항성간 비행 중 충돌의 위험성

성간 매질(ISM)의 희박한 가스와 먼지 때문에, 광속(c)의 작은 비율로 이동하는 우주선조차 ISM과 사실상 끊임없이 충돌하며 방출되는 에너지를 고려해야 한다. 우주선이 광속에 가까워질수록 위험은 커진다. ISM의 대부분을 구성하는 양성자와의 충돌은 비교적 무해하지만, 극도로 작은 먼지 입자는 충분히 흔해 여러 형태의 차폐에 심각한 손상을 일으킬 수 있다. 속도가 높을수록 특히 그렇다.
이는 상대론적 운동 에너지 공식으로 설명된다:

K=mc²(gamma -1), 여기서 gamma = 1/sqrt(1-(v/c)²)

0.3 c에서, 1밀리그램 충돌은 4.3456e+09 J의 에너지를 방출하며, 이는 화학 고폭약 1톤과 동등하다. 0.9 c에서 이 수치는 1.1647e+11 J로 상승하고, 0.99c로 이동하는 우주선의 경우 5.4799e+11 J이다.

성간 매질로 인한 침식

성간 매질의 평균 밀도가 세제곱 센티미터당 1개 입자라고 가정하면, 0.3 c에서 우주선의 전방 차폐는 이동한 광년당 제곱 센티미터당 1E+18개의 ISM 입자와 조우한다. 각 충돌이 차폐에서 원자 2개를 밀어낸다면, 광년을 이동할 때마다 제곱 센티미터당 원자 2E+18개가 손실된다. 탄소 차폐라면 이는 광년당 제곱 센티미터당 40마이크로그램의 손실에 해당한다. 따라서, 1 cm 두께의 차폐는 관통되기 전에 25,000광년의 항해를 견딜 수 있다. 그러나 높은 상대론적 속도에서는 시공간 수축이 충분히 중요하여 유효 ISM 밀도가 증가한다.

그 결과, 광속의 40% 이상의 속도로 이동하는 항성간 우주선은 상당한 차폐를 사용해야 한다. 차폐 설계의 세부 사항은 다양하지만, 대부분의 차폐는 주 상부 구조의 단면보다 큰 원반 또는 돔 형태로, 그렇게 해서 우주선의 나머지 부분을 그늘처럼 가린다. 방사선 차폐는 일반적으로 ISM의 열유속으로부터 우주선을 보호하는 역할을 하는 주 차폐와 별개로 간주된다.

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차폐막의 종류

질량 차폐

초기 성간 임무(행성간 시대(Interplanetary Age)부터 테크노칼립스(Technocalypse)까지)는 텅스텐강이나 강력한 탄소 동소체로 만든 차폐막을 사용했으며, 일부 초기 임무는 강화 얼음으로 짠 나노튜브를 사용했다. 그러나 얼음 자체만으로는 성간 공간에서 마주치는 먼지, 특히 먼지가 특히 풍부한 태양 주변 공간의 먼지로부터 보호하기에 충분한 항복 강도를 갖지 못한다.

탄소 차폐막

탄소 차폐막은 탄소가 흔하고 승화 온도가 높아 널리 쓰인다. 탄소 나노튜브 차폐막도 높은 강도 때문에 자주 사용된다.

광속의 97.8%를 넘으면 탄소 차폐막은 사용되지 않게 되지만, 더 높은 속도로 짧게 항해하는 경우에는 여전히 쓰이는 모습을 드물지 않게 볼 수 있다.

스마트 물질 차폐막

반복적인 충돌이나 비정상적으로 큰 충돌로 생긴 손상을 수리하기 위해, 많은 질량 차폐막은 외부 표면 아래에 스마트 물질 네트워크를 둔다. 이 네트워크는 우주선이 항해하는 동안 차폐막을 수리하고 재건할 수 있다. 이러한 수리는 보통 튜브와 모세관 네트워크를 통해 운반된 뒤 신속하게 조립되는 밀착 패치 형태를 띤다.

