Warpmotorn och de tidigaste warpskeppsprojekten

Introduktion

En warpmotor fungerar genom att förvränga rumtidskontinuumet, så att farkosten skickas in i subrymden, och farkostens skenbara massa minskar. Warpmotorn åstadkommer detta genom att generera flera warpfält som tillsammans skapar en subrymdsbubbla runt farkosten (subrymdsbubblan håller m.a.o. farkosten skild från den normala rymden). Så snart farkostens effektiva massa - och därmed tröghet - har minskats kan farkosten acceleras till mycket höga hastigheter utan att det krävs en drastisk ökning av den tillförda energin. Motorn "warpar" rymden framför farkosten (rymden komprimeras) och bakom farkosten (rymden expanderas).

Strängt taget är farkosten stationär i förhållande till rymden inuti bubblan, medan rymden utanför bubblan kan röra sig med oerhörd hastighet (många gånger högre än ljusets, (c)). Detta betyder också att farkosten inte längre lyder under Einsteins allmänna relativitetsteori, där det normalt skulle krävas oändliga mängder energi för att bryta igenom ljushastighetsbarriären (Skälet är att teorin i princip bara kan tillämpas på den lokala rymden, som ju här inte rör sig).

Eftersom det är rymden som s.a.s. acceleras eller bromsas upp utanför bubblan, medan farkosten själv är "i vila", utsätts farkosten varken för accelerations- eller retardationskrafter, och tiden rör sig med samma hastighet inuti skeppet som utanför bubblan.

Övergången till subrymden möjliggörs genom en procedur uppdelad på flera steg: En materia-antimateriareaktion skapar väldiga mängder energi, som tillförs motorgondolerna. Motorgondolerna genererar warpfält som pressar på varandra i cykler (fälten är skiktade ungefär som i en lök. Varje skikt pressar på det närmaste yttre skiktet med en bestämd kraft. Detta upprepas i en slinga så länge farkosten färdas i warpfart (Figur 8)). Materia-antimateriareaktionen äger rum i warpkärnan, medan själva warpfälten skapas av motorgondolerna. En warpmotor förlitar sig primärt på tre beståndsdelar; warpkärnan, rörledningar för kraftöverföringen och warpmotorgondolerna. Warpkärnan producerar inte bara kraft till skeppets framdrivningssystem, utan är också skeppets huvudsakliga kraftkälla, och levererar energi till samtliga system ombord.

Figur 2. Fältspole

Förenklat fungerar warpkärnan på så sätt att tungt väte (deuterium), och tungt antiväte (antideuterium) upphettas, varvid det bildas gaser. Gaserna reagerar med varandra och omvandlas till energi. Reaktionen som kontrolleras med dilitiumkristaller, överför den skapade energin till en plasmaström som delas upp i två delar, och routas till vardera motorgondol. I motorgondolerna används plasmat för att ge kraft åt warpfältsspolar (tillverkade av verteriumkortenid) (Figur 2 och 3). När fältspolarna tillförs energi, ändras energifrekvensen i plasmat, och warpfälten skapas. Motorgondolerna samverkar på ett sätt så att flera warpfält formas runt skeppet. Genom att manipulera dessa fält kan rymdskeppet bryta igenom ljushastighetsbarriären.

Fältspolarna i motorgondolerna tillförs energi i form av pulser, och i en följd, från för till akter. Energin distribueras oerhört fort, i typfallet med mellan 50 till 90 procent av ljushastigheten. Hur snabbt energipulserna avfyras, dvs pulsfrekvensen, är avgörande för hur många lager av fält som bildas. Ju fler fält desto högre hastighet. Varje lager påverkar det närmaste yttre lagret med ett kontrollerat tryck, och det ackumulerade trycket från fälten driver farkosten framåt. Effekten är känd som asymmetrisk peristaltisk fältmanipulering (APFM). Övergången till subrymden minskar också farkosten tröghet, så att farkosten kan "surfa" på vågrörelsen som skapas av den snabba förflyttningen av trycket från warpfälten. Varje vågtopp motsvarar ett warpfält, och antalet vågtoppar per tidsenhet avgör farkostens hastighet.

