Дышать в космосе, в костюме или без?

Мы пишем много уравнений, таких как$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$для описания горения, а на самом деле лучше написать$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \leftrightarrow 6CO_2 + 6H_2O$. Все известные нам химические реакции работают в обоих направлениях. «Односторонность» некоторых операций заключается просто в том, что энтропия сильно благоприятствует одному направлению при некоторых обстоятельствах, настолько, что это удобно аппроксимировать как путешествие в один конец.

Существо, которое могло бы искривить физику, могло бы создать ситуацию так, чтобы было удобнее получить обратное уравнение. При этом ему пришлось бы заплатить волынщику ... ему нужно было бы вложить в систему достаточно энергии, чтобы сделать эту реакцию благоприятной (что равно или больше энергии, чем он получил от реакции). У персонажа с «бесконечной энергией» не было бы никаких проблем с этим… буквально вообще никаких (ну, немного эпсилон проблем). Пока вы не теряете материю, все, что вы делаете, — это перестраиваете структуру.

Самое интересное — это Первый закон магии Сандерсона.

Первый закон магии Сандерсона: Способность автора разрешить конфликт с помощью магии ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА тому, насколько хорошо читатель понимает указанную магию.

Закон Сандерсона прекрасно сочетается с законом Артура Кларка: «Любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии». В своем блоге Сандерсон объясняет, что «магия» — это на самом деле любой сюжетный ход, который нелегко объяснить.

Ваша задача состоит в том, чтобы заставить читателя понять магию космических путешествий достаточно хорошо, чтобы вы, как автор, могли отправлять персонажей в космос. Любая конструкция, которую вы представляете, должна быть достаточно понятна читателю, чтобы вам это сошло с рук.

Например, хотя может быть наиболее эффективным позволить путешественнику просто разбирать молекулы по своему желанию, такое поведение оставляет читателя в замешательстве. Однако, если путешественник может, скажем, воссоздать миниатюрную реальность солнечной системы, которую он когда-то посетил, вместе с солнцами и деревьями и унести ее с собой, он может положиться на эту экосистему, которая сделает за него работу по фотосинтезу. Читатели понимают нашу экосистему, поэтому они могут общаться.(такая система была бы менее энергоэффективной, чем преобразование сырых молекул, но это цена, которую вы платите за магию, которую понимают читатели... и существо с бесконечной энергией не будет иметь особых проблем). Он может просто направить свою «энергию» на то, чтобы миниатюрное солнце горело, что гораздо легче сделать в глазах читателя, потому что солнце более неуправляемо. Генерация кислорода атом за атомом потребует большого контроля и чувствительности.

Если у путешественника есть изъян, это тоже может привести к сюжетным приемам. Подумайте, что произойдет, если он потеряет контроль над этой миниатюрной реальностью. Может ли солнце превратиться в новую? Мог ли он случайно перенести биологию с одной планеты на другую? Как бы путешественник изменил свой план путешествия, чтобы не совершить ошибку? Возможно, он активно распускает деревья и солнце задолго до прибытия на планету, в основном затаив дыхание по законам нескольких миллионов километров. Это могло бы создать потенциальный сюжетный ход, если бы его перехватили после того, как он отказался от своего источника жизни.

Что могло бы случиться, если бы мы были частью этой миниатюрной реальности, и он собирался отпустить нас, не дойдя до места назначения?

Если у них есть неограниченная энергия и передовые технологии, они могут создавать материю. Это результат эквивалентности массы и энергии . Так что они могут производить кислород или что им нужно.

Текущая технология еще не совсем готова, но находится в пути .

Пусть они изменят свои тела, чтобы они на самом деле не выбрасывали отходы. CO2 попадает в их тело, где некоторые хлоропласты получают свет, чтобы превратить его обратно в O2.

При правильном дизайне вам даже не нужны магические силы — достаточно хорошей генной инженерии. И, конечно же, солнечный свет или потребляемая мощность.

Согласно этому ответу Chemistry.SE , «на моль вещества требуется около 94 килокалорий энергии».$CO_2$(около 44 г)" для преобразования$6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.

Таким образом, предполагая неограниченную энергию для запуска этой реакции и достаточно большой запас воды, было бы легко обновить кислородный пузырь, превратив отработанный углекислый газ в глюкозу (или родственный сахар ) и больше кислорода.

Насколько велик «достаточно большой»? Нам нужно равное количество$CO_2$и$H_2O$для этой реакции. Этот ответ Biology.SE оценивает, что «при каждом вдохе мы принимаем 18 мг$O_2$(1,1 ммоль) и высвобождаем 36 мг$CO_2$(1,2 ммоль) плюс 20 мг$H_2O$(1,1 ммоль)». Таким образом, чтобы избежать медленного$CO_2$накопления, нам нужно принести дополнительно 0,1 ммоль воды на вдох (плюс, если мы израсходуем всю воду в этом преобразовании, воздух станет очень сухим, поэтому немного дополнительной воды полезно). Один моль воды составляет ~18 г (или ~18 мл), поэтому 0,1 ммоль будет ~1,8 мг (или ~1,8 микролитра). При 15 вдохах в минуту (приблизительно к верхнему пределу среднего диапазона отдыха) литровой бутылки воды будет достаточно на некоторое время.

$\frac{1.8{\mu}L \text{ water}}{1 \text{ breath}}\times\frac{15\text{ breaths}}{1\text{ minute}}\times\frac{1440\text{ minutes}}{\text{day}}\times\frac{1\text{ bottle}}{1L=1,000,000{\mu}L\text{ water}}=\frac{0.03888\text{ bottles}}{\text{day}}\rightarrow\frac{25.72\text{ days}}{\text{bottle}}$

Конечно, это не предполагает никаких других требований (таких как еда, питьевая вода и т. д.) и вообще не касается продолжительности поездки. Но с неограниченной энергией очень легко перерабатывать воздух.