모노폴 증강 물질:

모노폴 증강 물질 차폐막은 1116 AT에 제2특이점(Second Singularity) 고등 초월지성(Transapient)가 출현한 후 일반적으로 사용되기 시작했다. MAM으로 약칭되는 이 유형의 차폐막은 기존 물질과 마그매터 차폐 사이의 중간 단계이다. 거대 모노폴이 기존 질량 차폐막과 결합해 밀도를 높이고, 그만큼 성간 매질에 대한 보호력도 높인다. 양성자가 여전히 차폐막의 상당 부분을 구성하므로, 마그매터만큼 밀도가 높지는 않다.

MAM 차폐막은 마그매터를 제외한 다른 질량 기반 차폐 방법보다 무겁다. 이로 인해 낮은 질량이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않다. 이 때문에 자기 차폐막과 선행 레이저가 MAM 자체보다 더 일반적인 차폐 옵션으로 계속 쓰인다. 그러나 이러한 시스템은 작동하는 데 에너지가 필요한 반면 MAM 차폐막은 그렇지 않다. MAM 차폐막은 모든 속도 영역에서 효과적이지만, 자기 차폐막과 선구자 레이저처럼 광속의 0.25에서 0.8 사이의 속도에서 가장 자주 사용된다.

휘플 차폐막:

우주선 설계가 개선되고 순항 속도가 증가함에 따라, 휘플 차폐막은 더 큰 질량 효율성 때문에 더 단일체적인 설계보다 자주 쓰인다. 전형적인 단일체 차폐막(예: 얼음, MAM)은 충돌로부터 에너지를 분산시키는 메커니즘이 없어서 크레이터 생성이 악화된다.

휘플 차폐막은 차폐막을 여러 층으로 분리하고 그 사이에 간격(스탠드오프라고 하는)을 두어 이를 개선한다. 첫 번째 층은 들어오는 입자를 막거나 에너지를 많이 제거할 것으로 기대되지 않으며, 오히려 이를 부수고 에너지를 더 넓은 영역에 분산시킨다. 따라서 후속 층이 입자를 막기가 더 쉽다. 경우에 따라 첫 번째 층이 실제로 발사체의 에너지를 많이 제거할 수도 있다.

휘플 차폐 장치는 선박의 속도가 증가하거나 감소하면 최적 성능을 내도록 능동적으로 재구성되며, 각 층 사이의 스탠드오프 간격과 같은 매개변수를 조정한다. 대부분의 시스템은 또한 충돌체의 이온화된 잔해를 선박으로부터 멀리 유도하기 위해 각 층에 자기장을 통합한다.

액적 차폐막:

광속의 35-55% 속도에서는 액적 차폐막이 가장 효과적인 물질 기반 보호 유형이다. 액적 차폐막은 퀴리점 이상으로 가열된 액체 금속 액적으로 구성된다(퀴리점은 특정 물질이 영구 자성을 잃는 온도이며, 대체로 유도 자성으로 대체될 수 있다.). 액적은 우주선의 선수에 있는 일련의 노즐에서 방출되며, 자기장이 액적을 의도된 궤적에 유지한다. 자기적으로 조작할 수 있기 때문에 액적 차폐막은 우주선 선체로부터 어떤 거리에도 있을 수 있다. 액적이 퀴리점 아래로 냉각되기 시작하면 자기장에 의해 다시 끌어당겨져 재활용된다. 필연적으로 입자가 충돌하면서 일부 액적이 시간이 지남에 따라 손실되지만, 이는 광속의 55% 미만의 속도에서는 중요하지 않다.

자기 차폐와 선행 레이저:

선행 레이저와 결합된 자기 차폐는 가장 흔한 차폐 방법 중 하나이다. 센티미터 너비의 레이저 빔 배열은 성간 매질을 이온화하는 데 쓰이며, 자기장은 이렇게 전하를 띤 입자들을 우주선에서 밀어낸다. 성간 매질을 이온화하기 위해 레이저 자체에는 0.1 PW/m2의 강도가 필요하다.

선행 레이저는 우주선을 위협할 수 있는 더 큰 잔해를 제거하는 데도 쓰일 수 있다. 하지만 광학 장치가 입자의 충격을 받으면 성능이 저하되고 침식되지만, 자기 차폐가 전하를 띤 입자를 밀어내는 데 실패할 경우에만 그렇다. 방울 보호막(Droplet shield)와 마찬가지로 이 시스템은 고에너지 방사선으로부터 어떤 보호도 제공하지 않지만, 필요한 방사선 차폐 질량은 매우 낮다. 이 차폐는 사실상 모든 속도 영역에서 효과적이다.

