275ºC). Za to odkrycie panowie Karl Müller i Johannes Bednorz z laboratorium firmy IBM dostali Nagrodę Nobla z fizyki w 1987 roku.

Zaawansowane nadprzewodniki są ciałami o skomplikowanej budowie chemicznej, np. nadprzewodnik którego temperatura krytyczna wynosi 135K ma wzór chemiczny HgBa₂Ca₂Cu₃O₈.

Nadprzewodniki, dzięki efektowi Meissnera, odpychają pole magnetyczne stając się idealnymi diamagnetykami. Różne pokazy tego zjawiska, w których magnesy nad nadprzewodnikami lub same nadprzewodniki nad magnesami "lewitują" do złudzenia przypominają gadżet na biurku Selfridge’a:

Przykładowe eksperymenty z użyciem nadprzewodnika, w wykonaniu studentów Politechniki Warszawskiej, można zobaczyć tutaj:

http://www.knf.pw.edu.pl/~mziolek/witryna/uczelnia/labfiz2/nadprzewodnictwosprawozdanie.doc

Co ciekawe, obecność Unobtanium na Pandorze jest jednym z powodów, dla których może istnieć na niej życie. Gazowe giganty, jak Polifem,  wysyłają olbrzymie ilości szkodliwego promieniowania. Tymczasem nadprzewodnik tworzy własne pole magnetyczne, osłaniając księżyc przed szkodliwym promieniowaniem.

Egzoszkielety

Na filmie ludzie, w szczególności pułkownik Quatrich używają człekokształtnych maszyn z kabiną dla pilota, które naśladują hydraulicznymi nogami i rękoma jego ruchy ciała, zapewniając przy tym ochronę przed środowiskiem zewnętrznym. Poruszają się przy tym niewiele szybciej od człowieka i pozwalają pilotowi używać nadludzkiej siły np. do dźwigania ciężkiego działka czy mocowania się z potężnymi drapieżnikami.

Takie urządzenia to dyżurne akcesorium science-fiction. Pierwszy raz na szeroką skalę wprowadził je Robert A. Heinlein w 1957 roku w powieści "Kawaleria Kosmosu" gdzie Lotna Piechota ludzi używała wspomaganych zbroi wraz z silniczkami rakietowymi do walki z rasą inteligentnych owadów. Zasadniczo można wyróżnić dwie odmiany tego pomysłu: pierwszą są właśnie wspomagane zbroje w miarę ściśle przylegające do ciała użytkownika, a drugim są, mniejsze lub większe, humanoidalne, pilotowane przez człowieka roboty.

Od lewej: egzoszkielet z "Bubblegum Crisis", japońskiej ekranizacji "Żołnierzy Kosmosu" i serialu "VOTOMS".

Japończycy na punckie egzoszkieletów dostali prawdziwego szału, w tamtejszych filmach animowanych i komiksach od wielu lat przewijają się "mechy" (jak są tam zwane tego typu maszyny) we wsztstkich możliwych wariantach i sytuacjach.

Pierwszą próbą stworzenia takiego urządzenia był nieudany "Hardimen" firmy General Electric z lat 60-tych:

http://davidszondy.com/future/robot/hardiman.htm

Ten wspomagany egzoszkielet miał w założeniu służyć zwielokrotnieniu ludzkiej siły, co można by wykorzystać do np. przenoszenia ciężkich ładunków, pracy w elektrowniach atomowych itp.

Jego pełne uruchomienie powodowało coś, coś ujęto jako "tanieć świętego Wita", dlatego więc ze względów bezpieczeństwa poprzestano na skonstruowaniu działających szczypiec obsługiwanych ręką operatora.

Poza tym poważną wadą tego sprzętu była jego pokaźna masa, rzędu 1000 funtów i konieczność zewnętrznego zasilania.

Postęp w dziedzinie robotyki i automatyki spowodował jednak, że w ostatnich latach zainteresowanie egzoszkieletami i podobnymi konstrukcjami jest coraz większe. Wzrost mocy obliczeniowej komputerów powoduje, że systemy wbudowane sterujące robotami są w stanie lepiej koordynować ruchy,  uzwględnić bezwładność, czy specyficzne ruchy ciała człowieka.