Простой термодинамический ответ:

Вам нужно столько же энергии (в обратном направлении), чтобы преобразовать CO2 в O2, сколько вы получили, когда преобразовали его из O2 в CO2.

Должен признаться, я не знаю, что это за число и какова на самом деле биологическая роль дыхания (это для обмена энергией? Или для катализа других реакций?), но поскольку мы получаем большую часть нашей энергии из пищи, я думаю, что это больше последнего, так что... они могли бы просто съесть немного больше и использовать часть этой энергии, чтобы справиться с этим. Учтите, что это примерно то же самое, что дышать в два раза тяжелее обычного.

Как уже говорили другие, при достаточной энергии это тривиально. Просто удалите углерод из CO2, и они готовы к работе.

Однако есть еще одна проблема: тепло. Поскольку у них бесконечная доступная энергия, я не буду беспокоиться о том, что они слишком холодные, но как они справятся с противоположной проблемой? Мне трудно представить что-то вроде 100% эффективности этой реакции.

Без костюма человек подвергается воздействию космического вакуума. При отсутствии давления их кровь будет кипеть, поскольку газы, растворенные в их крови, возвращаются в газообразное состояние. Образуются тромбы, и человек умирает довольно мучительной смертью в течение нескольких минут.

Если по какой-то причине это не убьет их сразу, то они умрут от радиационного облучения, если окажутся где-то рядом с солнцем, потому что у них не будет земной атмосферы и магнитного поля, чтобы отклонить или поглотить его. Основная причина того, что нынешние скафандры астронавтов, которые носят вне космического корабля, такие толстые, — это радиационная защита.

Вашему космическому путешественнику без скафандра может понадобиться физиология, которая насыщает кислородом и утилизирует CO2 другими способами, кроме газообразного переноса, чтобы выжить в вакууме, или, может быть, жесткая внешняя оболочка, чтобы они могли поддерживать небольшое внутреннее давление, чтобы позволить крови течь. форме существовать без кипения.

Что касается радиации... может быть, твердый панцирь мог бы также служить защитой от радиации, но теперь ваши люди выглядят как Бен Гримм из Фантастической четверки. Немного жестковато... лучше избегать романтических побочных сюжетов.

Возможно, они могли бы носить личное силовое поле, такое как бластер, отражающий личные щиты, которые носят в серии «Основание» Азимова. Это был просто пояс, который носил человек... настоящий щит, окружавший человека, был невидим. Это могло бы одновременно отражать излучение и действовать как сосуд высокого давления, так что обычному человеку не понадобился бы скафандр в космосе.

На это есть два не волшебных ответа, так что вы можете принять его за то, что он стоит, и адаптировать его к вашим потребностям.

1. Растительно-человеческие симбиоты. Идея состоит в том, чтобы по существу создать замкнутую экологию Земли, но максимально убрав и упростив ее. Как минимум, человек заключен в растение, и растение питается продуктами жизнедеятельности человека (фекалиями, мочой и CO2). Растение использует энергию солнца для расщепления этих материалов посредством фотосинтеза и возвращает человеку свои «отходы» (O2, сахара и углеводы).

Жизнь внутри космического сада

Растение должно быть специально приспособлено для защиты от космического вакуума, позволяя солнечной энергии внутри управлять экологией. На Земле требуется около четверти акра земли, чтобы обеспечить достаточное количество пищи для человека, поэтому, вероятно, можно с уверенностью предположить, что для снабжения симбионта внутри может потребоваться такая же площадь сбора солнечной энергии.

2 Безумный ученый. Александр Болонкин опубликовал статью , в которой, по сути, предполагается, что человеку может быть имплантирован аналог аппарата искусственного кровообращения. Тогда киборгу нужно будет лишь сделать наружную оболочку достаточно прочной, чтобы противостоять вакууму и солнечному излучению (вы получите довольно неприятный солнечный ожог в космосе), и несколько других хирургических или генно-инженерных модификаций, чтобы закрыть тело от вакуума (т.е. предотвратить влага и газы выходят из тела через естественные отверстия.Это довольно экстремальный киборг, и такие вопросы, как хранение энергии и материалов, не освещены слишком глубоко.

Преобразование любой из этих идей в магию потребует какого-то авторского взмаха руки. Возможно, человек должен быть в контакте с четвертью акра возделываемых сельскохозяйственных угодий через червоточину или какую-то магическую систему переноса, чтобы воспользоваться преимуществом того, что он является частью ранее существовавшей экосистемы. Возможно, они делают то же самое в больнице, чтобы подключиться к нужному оборудованию, чтобы выжить в космосе.

У вас бесконечная энергия.

Если вы нагреете что-нибудь достаточно, оно разделится на составные элементы.

Когда концентрация Co2 станет достаточно высокой, ускорьтесь настолько, чтобы вытолкнуть Co2 на «дно» пузыря.

Разделите секции вашего пузыря, чтобы сформировать два пузыря, закрывающих большую часть СО2.

Используйте свою бесконечную энергию, чтобы нагреть скопление газов в пузыре CO2 до невероятно высоких температур.

Сформируйте из пузырька СО2 диск и очень быстро раскрутите его, нагревая. Используйте «магию», чтобы выбросить более тяжелый углерод и просто оставить его в космосе.

У этого есть повествовательное преимущество, поскольку не требуется 20 абзацев для объяснения газовых смесей или фотосинтеза, а также вращающийся диск из перегретого газа, вероятно, выглядел бы чертовски круто.