단극자 증강 자기장 생성:

성간 여행의 중간 속도에서 작동하는 자기 차폐는 상당히 강한 자기장을 요구한다. 하지만 초전도 물질과 자기 단극자를 결합해 필요한 자기장 강도를 만들어내므로 큰 문제는 아니다. 자기장에 포함된 에너지는 상당하지만, 속도가 증가하면 크게 감소한다 — 예를 들어, 자기장은 테슬라 단위의 자기장 강도 제곱에 400 kJ/m^3에 가까운 에너지 밀도를 가지기 때문에, 40% 광속에서 작동하는 자기 차폐의 9350 T 자기장 강도는 그 자기장이 존재하는 공간의 입방미터당 34.96 테라줄의 에너지가 있다는 것을 의미한다. 광속의 70%에서는 입방미터당 0.5 테라줄이다. 단극자를 자기장 생성에 사용하므로, 자기장은 전류 루프보다 더 멀리까지 뻗는다 - 1/r^3이 아니라 1/r^2로 감소한다.

자기 단극자에 대한 모든 격리 설계는 상호 반발을 고려해야 하며, 그렇지 않으면 흩어질 것이다. 단극자의 격리가 실패하면, 방출되는 에너지는 우주선의 대부분을, 전부는 아니더라도 파괴할 것이다.

단극자 기반 자기장 생성기는 격리 과정 측면에서 자기 차폐와 이온화 레이저보다 에너지 효율이 낮고 위험하므로, 후자가 훨씬 더 흔하다. 게다가, 자기 차폐와 레이저 시스템은 단극자 기반 자기 차폐와 달리 출력을 쉽게 조정할 수 있다. 하지만 단극자 기반 시스템도 바로 그 이유로 바람직하다 — 전기 공급 없이도 계속 작동할 것이다.

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갓텍(Godtech) 차폐

공허 버블(Void Bubble) 차폐:

공허 버블 차폐는 제5특이점(Fifth Singularity) 이상에서 사용 가능하며 두 가지 주요 유형이 있다.

1. '내장형' 자기 차폐

1급 기술(Class I)과 II급(Class II) 헤일로 드라이브 모두 우주선을 구동하기 위해 자기 결합을 활용하기 때문에, 이러한 자기장은 자기 차폐로 재활용될 수도 있다. 생성기 자체는 공허 버블 안에 숨겨져 본질적으로 보이지 않는다.

공허 버블은 외부보다 내부가 더 크기 때문에, 공허 버블의 외부 크기가 피코미터에서 수십 나노미터 범위로 유지되는 동안 거대한 자기장 생성기를 사용할 수 있다. 제5특이점 공허 버블은 중첩 구성으로도 작동할 수 있으며, 공허 버블의 외부 크기에 비해 전체 질량이 너무 높아져서 사건의 지평선이 형성되지 않는 한 생성할 수 있는 자기장 강도를 더욱 증가시킨다.

1 피코미터 반지름 버블의 질량 한계는 1.49e15kg이므로 수십억 톤에 달하는 자기 차폐 생성기를 사용할 수 있다.

2. 중력 전환 차폐

**계량 차폐**라고도 한다. 공허 버블은 중력 작용으로 입자와 거시적 양의 물질을 우주선에 닿지 않게 돌려보내는 헤일로 기술의 변형으로도 쓰일 수 있다. 대체로, 중력 전환은 우주선을 완전히 보호하기에 충분하지 않으며 다른 더 전통적인 보호 시스템을 보강할 뿐이다.

공허 버블 차폐 시스템은 우주선 설계에 따라 개별적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

공허선(Void Ship)들:

공허선에 대해 관찰된 것이 거의 없지만, 그런 선박의 가장 바깥쪽 공허 버블은 내장 차폐처럼 작용해 입자가 우주선 자체에 닿지 않도록 돌려보내는 것으로 보인다. 공허선의 작은 단면적(~1000nm 직경)도 성간 매질이나 가끔 나타나는 거시적 장애물과 상호작용할 확률을 극히 낮게 만든다.