O to dwunożny "fotel" chodzący, stworzony przez Koreańczyków, nazwany "Hubo FX-1":

Japończycy skonstruowali zestaw siłowników sterowanych ruchami ciała użytkownika, który zwielokrotnia jego siłę wielokrotnie. To urządzenie, zwane HAL-5, planowane do masowej produkcji przy firmę Cyberdyne Inc. jest pomyślane jako wspomaganie dla osób starszych i niepełnosprawnych ruchowo:

Jako ciekawostkę zwracam uwagę, że w innym koreańskim modelu (stworzonym w Koreańskim Instytucie Nauki i Techniki w Seulu) zastosowano rękawice przenoszące ruchy rąk operatora na ruch manipulatorów robota, które do złudzenia przypominają urządzenia noszone na rękach przez pilotów robotów na filmie:

Rzecz jasna całą sprawą od lat zainteresowane jest wojsko, jako sposobu na zwiększenie siły i opancerzenia dla piechoty. Wspomniana wcześniej agencja DARPA bada możliwość skonstruowania egzoszkieletu jako wspomagania dla żołnierzy amerykańskich.

Póki co największym problemem jest zasilanie tego typu układów. Rozsądnym rozwiązaniem wydają się ogniwa paliwowe, przetwarzające ciekłe paliwo wprost na prąd elektryczny poprzez odwrócenie elektrolizy. Tradycyjne siłowniki hydrauliczne, pneumatyczne czy elektryczne ogą być niewystarczające do konstrukcji takiego urządzenia. Przełomem może być opracowanie sztucznych mięśni, z substancji kurczących się i rozciągających pod wpływem prądu elektrycznego.

No i na zakończenie dwa krótkie filmiki:

http://www.youtube.com/watch?v=-w_YV_37ZEY

http://www.youtube.com/watch?v=WkrqjLOpbfg

Latające góry

Latające góry są znakiem firmowym "Avatara".  Wygląda to niesamowicie, gdyż przeczy wszystkiemu co znamy na co dzień z naszego szarego życia.

Góry te zawierają duże ilości Unobtanium, co w połączeniu z efektem Meissnera i silnym polem magnetycznym powoduje że unoszą się one w powietrzu.

Niestety, jeden z astrofizyków poproszonych przez Camerona o konsultacje, sprowadził nas na ziemię: "Aby to by było możliwe, to pole  magnetyczne by musiało by być tak silne, że by wyrywało hemoglobinę ze krwi".

A szkoda…

Biosieć

Najbardziej fascynującym pomysłem zawartym na filmie jest fakt, iż biosfera Pandory, a więc rośliny i zwierzęta, jest połączona w jedną całość, przypominającą gigantyczną sieć komputerową. Ten cały skomplikowany system posiada samoświadomość, i jest czczony przez Na’vich (którzy mogą się kontaktować z nim poprzez "warkocze" zawierające połączenia nerwowe) jako Eyva, Bogini Matka. Ta okoliczność, podobnie jak możliwość łączenia się z zwierzętami wykorzystywanymi jako wierzchowce, wyjaśnia dlaczego Na’vi nie wykształcili cywilizacji naukowo-technicznej, i czemu traktują każdą roślinę czy zwierze jak świętość.

Ciężko jest powiedzieć, o ile w ogóle, jakie to okoliczności ewolucyjnego rozwoju gatunków mogły by doprowadzić do powstania tego systemu. Faktem jest, że osiągnąłby on stan niemalże idealnej równowagi.

Niedawno odkryto, że pewne gatunki bakterii żyjące na morskim dnie, mogą przekazywać między sobą impulsy elektryczne.

Strzały kontra helikoptery

Początkowo byłem sceptyczny co do tego, czy ukazana na filmie scena, w której Na’vi strzałami przebijają kabiny helikopterów jest realna. Ale po wykonaniu kilku prostych obliczeń doszedłem do wniosku, że jest to całkiem możliwe.