Figur 3. Motorgondol

Warpfälten mäts efter hur mycket subrymdstryck de påverkar med (antal cochrane). Fält som är under warp 1 mäts i enheter som är tusentals gånger mindre (millicochrane). Ett fält som är på en cochrane eller mer motsvarar ett skapat warpfält. Warpskalan har definerats på så sätt att warp 10 är detsamma som oändlig hastighet.

När warpfältet utövar ett tryck som närmar sig det som krävs för att nå warp 10, ökar kraftbehovet dramatiskt, och warpmotorns effekt faller. Hastigheter under warp 10 kan representeras med en exponentiell kurva. Ett skepp som färdas med warp 1 rör sig med hastigheten c, ett skepp som färdas med warp 4 rör sig med 102c, och ett skepp som färdas i warp 9, rör sig med en hastighet av 1516c. Kurvan blir extremt brant efter warp 9,9 och en enorm fartökning krävs för att ta skeppet från warp 9,91 till warp 9,92.

I några sällsynta fall har skepp färdats otroliga sträckor - t.o.m. mellan galaxer - på bara några sekunder. Dessa resor ägde förmodligen rum i warphastigheter runt 9,9999999996, men Federationens teknologi klarar inte av att mäta hastigheter som närmar sig dessa extrema warptal. Att passera warpbarriären kräver oproportionerligt mycket energi, men när väl warptröskeln passerats, minskar energibehovet som behövs för att hålla warpfältet intakt (Figur 4). (Warpfaktorer)

Historik

Figur 5. Zefram Cochrane

Precis som människorna före Zefram Cochrane (Figur 5) - mannen som allmänt är erkänd som fadern till den moderna warpfysiken - har Cochrane byggt sitt arbete på tidigare giganters verk (se t.ex. kommentaren till warpdrift). Med början vid mitten av 2000-talet, arbetade Cochrane tillsammans med sitt legendariska forskarlag på att få fram de grundläggande mekanismerna för framdrift genom manipulering av rymdens geometri (Eng: Continuum Distortion Propulsion (CDP)). Intellektuellt såg han möjligheterna vid användning av större energinivåer och överljushastighet: Människan skulle inte längre vara låst till enbart färder inom solsystemet. De stora vinsterna som kunde bli konsekvensen av att interstellära färder möjliggjordes, fick till följd att man gjorde en intensiv översyn av hela vetenskapen, inte bara fysiken, utan även närliggande vetenskaper. Man hoppades få bättre förståelse för fenomen som kunde tillämpas på warpfysiken, och tog upp övergivna trådar och tankegångar som kunde vara till nytta i forskningen.

Korståget ledde slutligen till en rad komplexa ekvationer, materialformler, och funktionsbeskrivningar som beskrev grunderna för färder i överljushastighet. I de ursprungliga warpdriftteorierna krävde det skapade fältet - eller de skapade fälten - som behövdes för att förändra rum-tidskontinuumet, enorma mängder energi. Men redan år 2061 lyckades Cochranes forskarlag att konstruera en jättelik prototyp på en warpfältsgenerator. Med prototypen - ibland kallad en växlingsfältsgenererande superkompressor (Eng: fluctuation superimpeller) - lyckades man slutligen bryta igenom ljushastighetsbarriären (c), även om det de första gångerna skedde under en ofattbart kort tidsrymd. Man lyckades konstatera genombrotten när de varade under åtminstone en Plancktid (5,4x10-44 sek.), den kortaste tid som är mätbar. Genombrotten skedde med ungefär samma frekvens som växlingen av fälten (alltså när genombrotten blev mätbara). Eftersom genombrotten gjordes genom att förändra själva rymden, undvek man det annars ofrånkomliga kravet på oändlig energitillförsel vid hastigheter lika med ljusets.

De tidigaste CDP-motorerna, allmänt kallade för warpmotorer, installerades förvånansvärt enkelt på befintliga rymdskeppskonstruktioner. Fastän långsamma och ineffektiva jämfört med warpmotorerna under senare tidsperioder, ändrade de restiderna till andra närliggande stjärnsystem från att ta årtionden till att ta några få år. En annan tilltalande konsekvens av tekniken var att gången av tiden inte ändrades ombord på rymdskeppet, i förhållande till tidsgången på relativt sett stationära system, som t.ex. på planeten Jorden (= ingen mätbar tidsdilation).