Załóżmy, że jeśli strzała ma masę ~0,250 kg (gęstość drewna: 700 kg/m³, długość strzał: ~2m, średnica: 1,5cm) to jej objętość wynosi:

stąd jej masa wyniesie 0,245kg:

Wtedy jej energia kinetyczna dla prędkości 91 m/sek. wynosi 1014 Dżuli:

Dla porównania pociski z AK-47 mają ok. 2000 Dżuli energii kinetycznej (przy masie 8 gram).

Założyłem, że strzały mają prędkość 90 m/s (300 ft/sek), gdyż tyle wynosi prędkość strzały z nowoczesnego długiego łuku. Jeżeli będzie większa, to sami sobie policzcie co z tego by było. Naprawdę ciężko jest określić, jakie możliwości mają łuki na filmie, dlatego proszę to traktować jako pewne przybliżenie.

Warto pamiętać, że wyposażenie strzały w grot z kamienia itp. spowoduje wzrost jej masy, i co za tym idzie istotnie wzmocni jej energię kinetyczną. Poza tym, nie wyposaża się helikopterów w kuloodporne szyby, gdyż są one ciężkie i wrażliwe na drgania.

Dane donośnie strzał itp. wziąłem z tąd:
http://www.hosta.pl/drewno.html
http://www.huntersfriend.com/2007-Carbon-Arrows/arrow-selection-guide5.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/7.62x39mm

I to by było na razie tyle.

OK, dzisiaj zajmiemy się czymś poważnym. Wbrew tytułowi nie będzie to kolejna recenzja najnowszego filmowego superprzeboju.

Zajmiemy się fizyką, astronomią i innymi zagadnieniami naukowo-technicznymi, dla których inspiracją może być świat przedstawiony na dużym ekranie. Można też pokusić się odpowiedzi na pytanie na ile z tego wszystkiego jest fantazją pana Camerona, a na ile jest rzeczą znajdującą się w zasięgu nauki i techniki.

Na początek małe ostrzeżenie: nawet tacy klasycy jak Juliusz Verne, Arthur C. Clarke czy Stanisław Lem naginali prawa fizyki itp. o ile było to potrzebne do zawiązania fabuły. Nie będę się zajmował np. tym, czy flora i fauna Pandory jest realna, ani tez tym, jakie są szanse na to, aby ewentualne istoty pozaziemskie wyglądały by jak Na’vi na filmie. Jest to kompletnie bez sensu, gdyż te elementy są od początku pomyślane jako czysta fantazja, służące opowiedzeniu pewnej historii.

Poszczególne zagadnienia będą omawiana z grubsza w kolejności ich ukazywania się na ekranie. A więc, zaczynamy:

Alfa Centauri

Krótko z Wikipedii: Alfa Centauri jest trzecią co do jasności gwiazdą na niebie (jasność obserwowana układu: -0,27m; wielkość absolutna: +4,4m). Jaśniejsze są tylko Syriusz i Kanopus (nie licząc Słońca). Znajduje się ona w gwiazdozbiorze Centaura i nie jest widoczna z północnych szerokości geograficznych (powyżej równoleżnika 29 N). Alfa Centauri to właściwie system składający się z trzech gwiazd tworzących układ potrójny. Te trzy gwiazdy są najbliższymi gwiazdami od Ziemi (po Słońcu).

Porównanie wielkości składników Alfy Centauri i Słońca.

Alfa Centauri jest gwiazdą podwójną, składającą się z dwóch gwiazd Alfa Centauri A i Alfa Centauri B. Odległość od Ziemi wynosi 4,36 lata świetlne. Elipsa orbity gwiazd ma ekscentryczność 0,52, minimalna odległość między gwiazdami wynosi 11,2 j.a., średnia 23,7 j.a., maksymalna 35,6 j.a. (j.a. – jednostka astronomiczna, 1 j.a. = odległość Ziemi od Słońca, czyli ok 150 mln km). Okres obiegu wynosi 80 lat.

Orbita składnika B wokół składnika A

Alfa Centauri A, większa z dwóch gwiazd, jest bardzo podobna do naszego Słońca. Ma taki sam typ widmowy G2V, ale jest nieco bardziej masywna (1,09 masy Słońca) i przez to o połowę jaśniejsza. Alfa Centauri B ma masę wynoszącą 0,9 masy Słońca, typ widmowy K0-1 V, jasność wynoszącą tylko połowę jasności Słońca. Temperatura składnika A wynosi 5800K, a składnika B natomiast 5300K (Słońce ma ok. 5500K, co wskazuje na to, że widmo światła emitowanego przez Alfa Centauri A jest przesunięte ku ultrafioletowi, zgodnie z prawem Wiena).

Do układu Alfa Centauri zaliczana jest też oddalona od większych składników gwiazda Alfa Centauri C, znana także jako Proxima Centauri. Alfa Centauri C jest odległa o 4,22 lata świetlne od Słońca, czemu zawdzięcza swą nazwę Proxima Centauri (proxima – łac. najbliższa). Na niebie gwiazda jest znacznie oddalona od głównej gwiazdy Alfa Centauri i jest widoczna tylko przez teleskop.

Zdjęcia Alfy Centauri, dostępne na serwerze Wiki Sky:

http://server6.wikisky.org/?img_source=IMG_150:all&ra=14.659972&…

http://server1.wikisky.org/star_dss_image.jsp?ra=14.659972&de=…

Polifem

Jest fikcyjnym gazowym gigantem, orbitującym wokół Alfa Centauri A. Niestety, układ podwójny nie sprzyja tworzeniu się gazowych gigantów, dlatego jego istnienie to czysta fantazja.

Jednak istnienie gazowych olbrzymów, i planet w ogólności wokół innych gwiazd jest faktem i każdego roku astronomowie odnajdują coraz to nowe egzoplanety. Według Encyklopedii Pozasłonecznych Układów Planetarnych znamy obecnie już 429 takich planet. Większość z nich to gazowe olbrzymy i masywne "super-Ziemie" (jak np. Gliese 581 d w gwiazdozbiorze Liry).

Przykładowe zdjęcie gwiazdy i jej planet: gwiazda HR 8799 i jej trzy planety, gazowe giganty ok. 10 razy większe od Jowisza.

Wpływ gazowego olbrzyma na orbitujące wokół niego księżyce jest dość poważny. Wystarczy spojrzeć na Jowisza i jego księżyce, Io i Europa. Ten pierwszy jest permanentnie targany intensywnymi siłami przypływowymi (wynikającymi z grawitacji Jowisza), których efektem jest aktywność wulkaniczna na tym księżycu. Z kolei Europa, skuta lodem, najprawdopodobniej posiada pod nim płynną wodę, co może być przyczynkiem do istnienia tam życia.
 

Księżyc Pandora

Pandora, życiodajny księżyc orbitujący wokół Polifema, jest miejscem akcji filmu. Istnienia księżyców wokół odkrytych egzoplanet nie udało się póki co potwierdzić, ale istnienia absolutnie nie można wykluczyć. Barierą są możliwości współczesnych metod używanych przez astronomów do poszukiwania egzoplanet. "Gdyby Pandora istniała, to moglibyśmy wykryć ją i badać jej atmosferę już w następnej dekadzie" -powiedziała Lisa Kaltenegger z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Na forum avatar-forum.pl użytkownik Luke dokanał bardzo pomysłowych obliczeń parametrów orbity Pandory i rozmiarów Polifema. Gorąco polecam lekturę tego wątku, podobnie jak innego, w którym Luke uważa, że Pandora znajduje się w synchronicznej rotacji, podobnie jak Ziemia i Księżyc.