Cochrane och hans grupp flyttade så småningom till kolonierna på Alfa Centauri, en resa som "endast" tog fyra år med de warpmotorutrustade rymdskeppen. Gruppen fortsatte med att utveckla warpfysiken, och lyckades så småningom utforska den mystiska rymden som bildades genom warpfälten. Det som senare kom att kallas för subrymd. Det är viktigt att komma ihåg att subrymden inte är någon annan osynlig rymd, utan den rymd som blir resultatet av en ändring av geometrin i "vår" rymd.

Flödet i en warpmotor

(Figur 6)

Materia/A-materiainjektorer

För att få materia och antimateria att kollidera med varandra och generera kraft (när materia och antimateria sammansmälter, annihileras de fullständigt och omvandlas till ren energi), används två injektorer (Eng: reactant injectors) som sitter i vardera änden av ett reaktionstorn (Eng: matter/antimatter reaction assembly (M/ARA)) (Figur 7). Injektorerna är konstruerade på olika sätt för att kunna hantera de två olika formerna av materia. I materiainjektorn förbereds deuterium för att skjutas in i reaktionskammaren (Eng: matter/antimatter reaction chamber (M/ARC)), i antimateriainjektorn antideuterium. Små kulor av deuterium skapas, som upphettas genom bearbetning med kraftiga magnetfält, vilket resulterar i en joniserad gas. Samtidigt upphettas portioner av antideuterium, som när det uppnått gasform, transporteras med användning av magnetfält in i antimateriainjektorn.

Figur 7. Reaktionstorn (M/ARA)

Segment för magnetfältskomprimering

Gaserna skjuts in i två skilda segment för magnetfältskomprimering, som pressar ihop gaserna och därvid ökar deras hastighet (jämför med en blöt tvål. Om du håller den försiktigt så händer ingenting, men om du kramar tvålen, så skjuts den ut från handen. Ju hårdare du kramar tvålen ju snabbare sticker den iväg).

Reaktionskammare för materia/A-materia

Båda gaserna möts i reaktionskammarens dilitiumkristall. Dilitiumkristallen är pålagd ett högfrekvent elektromagnetiskt fält, vilket låter antipartiklarna passera fritt in i kristallen utan att komma i kontakt med kristallatomerna. Dilitiumkristallen stabiliserar reaktionen mellan materian och antimaterian, samtidigt som delar av kristallen "förångas" som en följd av annihilationen. Det extremt energirika plasmat som bildas, transporteras bort genom rörledningar.

Rörledningar för kraftöverföring

Rörledningarna (Eng: power transfer conduits (PTC)) förflyttar plasmat från reaktionskammaren till fältspolarna (generatorspolar för warpfält), där energin från plasmat används för att skicka in farkosten i subrymden och driva det framåt.

Generatorspolar för warpfält

(Figur 2)

Warpfältspolarna sitter inuti warpmotorgondolerna och genererar kraftiga fält i flera lager runt farkosten. Genom att förändra formen på fälten, kan farkosten bokstavligen "kröka rymden" (övergå till subrymd) och färdas snabbare än ljuset. Ett material kallat verteriumkortenid, förorsakar en ökning av energifrekvenserna i plasmaströmmen som pumpas genom fältspolarna. Energin formas till paket eller kvanta inuti fältspolarna, och verteriumkorteniden orsakar en geometrisk förändring av rymden inom en Planckenhet per kvanta. De högfrekventa energifälten (med långt mindre våglängd än ljusets), som avges från fältspolarna "staplas" ovanpå varandra och bildar en asymmetrisk stack. Farkosten drivs framåt och förflyttas in i subrymden: Warp är uppnådd.

Warpgondoler

(Figur 3)

Motorgondolerna består av plasmainjektorer, fältspolar och flera andra komponenter. Plasmainjektorerna skjuter in plasmat i plasmakaviteten inuti fältspolen. De resulterande energifälten som släpps ut från motorgondolerna, via de speciella utsläppsspalterna i fältspolarna, driver farkosten framåt.

Phoenix-projektet

År 2053 började Zefram Cochrane och hans kollega Lily Sloane att konstruera mänsklighetens första warpkapabla farkost, Phoenix (Figur 9), i ett övergivet missilkomplex i Bozeman, Montana, i efterdyningarna av det tredje världskriget. Trots att det saknades avancerat material och var besvärligt att få fram bra komponenter, som en följd av kriget, lyckades Cochrane bygga en farkost utifrån en gammal avlagd Titan V-kärnmissil. Klockan 11:00, den 5:e april, 2063, lyfte raketen och bröt vid samma tillfälle igenom warpbarriären. Warpsignaturen uppsnappades av ett vulcanskt kartläggningsskepp, T'Plana Hath, som därefter tog den första fredliga kontakten med människorna, inklusive Cochrane själv, vid Phoenix uppskjutningsplats (First Contact).