średnica biegunowa Polifema: 99606 km
średnica równikowa Polifema: 105357 km
masa Polifema: 5,78908 * 1026 kg.
odległość między Pandorą a Polifemem: 212234 km
czas jednego obiegu Pandory wokół Polifema: 27 i pół godziny
czas trwania globalnej nocy na Pandorze: 2 godziny
 

Statek międzygwiezdny "Venture Star"

Koncern RDA do transportu ludzi sprzętu na Pandorę oraz rudy Unobtanium w drugą stronę wykorzystuje statek międzygwiezdny "Venture Star". Sama konstrukcja statku ukazana na filmie mocno odbiega od tego do czego przyzwyczaiły nas stereotypowe wyobrażenia z innych filmów. Zamiast litego kadłuba, statek jest zbudowany z modułów umieszczonych na kratownicy, z czego przedział załogowy jest miniaturowy w porównaniu z silnikiem. Rozgrzane do czerwoności radiatory nadają mu więcej realizmu, gdyż każdy napęd podczas pracy wytwarza dużo nadmiarowego, zbędnego ciepła. Oddalenie załogi od silnika ma też inne uzasadnienie: podczas reakcji jądrowych i anihilacji wytwarza się sporo szkodliwego promieniowania, przed którym najprościej jest się bronić poprzez zwiększenie odległości.

Jeden rok świetlny (czyli odległość jaką światło pokonuje w ciągu roku) to jest, bagatela, 9 460 730 472 580 kilometrów. A do Alfy Centauri jest przeszło 4,3 l.ś… Same podróże międzygwiezdne są możliwe, ale żeby odbyły się one w akceptowalnym przedziale czasowym, to statki muszą rozwijać prędkość będącą poważnym odsetkiem prędkości światła w próżni, która jest największą szybkością w przyrodzie i jest oznaczana w fizyce literą c.

Twórcy filmu zrezygnowali z podróży nadświetlnych z wykorzystaniem np. zakrzywiania przestrzeni i innych pomysłów które na gruncie współczesnej fizyki wydają się wątpliwe, i postawili na podróże z prędkościami podświetlnymi. Podróże takie trwały by długie lata, a do tego można spokojnie zapomnieć o szybkim hamowaniu i rozpędzaniu się, oraz o podróżowaniu z szybkością równą lub prawi równą szybkości c.

Prawa fizyki są nieubłagane: często o tym zapomina się na "Gwiezdnych Wojnach" i "Star Treku", gdzie statki kosmiczne szybują i rozpędzają się błyskawicznie w przeciągu godzin i minut do szybkości podświetlnych, co jest możliwe o ile posiadamy odpowiedni napęd, ale zabójcze dla załogi. W takich przypadkach zapomina się istnieniu przeciążenia, czyli wzrostu ciężaru bezwładnych przedmiotów wewnątrz statku.

Statkowi kosmicznemu prędkość, zgodnie z II Zasadą Newtona ("jeżeli na ciało działa siła, to porusza się ono ruchem przyspieszonym"), nadają silniki działające nań pewną siłą, która poprzez sam statek działa na wszystko co się znajduje na pokładzie. Jaka jest różnica pomiędzy młotkiem spadającym na głowę, a  zagłówkiem fotela, który działa siłą na pasażera? Z punktu widzenia fizyki nie ma żadnej.

W praktyce miarą przyspieszenia jest 1g = 10 m/s², co stanowi przyspieszenie jakie doznaje ciało w polu grawitacyjnym Ziemi. Na pokładzie statku kosmicznego z takim przyspieszeniem panuje przeciążenie 1g. W przypadku dwukrotnie większego przyspieszenia przeciążenie wynosi 2g itp.

Z przeciążeniami możemy spotkać się podczas jazdy samochodem, gdy na zakrętach siła odśrodkowa rzuca pasażerami na boki. Piloci myśliwców doznają przeciążeń znacznie większych, dlatego noszą specjalne kombinezony (por. zdjęcie obok ->) ściskające kończyny dolne i uda, aby zapobiec utracie krwi z głowy. Konsekwencją tego ostatniego jest zjawisko zwane w żargonie "black-outem", czyli "zaćmieniem".