Skeppet befann sig i warp under ungefär en minut innan det gick tillbaka till underljushastighet, och återvände till Jorden.

Sannolikt användes en materia/antimateriareaktor som kraftkälla till warpmotorn, eftersom det konstaterades i filmen First Contact, att uppskjutningsplatsen kontaminerats av thetastrålning - en strålning som förekommer i samband med förorenade biprodukter till antimateria. En del källor hävdar dock att man använde sig av en fissionsreaktor.

Phoenix bestod av en enkel kapsel för tre besättningsmän (kommandomodulen), som satt ihop med en längre servicemodul. Hela Phoenixskeppet var placerat ovanpå Titanraketen (Konfigurationen påminner en del om Apolloskeppet som var fäst ovanpå en Saturn V bärraket). På servicemodulens sidor satt två motorgondoler som svängdes ut strax innan warpmotorn slogs på (innan detta skedde måste även Phoenix frigöras från Titanraketen).

Vid början av 2300-talet ställdes Phoenixskeppet ut på Smithsonian Institution. Jean-Luc Picard besökte ofta utställningen som pojke, men tilläts aldrig att röra vid skeppet.

Figur 10. SS Conestoga

SS Conestoga

När år 2069 hade inletts hade människan etablerat sig inom solsystemet, med den stora basen New Berlin på Månen, Utopia Planitia på Mars, och några mindre baser på asteroider, med hjälp av Phoenix-liknande rymdskepp. Man började ställa sig frågan: Kan människan kolonisera rymden bortom solsystemet?

Före 2069 hade den jordliknande (Klass M) planeten Terra Nova (Eta Cassiopeia III) upptäckts av astronomer på Jorden. På grund av att den dessutom låg relativt nära Jorden, endast 20 ljusår ifrån, valdes den som ett test på om en kolonisering av den yttre rymden var möjlig. Eftersom förutsättningarna var så osäkra valdes det passande namnet på expeditionen till "Det Stora Experimentet" (Eng: the Great Experiment).

Kolonisationsskeppet SS Conestoga (Figur 10) sändes ut under slutet av år 2069, på en nio år lång resa till planeten Terra Nova. Med en genomsnittshastighet på strax över warp 1 nådde man fram till planeten år 2078. Väl framme, plockade man isär skeppet, och använde modulerna till att forma de första bostäderna på planeten.

NX-projektet

Stjärnflottan, tillsammans med Warp 5 Komplexet (Eng: Warp Five Complex), påbörjade NX-projektet under år 2142. Målet var att testa warp 5 motorn formgiven av framlidne Dr. Henry Archer. Så småningom skulle warp 5 motorn installeras på Jordens första rymdskepp med namnet Enterprise (på Zefram Cochranes begäran).

Figur 11. NX-Alpha

NX-Alpha

Den 9:e mars, 2143, lyckades piloten, kommendörkapten A.G. Robinson, att ta experimentskeppet NX-Alpha (Figur 11) förbi warp 2, och uppnådde warp 2,2 innan skeppet bröts sönder nära Jupiter. Robinson blev den första människa att färdas med så hög hastighet i ett människokonstruerat skepp, och den förste att skjutas ut i en flyktkapsel vid warphastighet.

Flera höga officerare i Stjärnflottan konkurrerade om platsen som NX-Alphas pilot, och bli den förste att bryta igenom warp 2 barriären. Efter flera veckor blev det klart att endast två återstod, kommendörkapterna Jonathan Archer och A.G. Robinson. Trots att Archer loggat fler flygtimmar i simulatorn, och det var hans far som konstruerat motorn, valde flottiljamiral Forrest A.G. Robinson. Robinson själv trodde att det berodde på att man inte ville ha någon som kunde följa reglerna till punkt och pricka i en simulator, utan istället någon som kunde ta tuffa beslut i nödsituationer. Archer övervakade dock hela färden från sin monitor vid rymdcentralen, och körde flera diagnostikprogram som löpande analyserade NX-Alphas system.

Figur 12. NX-Beta

NX-Beta

Den 11:e mars, 2143, tog Jonathan Archer och A.G. Robinson NX-Beta (Figur 12) på en oauktoriserad flygning kort efter att NX-Alpha förstörts. Farkosten lyckades uppnå warp 2,5 och återvända säkert till Jorden, den första farkost som klarat detta. (First Flight)

Vulcanerna hade krävt att fler tester skulle ha gjorts innan den andra flygningen fick utföras. Konsekvensen av den otillåtna flygningen blev att NX-projektet helt stoppades tills man löst designbristerna i motorn, och Archer och Robinson var hänvisade till enbart marktjänst.

Till slut godkände vulcanerna den reviderade motorn, och NX-Gamma upprepade NX-Betas flygning och uppnådde återigen warp 2,5. Därefter bröt kommendörkapten Duvall igenom warp 3 vallen med NX-Delta, den 19:e december, 2144.

Övertygade om att Henry Archers design nu skulle fungera i ett fullskaligt rymdskepp, godkände Stjärnflottan och vulcanerna att arbetet på NX-01 Enterprise skulle påbörjas.

Figur 13. NW-02 Intrepid

Det skulle ta sju år innan det nya skeppet var färdigt. Under tiden byggdes flera skepp av en mindre "interimklass", bl.a. NW-01 Saratoga, NW-02 Intrepid (Figur 13) och NW-03 Republic. "Know-how" från dessa skepp kom att tillämpas på NX-klassens betydligt större skepp.

NX-klassen

NX-klassen (Figur 14) var den första klass av skepp som utrustades med warp 5 motorn (= 125c), och därigenom gjorde det möjligt för människan att färdas bortom de närmaste stjärnsystemen. Det första skeppet i klassen var Enterprise, som lämnade torrdockan den 12:e april 2151. Det andra skeppet, Columbia, togs i drift under 2154.

Befälet på Enterprise gavs till Jonathan Archer, i första hand på grund av dennes oöverträffade meriter. Vulcanerna ansåg att skeppet driftsattes alldeles för tidigt. De menade att människan ännu inte var redo att utforska den yttre rymden. Till slut gick man dock med på att Enterprise skulle få lämna dockan om en vulcan fanns ombord på skeppet som observatör.

NX-klassens skepp var avsedda att fungera i flera olika roller; för utforskning, vid diplomati såväl som vid krig.

Vid början av 2160-talet betraktades NX-klassen som föråldrad, främst genom introduktionen av de nya warp 7 skeppen. Den mest framträdande och betydande klassen var Daedalus.

Daedalus-projektet

Figur 15. Tvärsnitt av ett Daedalusskepp

Daedalus-klassen av rymdskepp var den första typen av skepp som användes av den nyligen bildade Förenade Planetfederationen (2161). Daedalusskeppen började konstrueras 2156 och var till en början enbart avsedda för utforskningen av rymden. Konstruktionen byggde till stor del på erfarenheterna man hade fått från NX-programmet några få år tidigare. Genom att man installerade de nya dilitiumbaserade warpmotorerna och ökade kompressionsgraden för plasmat, kunde hastigheten ökas från warp 5 till warp 6. Med den andra generationen av Daedalusskepp lyckades man nå upp till warp 7.

Under mer än fyrtio år spelade Daedalusskeppen en framträdande och avgörande roll vid utforskningen av Federationens snabbt växande territorium. Flera nya raser upptäcktes och kontaktades av skeppen, och stora områden av tidigare okänd rymd kartlades. Genom sin framgångsrika konstruktion blev grunddesignen en standard för Federationens skepp, och kom att användas en bra bit in på 2300-talet. Daedalusskeppen togs ur tjänst under år 2196.

Figur 16 visar en bild på USS Horizon som nådde längre bort än något tidigare Federationsskepp. Skeppet upptäckte den bebodda planeten Sigma Iotia II i utkanterna av vår galax. Signalerna från skeppets omoderna kommunikationsradio uppsnappades först ett århundrade senare, av USS Enterprise. Det visade sig att samhället på planeten hade brutit samman som en följd av USS Horizons påverkan. Eftersom detta hänt på grund av att Federationen blandat sig i, fick Enterprise uppdraget att rätta till USS Horizons misstag. (A Piece of the Action)