Można by do szybkości 100 000 km/sek. (~0.3c) przyspieszyć w nieco ponad godzinę, ale trzeba by było użyć przyspieszenia 100g (wzrost szybkości o 1000 m/s co sekundę)! Wyobraźmy sobie, co by się działo na pokładzie, gdyby nagle ciężar astronautów i wszystkiego wokół nich wzrósł stukrotnie…

Jako przykład science-fiction które uwzględnia podstawowe prawa fizyki w tym zakresie można podać komiks i powieść "Wieczna Wojna" (napisanej przez Joego Haldemana, z zawodu wykładowcę fizyki), gdzie kosmiczni marines używali urządzeń, które poprzez "napompowanie" ciała specjalnym płynem pozwalały załodze przeżyć przyspieszenia rzędu kilkudziesięciu g:

Dlatego więc, aby ograniczyć przyspieszenia do poziomu akceptowalnego i nieszkodliwego, wszelkie manewry rozpędzania i hamowania musiały by być rozłożone na miesiące. Przyspieszenie do 0.7c zajęło by przy 3g (które każdy człowiek może znieść, choć z trudem) ok. 81 dni (przy 1,5g dwa razy dłużej itp.)

A dlaczego 0.7c? Tyle wynosić średnia prędkość statku. Zgodnie z transformacją Lorentza (którą Einstein wykorzystał do swojej szczególnej teorii względności) przy prędkości 0.7c relatywistyczna masa ciała wzrasta ok. 1,4 raza. Większa masa, to większa bezwładność, i co za tym idzie konieczność użycia większej siły w celu nadania ciału przyspieszenia (=większe zużycie paliwa).

Przy prędkości c masa wzrasta nieskończenie. Dlatego podróże z szybkościami bardzo bliskimi c są niemożliwe, nie mówiąc o prędkości 100% c. Jedynie cząstki nie posiadające masy spoczynkowej, jak fotony, mogą poruszać się z szybkością c.

W przypadku prędkości powyżej 40% c daje znać o sobie zjawisko dylatacji czasu, dzięki czemu czas na pokładzie upływa wolniej, niż w nieruchowym układzie odniesienia. Technicy podczas wybudzania pasażerów mówią im, ze podróż trwała "pięć lat, dziewięć miesięcy i dwadzieścia dwa dni " odejmijmy od tego, czas potrzebny na przyspieszanie i hamowanie, i wychodzi że na pokładzie upłynie ok. trzech lat.

Zgodnie z tym co jest napisane w Pandorapedi "Venture Star" jest napędzany antymaterią. Napęd na antymaterię jest teoretycznie możliwy, i jest faktycznie jedynym rozwiązaniem dla tak dalekich podróży, jeżeli by miały odbywać się w czasie krótszym niż jedno ludzkie życie. W procesie anihilacji cała masa jest zamieniona w energię kwantów promieniowania gamma.

Reakcja 1 kilograma antymaterii z jednym kilogramem materii wyzwoliłoby energię rzędu 1,8*10¹⁷ Dżuli, co odpowiada eksplozji 43 megaton trotylu, gdyż zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E=mc² , cała masa zostaje w całości zamieniona w energię.

Podróż na Marsa wymagałaby ok. czterech miligramów pozytonów – tak mikroskopijna ilość paliwa zupełnie zmienia podejście do konstrukcji rakiet i ich napędu. Ale produkcja antymaterii jest jednak obecnie b. droga.

Na stronie CERNu informuje się, że wyprodukowanie jednej bilionowej grama kosztowało kilkaset milionów franków szwajcarskich i zajęło 10 lat. Jest jednak pewne światełko w tunelu. Niecałe dwa lata temu udało się wyprodukować bardzo duże ilości pozytonów, w liczbie 100 miliardów, w Lawrence Livermore National Laboratory, poprzez użycie lasera i atomów złota.

Antymateria nie może być przechowywana w zwykłych zbiornikach; jej kontakt z materią błyskawicznie doprowadza do anihilacji. Pozytony i inne anty-cząstki naładowane trzeba przechowywać w polu magnetycznym. To wyjaśnia, dlaczego "Venture Star" posiada dodatkowo reaktor termojądrowy, używany do podtrzymania pułapek magnetycznych dla antymaterii.

Hibernacja

Ten zabieg jest powszechny w science-fiction, gdyż jest rozsądnym środkiem na uśpienie części załogi na okres wieloletniej podróży, tak, aby załoga nie zużywała bezcennych zapasów tlenu, żywności itp. Niestety, naturalna hibernacja u ludzi, na podobieństwo tej u zwierząt, jest niemożliwa.

Istnieje dział nauki i techniki zwany krioniką, który ma więcej wspólnego z ekscentrycznym sposobem pochówku niż rzeczywistym odpowiednikiem hibernacji znanej z SF. Polega ona na zamrożeniu ludzkich zwłok w ciekłym azocie krótko po stwierdzeniu śmierci klinicznej tak, aby po latach (wiekach?) stało się możliwe przywrócenie do życia danej osoby.

Przeprowadzono już wiele eksperymentów na zwierzętach, związanych z zamrażaniem na pewien okres czasu ciała po spuszczeniu z niego krwi i zastąpieniu jej przez roztwór zamrażający. Następnie postępowano odwrotnie przy ożywianiu. Mimo sukcesów, u sporego odsetku zwierząt stwierdzono uszkodzenia mózgu, co rzecz jasna wyklucza testowanie tej metody u ludzi.

Z tego co mi wiadomo niedawno dr Mark Roth przeprowadził udane eksperymenty na myszach (które nie potrafią naturalnie hibernować się) z użyciem precyzyjnie dobranej dawki siarkowodoru, tak aby spowolnić procesy życiowe do poziomu absolutnie minimalnego. U ludzi dodatkowo trzeba by było obniżyć temperaturę ciała.

Tymczasem amerykańska agencja DARPA, pracująca dla wojska, bada możliwość zastosowania hibernacji do podtrzymywania życia ciężko rannych żołnierzy w drodze do szpitala polowego, z zastosowaniem wspomnianego wcześniej siarkowodoru lub specjalnych enzymów.

Prom kosmiczny Walkiria

Na filmie ten pojazd jest wykorzystywany przez ludzi do wożenia ładunków i ludzi z orbity do bazy na powierzchni planety. Jest pojazdem kosmicznym wielokrotnego użytku (na podobieństwo do współczesnego promu kosmicznego) z tą różnicą że startuje i porusza się jak zwykły samolot (amerykański prom kosmiczny startuje jak klasyczna rakieta, korzystając z pomocy dwóch rakiet na paliwo stałe, oraz dużego zbiornika na paliwo).

Najprawdopodobniej wyposażony w silniki typu SCRAMJET w wariancie przekształcającym się płynnie w czasie wznoszenia w silnik rakietowy, poprzez uzupełnianie niedoboru tlenu w powietrzu  (którego ilość maleje wraz z wysokością) tlenem ze zbiorników paliwa (inne silniki np. SABRE, wykorzystują przechłodzone powietrze), oraz cztery odchylane silniki turboodrzutowe do lotu w atmosferze oraz manewrów pionowego startu i lądowania.

Taki pojazd to żadne science-fiction, ale jak najbardziej konkretny dział techniki lotniczej i kosmicznej. Na początku Konstanty Ciołkowski, pioner i teoretyk astronautyki, zauważył że jeżeli samolot posiada napęd rakietowy, to wówczas nie ma limitu wysokości osiągalnej przez niego., co można wykorzystać jdo osiągnięcia orbity okołoziemskiej. Użycie rakietoplanu do transportu na orbitę jest o tyle atrakcyjne, że obniża koszty, eliminuję konieczność używania kosztownych klasycznych rakiet oraz gwarantuje większe bezpieczeństwo poprzez sam fakt podobieństwa w istocie działania pojazdu do samolotu.

W zeszłym roku NASA przeprowadziło  udany test bezzałogowego pojazdu X-41, który wyposażony w scramjet osiągnął prędkość 9.6 Machów, czyli prawie dziesięć razy większą od prędkości dźwięku w powietrzu:

Trzeba pamiętać, że ewentualny start takiego promu najlepiej żeby był wspomagany dodatkowymi rakietami pomocniczymi, lub też żeby pojazd był wyniesiony do stratosfery na grzbiecie samolotu transportowego (co było pierwotnym pomysłem przy opracowywaniu amerykańskiego Space Shuttle, czy radzieckiego rakietoplanu Albatros), w celu zaoszczędzenia paliwa i masy pojazdu.

Jedna z pierwszych propozycji Space Shuttle z lat 70-tych XX wieku.

Rosjanie i Amerykanie eksperymentowali z rakietoplanami już w latach 50-tych i 60-tych, rozważając wiele konstrukcji przykładem niech będzie DYNA-SOAR czy X-30 (oba projekty skasowano), jak i radzieckie konstrukcje MiG-105-11 (przeszedł kilka lotów ślizgowych) i Spiral OS (studium teoretyczne):

Po lewej amerykański Dyna-Soar, po prawej radziecki MiG-105.

Przykładem konstrukcji będących w opracowaniu może być indyjski "Avatar" (startujący na szczycie klasycznej rakiety nośnej) czy brytyjski Skylon firmy Reactions Engines:

Po lewej: artystyczna wizja Skylon’a w czasie lotu na orbitę, po prawej: model "Avatara".

Udane próby przechodzi w ostatnich latach prywatny statek suborbitalny SpaceShipTwo, bazujący na pomyśle samolotu-matki, pomyślany jako pierwszy komercyjny statek kosmiczny, dający pasażerom siedem minut lotu ponad atmosferą Ziemi.

Poniżej, animacja pokazująca przewidziany lot takiego pojazdu:

Walkiria na filmie jest ukazana jako maszyna zdolna do pionowego startu i lądowania (VTOL – Vertical Take-Off and Landing). Takie pojazdy do nic nowego: wystarczy wspomnieć słynnego brytyjskiego Harriera, radzieckiego Jaka-141 czy amerykańskiego V-22 Osprey i F-35 Lightning. W przypadku samolotów odrzutowych stosuje się odchylane dysze wylotowe nośne i sterujące.

Jak-141 z odchylonymi dyszami podczas lotu pionowego.

Tego typu samoloty sprawiają duże problemy związane ze sterowaniem czy wydajnością silników. V-22 zaliczył już kilka kraks spowodowanych awarią komputerów pokładowych. Zaletą tego typu maszyn jest brak wymagania długich pasów startowych, co jest istotne z punktu widzenia np. lotniskowców czy lotnisk w trudnych warunkach polowych (np. na pustyni czy terenach podmokłych), oraz możliwość zastąpienia helikopterów w pewnych sytuacjach. W jednej ze scen Walkiria leci powoli z silnikami w pozycji nośnej – w takiej sytuacji problemem jest b. duże zużycie paliwa i ryzyko utraty sterowności w przypadku awarii jednego z silników (co wykorzystuje bohater filmu w czasie finałowej bitwy).

W następnym odcinku: Unobtanium, nadprzewodniki, klonowanie, awatary, egzoszkielety, latające góry i biosieci.

Część Druga.

Ilustracje: Wikipedia, Astronautix.com, yorkbbs.ca.

Richard Phillips Feynman [ˈɹɪtʃɝd ˈfɪlɪps ˈfaɪnmən (ur. 11 maja 1918 w Nowym Jorku, zm. 15 lutego 1988 w Los Angeles) – amerykański fizyk teoretyk. Jeden z głównych twórców elektrodynamiki kwantowej, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1965 za niezależne stworzenie relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej.

(wikipedia)

http://www.youtube.com/watch?v=MPShz5TOffk

Nie będę ukrywał, że podoba mi się uwaga Feynmana na temat tego, że nauka nie zajmuje się rozwiązywaniem problemów filozoficznych, ale po prostu dociekaniem tego, jaki jest świat, jednocześnie zakładając ciągłe wątpienie, zabezpieczające nas przed naiwnym scjentyzmem. Dodam od siebie, że nauka sama w sobie nie jest ani teistyczna, ani ateistyczna, ani agnostyczna, a wojujący ateiści umieszczając ją i racjonalizm na swoich sztandarach szkodzą im obu.>

Co ciekawe, Feynman nie lubił terminu "nauki społeczne":

http://www.youtube.com/watch?v=_EZcpTTjjXY&NR=1